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一种非接触式单光纤多光学镊子探头的设计与制造
摘要：光学镊子已经发展成为一种用途广泛的工具；与传统的光学镊子相比，单根光纤构建的光阱为实现紧凑集成的多阱提供了更灵活的解决方案。但由于光纤探针的制作方法不同，单个光学镊子自身的工作时间较短，对微粒子的操作不是非接触的。然而我们提出了一种简单的、低成本的、非接触式的并且非侵入性的单光纤多光学镊子。
关键字：光纤光学镊子 非接触式捕获 多芯光纤 单光纤多光学镊子
1.引言
光学镊子(OTs)自1986年由阿斯金等人们发明以来，被广泛应用于微纳米颗粒的非接触操纵[1]。当来自光学镊子的光被物体表面入射并偏转时，由于光子动量的变化，会对物体施加光学力。光学镊子为处理微观粒子提供了强大的新可能性，这些粒子彻底改变了不同的领域，如原子物理学[2]和生物学[3-5]，甚至光阱研究本身也产生了新的有趣的物理现象[6]。
光阱有不同的实现方法，其中最常见的两种一种是基于高数值孔径目标的传统的光学镊子，另一个是基于新型光纤的光学镊子。传统的光学镊子体积大、价格昂贵、结构复杂、自由度小，而光纤光学镊子体积小、操作方便、易于实现。因此，近年来，多光纤光学镊子和光子晶体光纤光学镊子取得了长足的进展[7-9]。光学镊子由于其粒子和生物细胞操作的非接触性、非破坏性，为生物工程提供了有力的工具，也为医学、材料科学和纳米技术的发展做出了贡献。
然而，多光纤光学镊子有他们自己的缺点——他们需要多台高精度的微处理器来控制多光纤，这就意味着光学镊子的成本增加。为了解决这一问题，单光纤光学镊子应运而生。单光纤光学镊子工作距离大，系统组成简单，只需一个微操作器即可捕获微粒子。但不可避免的是，单光纤光学镊子也有其自身的缺点，由于光纤探头的制作方法，对微粒子的操作不是非接触的[10,11]。本文介绍了一种基于微结构多芯光纤的新型光学镊子探头的制作方法。有了这种新的光学镊子探针，一个人也可以使用一种非接触的和非侵入性的方式捕获和操纵一个或多个微粒子。
2. 单光纤多光学镊子探头
2.1.多芯光纤
用于制作单光纤镊子探头的多芯光纤可以是双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、环形分布多芯光纤甚至环芯光纤。图1是它们的样式形象。我们从图1可以看出，环形分布多芯光纤可以制作单光纤多光学镊子探头。
图1. 多芯光纤的外形图片:(a)双芯光纤，(b)环芯光纤，(c)四芯光纤，(d)环分布多芯光纤，(e)环芯光纤
2.2.磨削角度的理论分析
为了实现对微粒子的捕获和操纵功能，必须将多芯光纤的尖端加工成一种特殊的结构。这里我们选择了光纤研磨抛光方法。接下来我们以双芯光纤为例来确定光纤尖端的磨削角度。
两束光从两个核捕获一个微粒子的前提是，两束光的传播方向必须有一个特殊的角度交叉。在这里我们采用时域有限差分法(FDTD)[12]来计算两束不同角度之间的会聚光束形成的捕获力。
我们在Rsoft软件建立了一个二维模型,使用全波方法得到了Ex，Ez及Hy部分的输出光场(TM模式)和计算当两束光之间的角beta;分别是30°，60°，90°，120°和150°时的光学轴向和横向捕获力,如图2 (a)和(b)所示。(仿真环境光源波长为980 nm,ncore =1.4681，nmedium=1.33，核心直径d=4um，两束光输出的位置之间的距离l=20um，捕获微粒直径为4um)。
从图2(a)可以看出，当两束光的夹角从30°变为150°时，作用在微粒上的捕获力会在不同的位置形成。从图2(a)中还可以看出，轴向阱力及其作用范围也是不同的。
当beta;=30°时,轴向捕获力总是大于0的，这意味着将微粒推离光源的光线;因此没有捕获；当beta;=60°时,轴向捕获力作用范围为5 - 35mm，稳定捕获位置约为18mm，最大捕获力约为200-300 a.u.；当beta;=90°时,轴向捕获力影响范围是0-20 um，稳定捕获位置大约是9um，最大捕获力大小约为300 - 400 a.u.；当beta;=120°时,轴向捕获力影响范围是0-12um，稳定捕获位置大约是6um以及最大捕获力大小是200 a.u.; 当beta;=150°时,轴向捕获力影响范围是0 - 4 um，稳定捕获位置大约是2um，最大捕获力大约是100级a.u.。从以上结果可以看出，当夹角beta;接近90°时，捕集微粒子的效果最好。
计算横向捕获力，如图2(b)所示。由图2(b)可知，当粒子距离纤维轴为0时，横向捕获力也为0，这说明只有粒子在纤维轴上处于平衡状态；当粒子从平衡位置沿x轴的正方向移动时，会产生一个负的横向捕获力，将粒子拉回到平衡位置，当beta;不同时，作用范围也不同。
我们计算了在微粒子轴向捕获力为0的情况下的横向捕获力，这意味着微粒子在轴向处于平衡状态。这是说我们计算微粒横向捕获力条件是当beta;=60°时，z=18um；当beta;=90°时，z=9um；当beta;=120°时，z=6um；当beta;=150°时，z=2um。
从图2 (b)中可知，当beta;=60°时，横向捕获力作用范围为0-18um；当beta;=90°时,横向捕获力影响范围也是0-18um，但最大横向捕获力比beta;=60°时小；当beta;=120°时，横向捕获力影响范围减少，大约0-10um；当beta;=150°时，横向捕获力影响范围是最少,约3 – 10um。
从上面的结果我们可以看到,横向捕获力在beta;=60°和beta;=90°时最好。结合轴向和横向捕获力的结果,我们选择beta;=90°作为最好的条件。
从上面我们可以看到，当光束之间的夹角接近90°时，会聚光束会很好地捕获微粒。通过实验发现，当角度beta;在80-100°范围内时，微粒子的捕获力较好。因此，我们应该制作光纤尖端应确保输出会聚光束之间的角度在80-100°之间。
图2. 不同磨削角度光纤探头的捕获力：(a)轴向捕获力和(b)横向捕获力。
2.3. 多芯光纤尖端加工
如前所述，为了实现捕获和操纵微粒子的功能，多芯光纤的尖端必须制成特殊结构。在此，我们使用了一种可以使光纤自旋和旋转同时进行的纤维研磨和抛光机来制作多芯光纤。
根据光束在光纤中的传播特性，可分为两种磨削类型：一种是光束直接从光纤研磨侧发射，然后集中在一起(如图3(I)所示)，第二种是光束完全反射到研磨侧，然后在光纤端折射，然后再聚焦在一起(如图3(II)所示)。
磨角由纤芯指数n1、包层指数n2和背景指数n3共同确定，我们使用的纤芯指数为1.4681，包层指数为1.4632，背景指数为1.33；这里的背景是水。全反射的临界角为
y
因此，磨削角alpha;1和alpha;2的确定是满足条件
接下来我们研究2beta;1和2beta;2的变化范围，即图3所示的收敛光束之间的夹角。
根据折射定律
2beta;的变化趋势如下图所示。
图4中alpha;1的取值范围为25.05-90°，区间为1°。从图4可以看出，2beta;1的取值范围在0-50°之间，不满足上述捕获条件。同样，在研磨II型的情况下，根据折射定律，2beta;2的变化趋势为
并且变化趋势如下图所示。从图5可以看出，磨削角度范围为18-22°的光纤探头是有效的。
因此应选择磨削类型II，磨削角度范围确定在18-22°左右。
图3. 光纤研磨类型。(这里的alpha;1和alpha;2表示光束与光纤轴之间的夹角)
图4. 光线角与光纤磨角的关系(磨型I)
图5. 光线角与光纤磨角的关系(磨型II)。
3.研磨光纤探针及实验
下面我们以双芯光纤和环芯光纤为例来说明这种多芯光纤光学镊子的功能。
3.1.双芯光纤探针与捕获实验
利用新型截锥头双芯光纤(如图1(a))光学镊子探针(研磨角度22°)实现酵母细胞在水中的诱捕。工作波长为980nm。在被困状态下，酵母细胞可以自由地前后左右移动。捕获力也可以通过调节激光光源的光功率来控制，如图6所示。
3.2.环芯光纤探针与捕获实验
使用研磨环芯光纤(如图1(e))探头(研磨角度为18°)，可以进行酵母诱捕实验(光源波长为980 nm)。由以上仿真结果可知，捕获位置是远离光纤尖端的。诱捕范围大；因此，这种新型环芯光学镊子可以同时捕获多个酵母细胞，如图7所示。在捕获状态下，可以自由移动捕获的酵母细胞，通过调节激光光源的光功率来控制捕获力。
由于其具有较大的聚焦区和较大的捕获力，这些新型光学镊子还可以捕获直径约为45mm的大介电微球，实时操作照片如图8所示。
图6. 实时照片显示，酵母细胞被截短的锥形光纤光学镊子捕获，并在轴向和横向移动
图7. 图片显示，多个酵母细胞被截短的锥形光纤光学镊子捕获:(a)一个粒子被捕获，(b)两个粒子被捕获，(c)三个粒子被捕获，(d)四个粒子被捕获
图8. 环形光学镊子操纵直径45毫米介电微球的照片
4.结论
在此基础上，提出了一种真实的非接触捕获微粒子环形分布多芯光纤探针的制备方法。理论和实验结果均表明，这种新型单光纤锥头光学镊子能够实现流体介质中微粒子的非接触捕获和操纵。
与传统的透镜光学镊子和早期的多纤光学镊子相比，这些新型单纤光学镊子操作简单，适用于操作生物细胞等实际微粒子。
与其他单光纤镊子一般采用锥形或半球形透镜光纤头相比，新型单光纤镊子采用截锥锥头，可实现微粒子远程非接触捕获。
致谢
这项工作得到了973计划(批准号:973)的支持。2010CB334701)、863计划(批准号:2010年aa8092208)，部分国家自然科学基金(批准号61107069、60927008、60877046、61077062)资助哈尔滨工程大学。
参考文献
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