[发明专利]基于光学锐边衍射的单光纤光镊

说明书

本发明提供的是基于光学锐边衍射的单光纤光镊。其特征是：所述器件由环形芯光纤1、锥形纤端2、纤端金属膜3组成。本发明基于光学锐边衍射和狭缝衍射实现多个汇聚焦点输出光场，实现对微纳颗粒的稳定多点捕获，由于光学锐边衍射和狭缝衍射效应，不同波长或偏振态经过纤端金属膜有不同的衍射汇聚效果，最终通过改变环形芯的输入光波长或偏振态可以实现输出光场汇聚点的调控，从而实现对微纳颗粒的捕获数量、捕获位置、运动状态的动态调控。本发明不仅实现了对粒子的定向捕获，而且还提高了光纤光镊的操控精度，极大地改善了光纤光镊的捕获特性。该装置主要用于光场调控、光捕获和光操纵等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是基于光学锐边衍射的单光纤光镊，可用于本发明可用于光场调控、光捕获和光操纵等领域。

(二)背景技术

1970年，美国贝尔实验的Ashkin等人[Optics Letters,18(5):288-290,1986] 首先提出光纤光镊的概念。他们利用光压操纵微小粒子，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来，这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子尺寸越来越小。光镊技术使用激光束来实现对尺度在微米、纳米量级的微粒进行非机械接触式的捕获和操作，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子的周围生物环境。此外，通过标定光镊可以测量微粒系统产生的力或位移。此外，光镊还可以用于微流控制，胶体、流体力学和非平衡热动力学促进生物化学、生物物理学等研究领域的发展。

与传统光镊相比，光纤光镊具有结构简单、价格便宜、传输光路柔性强及捕获范围大等优点。光纤光镊系统是利用经处理后的光纤端面改变出射的激光束来实现对粒子的微操控。传统的光镊通常是基于光学显微镜系统构建的，虽然技术成熟，但是其结构复杂缺乏柔性，体积庞大、造价昂贵并且操作技能要求高。而光纤光镊形成的光阱操纵灵活，系统自由度大。其用于细胞操作的非接触力，精确到100aN的力分辨率以及对液体介质环境的亲和力，可以将其应用于外来物质输送到单细胞、将细胞输送到特定位置以及在微流体系统中对细胞进行分选等干细胞输送、组织工程和再生医学领域。

中国专利(CN102147500A、CN101950049A、CN101907742A、 CN101893736A、CN101881858A)提出了基于多芯光纤的单光镊技术，该技术虽然能够解决单光纤光镊在捕获粒子的基础上更进一步操作粒子的功能，但是始终没有能够解决微粒横向位移可调问题的单光纤光镊。此后，基于环形多芯光纤的光镊(CN101236275)和集成于单根光纤的多光镊(CN101251620)又陆续被提出。这些新型光镊都能实现对微粒的捕获、定位、旋转等功能，但是，它们都存在较难控制多光束光阱力的问题，在分析单根多芯光纤汇聚在纤端光场时较为复杂，对微粒的操控精度大大下降；此外多芯光纤复杂的纤芯结构，还存在光源注入纤芯之间的光功率分配问题。

为了拓展特种光纤器件的功能，更加灵活地捕获和操纵微粒，本专利提出了一种基于光学锐边衍射的单光纤光镊，在基于光学锐边衍射的前提下，通过改变通入光纤光镊的光波长或偏振态，控制汇聚焦点位置和数量的调整，最终实现对多个微纳粒子的捕获数量、捕获位置、运动状态的动态调控。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学锐边衍射的单光纤光镊实现对多微粒的操控，并实现对粒子的捕获数量、捕获位置、运动状态的动态调控。

本发明的目的是这样实现的：

该基于光学锐边衍射的单光纤光镊是由环形芯光纤、锥形纤端以及纤端金属膜组成。其中，环形芯光纤纤端经过研磨形成锥形纤端，激光光源通入环形芯光纤后形成传导模场，在满足全内反射的条件下，传导模场在锥形纤端表面发生全反射形成汇聚光束，汇聚光束经过纤端金属膜的锐边和微孔后由于光学锐边衍射和狭缝衍射形成多级高阶衍射光束，多级高阶衍射光束在传输过程中发生强汇聚，并在光轴上干涉形成多个汇聚焦点(如图2所示)，最后将多个微纳粒子稳定地捕获在多个汇聚焦点附近。