[发明专利]一种捕获位置横向可调的单光纤光镊

说明书

技术领域

本发明属于光纤技术研究领域，特别涉及一种捕获位置横向可调的单光纤光镊。 

背景技术

光镊作为一种研究微观世界科学现象的工具，由美国贝尔实验室的Ashkin及其同事于1986年首次提出[Optics Letters,18(5):288-290,1986]。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。加之生物微粒本身对光具有良好的穿透性，使得光镊技术特别适用于生物微粒的活体或在体操作。同时，光镊可以在对微粒进行操作的过程中对微粒间的微小相互作用力进行实时检测，因而光镊又是粒子间相互作用过程中微小力的探针。这些特征使得光镊不仅是操控微小粒子的机械手，同时又是研究微小粒子静态和动态力学特性的理想工具。除此之外，光镊还可以应用在粒子筛选，显微加工等领域。同时，光镊还可以通过标定后用于测量微观粒子系统产生的微小力或位移。对光镊技术进行分析与研究，可将其应用于微流控制，胶体、流体力学和非平衡热动力学等研究领域。对光镊技术进行分析与研究，更重要的是，可以发展生物分子操作的工具，有利于促进生物化学、生物物理学领域等需要单独操纵或研究单一分子的研究领域的大力发展。 

随着光纤的诞生及光纤技术的大力发展，光纤光镊逐渐得到光镊技术研究者的关注。最初发展的光纤光镊多为由多根光纤组成的多光纤光镊系统[Optics Communication,194(1-3):67-73,2001]，但由于其需要多个高精度电动微操控制多根光纤以实现微小粒子的捕获，使得光镊系统价格造价昂贵，因此逐渐被单光纤光镊系统[Optics Letters,18(21):1867-1869,1993]所取代。利用单根光纤对粒子实现三维捕获操作，其光纤尖端需要经过特殊的加工，具体的加工方法有熔融拉锥法[Optics Express,14(25):12510-12516,2006]和化学腐蚀法[Ultramicroscopy,61:165-170,1995]。不同加工方法的共同目的是能够构建合适的光纤锥形端以实现大梯度光学捕获场的构建。但是单光纤光镊也存在自身的缺点，即单光纤光镊只能空间捕获或定位一个微小粒子，难于实现捕获位置调整、捕获微粒旋转等更进一步的操作。 

尽管有研究者提出系列报道[中国专利CN102147500A，CN101950049A，CN101907742A，CN101893736A，CN101881858A]，提出基于多芯光纤的单光镊技术，但这些单光纤光镊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，但由于多芯光纤复杂的纤芯结构，使光源注入与多个纤芯之间的光功率分配控制十分困难。此外，报道中提出的多芯光纤拉制成本较高，不易购买。因此采用普通通信用单芯光纤更利于单光纤光镊技术的推广。2013年研究者提出一种基于模式复用技术的单光纤光镊[Optics Letters,38(14): 2617–2620,2013]，该光纤光镊可实现微小粒子捕获功能的同时还能使其在光纤主轴方向进行微小的可控移动，这对基于标准通信用光纤的单光纤光镊而言是其功能上的新突破。轴向位置可调实现后，自然会想到制备出横向位移同样可调的单光纤光镊，但鉴于光纤自身轴对称的特性，光束经光纤端汇聚后光场分布仍然关于光纤主轴对称，因此在捕获位置附近横向移动始终难于实现。基于此，本专利提出一种具有倾斜光纤尖的单光纤光镊，在捕获粒子的同时还能实现其在捕获位置附近横向可控移动。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种节约了物理空间的同时，实现了单光纤光镊的捕获位置横向可调的基于倾斜光纤尖探针的捕获位置横向可调的单光纤光镊。 

本发明的目的是这样实现的： 

捕获位置横向可调节的单光纤光镊，包括普通通信用标准单模光纤2，光纤光源3和模式旋转装置4，光纤光源3的尾纤31与单模光纤2错位连接，在单模光纤2的纤芯21中激发出LP₁₁模光束22，单模光纤2的另一端与模式旋转装置4连接后，末端制备成倾斜圆锥结构尖端2’，倾斜空间锥角为α，由模式旋转装置4旋转LP₁₁模光束22剖面光斑的分布方向，使通过倾斜圆锥光纤尖2’汇聚的LP₁₁模光束22形成的出射光场随之旋转。 

普通通信用标准单模光纤2，光纤传输单模截止波长为1310nm。 

光纤光源3的输出光波长为980nm。 

光纤光源3的尾纤31与单模光纤2之间错位连接,错位偏移量为1～2μm。