[发明专利]小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法

说明书

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊技术。

(二)背景技术

1986年Askin(Optics Letters，11，288-290，1986)把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，实现了对微小粒子的三维空间控制。用一束强聚焦的激光实现了在x-y平面和沿z轴方向上同时形成梯度力势阱，从而稳定的俘获粒子。由于该光阱仅仅使用一束激光形成，所以称这种光阱为单光束梯度力光阱，也就是人们通常所说的光镊。

目前，人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。此外，光镊技术还可应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。

常规光镊仪器都是将从激光器发出的激光束，经扩束器和光强调节器后进入生物显微镜系统，被双向色分束器和高倍显微物镜会聚后形成光焦点光阱，由于梯度场光阱的作用将样品中的微粒捕获于焦点附近。

基于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，样品移动自由度小。例如，陆思等人的发明专利申请“光波导光钳系统”(于2006年3月1日授权，公开号：CN 1740831A)采用特殊设计的光波导，来解决光镊的空间运动灵活性问题。由于其具有几何尺寸大和工作距离短的特性，因而限制了普通光镊的应用，使其很难操纵位于狭窄位置(如：深孔中)的微粒，也不易实现多光镊操纵。这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。利用两根纤芯相对的单锥形透镜单模光纤光镊能够捕获微米量级的聚苯乙烯球。但利用双光纤构成的光镊要求光纤出射的光束在空间上对准、移动时两根光纤必须同时动作，操作上仍存在诸多不便。容易想象，如果能够利用单根光纤构成光镊，则操作会更为简单，系统成本也会大大降低。但利用普通单模光纤(如目前光通信普遍采用的SMF-28型标准单模光纤)所形成的光学梯度力势阱对粒子捕获作用不足以抵消粒子的重力，不能实现粒子的三维捕获。

2003年加拿大的R.S.Taylor(Optics Express，11，2775-2782，2003)等人利用腐蚀和镀膜的方法，制作了一种中空的金属化光纤探针尖，巧妙的利用针尖的静电引力与光的散射力达到平衡，捕获和操纵了浸没在水中的玻璃微粒，实现了粒子的三维捕获。但这种方法加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长，而且加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，所以对加工环境要求高。

2006年，本发明人报道了一种借助于融拉法制作的具有抛物线形微结构的单光纤针尖形光镊(Optics Express，14(25)，12510-12516，2006)，利用该抛物线形微结构单光纤光镊能对微小物体进行三维捕获和操纵。但这种抛物线形微结构单光纤针尖形光镊在结构方面，由于尖端较细，存在结构强度不够强的问题。另一方面，这种微结构单光纤针尖形光镊在进行批量加工时，很难保持其光学性能和力学性能的一致性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现与各种波长光源尾纤的低损耗连接、同时便于微小粒子的俘获与操纵的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊。

本发明所设计的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊的结构为：它是一种采用小芯径超高数值孔径的光纤加工，其光纤端被研磨成锥体形状且锥尖角度在30°～120°之间并通过热融扩散数值孔径匹配技术连接的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊。

本发明所设计的这种超高数值孔径单模锥体光纤光镊具有以下四个方面的主要特征：

(1)光纤数值孔径大，超过普通标准单模光纤的若干倍；

(2)光纤芯径细，芯径远小于普通标准单模光纤；

(3)光纤端研磨成或蚀刻成锥体，便于微小粒子的俘获与操纵；

(4)通过热熔扩径技术，可以实现与各种波长光源尾纤的低损耗连接。

本发明的另一个目的在于提供一种可以实现本发明小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊的制作方法。

本发明产品的制备方法为：

1.光纤制备或选取：制备或选取数值孔径大于普通标准单模光纤3倍以上，并且光纤芯模场直径要远小于普通标准单模光纤的纤芯模场直径的超高数值孔径的光纤；

2.锥体加工：采用光纤端研磨技术或化学蚀刻技术，将光纤端加工成锥尖角度在30°～120°之间便于使用锥尖对微小粒子进行俘获和操纵的锥体；

3.与光源光纤进行连接与耦合：采用热融接的方法，将制作好的超高数值孔径锥体光纤光镊与标准光纤进行热融焊接，，然后对焊接部分进行涂覆；