[发明专利]基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置及推动方法。

背景技术

随着平面光子结构在微流器件中应用，相比于自由空间系统，基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统体现出更大的优越性。因为基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统的操纵区域不会受到激光光斑尺寸的限制，所以这种光学系统可应用于长距离驱动，而且仅受限于系统的散射和吸收损耗。此外，随着光刻刻蚀技术应用于平面光学器件的制造中，可以同时在平面光学器件中形成大面积捕获区域，从而增加了器件的集成度，减少了成本，使器件朝着高密度低成本的方向发展。我们还可以利用高折射率材料控制光场能量的分布区域的空间尺寸，使之远小于自由空间光的波长，从而来实现纳米微粒的捕获与输运。

自1992年S.Kawata和T.Sugiura(Opt.Lett.17，772-774，1992)第一次证明了可以用棱镜产生的倏逝场对微粒进行操纵后，基于倏逝场的微粒操作得到了逐步的发展。

人们利用光波导产生的倏逝波对多种微粒的操作进行了研究。Grujic等(Opt.Commun.239，227-235，2004)对沿着铯离子交换法制作的波导运动的微粒进行了研究，使小生物分子吸附在乳胶球上进而可以被光场操纵，并且用同样的方法制作了Y形分支结构的波导，通过改变在多模主干波导的光场分布来观测分支结构对微粒的筛选效率(Optics Express.13，1-7，2005)。Gaugiran等(Opt.Express，vol.13，pp.6956 6963，Sep.2005)用氮化硅波导使2μm的玻璃球在20mW的输出功率下产生了15μm/s的推进速度，相比于铯离子交换制作的波导，它的推进效率提高了20倍。同时，他们对红细胞和酵母细胞进行了操纵，这是首次把这项技术应用于生物细胞的操作上，并成功的使红细胞和酵母细胞的推进速度达到1μm/s。

此外，Yang等(Nature.Letters，Vol.457，pp.71-75，January.2009)采用狭缝波导对微小粒子的光操纵进行了研究。这种狭缝波导把电磁能量缩减到60nm的尺寸内，以此来克服光的衍射问题。并用这种方法捕获和传输了75nm的电介质纳米球和λ-DNA分子。相比于传统的点捕获，这种方法可以看为是线捕获，因此可以对延展的生物大分子进行直接的操作。而Sheu等(OPTICS EXPRESS，Vol.18，No.6，pp.5574-5579，2010)通过光纤锥体产生的倏逝场对微粒进行操纵。他们把一根标准的125μm直径的单模传输光纤拉成腰直径为50μm的锥形光纤，当通入960m激光后，可以使10μm的微球产生6.25μm/s的推进速率。

尽管上述的各种微小粒子的捕获和输运的方式具有一定的优点，但仍然存在一些不足。例如，波导对微小粒子输运的方式单一，操作不够灵活等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在空间上形成螺旋的捕获场，实现对微小粒子的旋进推动的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置。本发明的目的还在于提供一种基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置包括一段表面芯光纤，表面芯光纤一端与光源相连，在表面芯光纤的中部通过热熔旋转拉锥形成一段螺旋锥体表面芯光纤，纤芯中的传输光能透射出包层并在包层表面形成倏逝场。

本发明的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置还可以包括：

1、所述的表面芯光纤纤芯中心距包层中心的距离d满足以下关系：0≤d≤(d_clad-d_core)/2，d_clad为包层直径，d_core为纤芯直径。

2、所述的表面芯光纤纤芯为单芯或多芯，多芯数目大于或等于2。

3、所述的表面芯光纤横截面纤芯的形状是圆形、椭圆形、拱形、矩形或多边形的一种。

4、所述的表面芯光纤纤芯中的传输模式的特征是单模或多模。

5、所述的多芯表面芯光纤纤芯几何分布特征是圆形分布、三角形分布、四边形分布或多边形分布的一种。