[发明专利]一种基于特种光纤的组合式光纤光镊

说明书

本发明提供的是一种基于特种光纤的组合式光纤光镊。其特征是：它由同轴双波导光纤1、环形芯光纤2、锥台3、菲涅尔衍射透镜4组成。同轴双波导光纤1的一端熔接一段环形芯光纤2，锥台3是在环形芯光纤2纤端通过研磨而成，菲涅尔衍射透镜4是用飞秒激光微加工系统在环形芯光纤2的包层201端面上加工而成。环形纤芯202传输的光经过锥台3会聚成一个能稳定捕获粒子的势阱，包层201传输的光经过菲涅尔衍射透镜4能会聚成另一个捕获粒子的势阱。本发明可用于微粒的捕获、弹射，可广泛用于光动力操控等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于特种光纤的组合式光纤光镊，可用于细胞或微粒的捕获、弹射，属于光动力操纵技术领域。

(二)背景技术

1986年，Askin和他的同事首次提出“光镊”的概念[Optical Letters，18(5)：288-290，1986]，开拓了光捕获微粒研究的新领域。目前，光镊技术成为了探索微观世界的科学研究通用工具。

光镊，即用光来抓物体。但与之不同的是，光镊是使粒子受到光的束缚从而达到“抓”的效果。光镊可以使空间分辨率达到纳米量级，使力的分辨率达到皮牛量级，使得时间分辨率达到毫秒量级。这使得人们能从单细胞水平以至单分子水平上研究生命体。过去几十年的发展使这些工具从精密仪器转变为高度通用的分子生物物理仪器。目前，光镊已经成为生物科学中最广泛使用的高精度定位技术和测量皮牛力的技术。

尽管传统光镊已经取得了显著的结果，但是在相当多的环境中，它们的使用仍然受到限制。例如，使用通常工作距离很小的传统光镊系统很难使光束在厚样品或混浊介质中聚焦。此外，成本和可移植性问题也是它们广泛使用的障碍。

为解决上述问题，2016年，苏晨光等人公开了一种光镊系统中的微球自动捕获方法(申请号：201610832084.4)，能够自动识别、捕获800nm–10um的粒子，有效的提高实验的效率，减轻实验者的工作量，并提升实验数据的稳定性。同年，黄维等人公开了一种基于四芯螺旋光纤的光纤光镊及其制作方法(申请号：201610412841.2)。将四芯光纤进行扭转之后，形成螺旋光纤，从而形成光纤光镊2017年，张永惠等人公开了一种基于斜光线环形光场的阶跃多模光纤光镊(申请号：201721083580.0)，在多模光纤纤芯中，构造完全由斜光线构成的环形光场，将光纤头研磨后，形成光强梯度场，从而捕获细胞或飞升级的微液滴。

此外，申请人在2010年公开了一种基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及制备方法(申请号：201010215424.1)。利用同轴双波导光纤对微粒进行操控，通过调节改变光源光功率，可实现稳定捕获粒子的吞吐、发射，甚至吸回，同时，对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性，大大提高了光纤光镊技术的实用性。

以上专利，虽然都能对粒子进行捕获、吞吐等操控，但是他们大多一次只能操控一个粒子且功能比较单一。

本发明公开了一种基于特种光纤的组合式光纤光镊。可用于细胞或微粒的捕获、弹射，可广泛用于细胞操控等领域。在同轴双波导光纤的一端熔接一小段环形芯光纤。将环形芯光纤端研磨成锥台，使其环形芯能会聚形成三维稳定捕获势阱。同轴双波导光纤中的中间纤芯中传输的光到环形芯光纤的包层后，经过菲涅尔透镜会聚成另一个焦点。与在先技术相比，本发明的优势为：一方面，环形芯通过锥台形成一个焦点，环形芯光纤的中间包层通过衍射透镜形成一个聚焦点，可以同时捕获两个有一定距离的粒子；也可以对同轴双波导光纤的中间芯和环形芯分别通光，每次只捕获一个粒子。另一方面，通过设计包层端面的菲涅尔衍射透镜的焦距，使得透镜焦距与环形芯焦距相近，即可利用环形芯捕获粒子，中间焦点用来弹射粒子，中间芯是通过衍射透镜会聚的光束，将光束进行了压缩，与直接出射的高斯光束相比，弹射加速区域更长。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、同时具有捕获单个、多个细胞、且具有弹射功能的多功能复合的光纤光镊及系统。

本发明的目的是这样实现的：