[发明专利]基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器

说明书

本发明提供的是基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器。其特征是：它由波长可调激光器(1)、单芯光纤(2)、无芯光纤(3)以及毛细管光纤(4)组成。本发明设计了独特的结构，将单芯光纤、无芯光纤和毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，利用无芯光纤对光束的发散作用以及毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割。由于光束的发散，在管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成多个强汇聚点，从而捕获多个微纳粒子。又利用波长改变时多个汇聚点的位置会进行轴向移动的特点，最终实现对多个微纳粒子的储存、振荡和和输运的功能。本发明可以用于生物细胞、纳米团簇、介质颗粒等的筛选、捕获和定向弹射等等。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于单光纤集成式的微纳粒子操纵器件。主要用于生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小粒子的筛选、捕获、检测、振荡和弹射等等，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

传统光镊通常是基于光学显微镜系统构建的，它通过显微物镜将激光束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，对微小粒子进行捕获和操纵。传统光镊技术成熟，但其结构复杂且缺乏柔性，体积庞大，价格昂贵，并且光阱移动系统复杂，操作技能要求高。为此，提出了光波导光镊技术方案，借助于在同一块材料基体上的多个波导通道来实现微小粒子的捕获[中国发明专利CN1740831A]，鉴于该光波导光镊端具有体积较大，制备难度大的不足，人们进一步发展了光纤光镊技术[Optics Letters,1993,18(21):1867-9，andOptics Express,2006,14(25):12510-6]。光纤光镊结构简单，可以制成微型探针形式，光阱及其操纵与光学显微系统分离，因此光阱操纵灵活，系统自由度大。

光纤连接技术是光纤应用领域最基本的一项专门技术。光纤的连接是指把两根光纤端面结合在一起。对连接的基本要求是使光能量最大限度的从输入光纤中耦合过渡到接收光纤中。对光纤连接技术除了要求连接损耗小，回波损耗大外，还要求环境温度变化时性能保持稳定，并有足够的机械强度。因此需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端达到高精度匹配。

利用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]和特制研磨机研磨法。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。

公开号为CN1963583A的发明专利将一段光纤的一端熔融拉制成具有抛物线形微结构的光纤针。将激光耦合到光纤的另一端中，激光从光纤针出射后在光纤针前端形成的小于1微米腰斑直径的汇聚光场，能够形成稳定的三维光势阱，从而实现单光纤光镊；公开号为CN101118300的中国发明专利给出了一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法。它是采用小芯径超高数值孔径光纤加工而成的，其光纤端被研磨成锥体形状。由于该光纤尖端的大数值孔径而形成的发散光场可形成较大的光场梯度力势阱，因而可以克服粒子的自重，实现对微小粒子的单光纤三维俘获；为了进一步对所捕获的微小粒子的姿态进行控制，公开号为CN101149449的中国发明专利文件中又给出了一种双芯光纤光镊；公开号为CN101339274A的发明专利给出了一种环形芯层的中空毛细管光纤光镊，空气孔中连接气压调整装置，可以实现对微小粒子的储存与操纵。

为了拓展光纤器件的结构和功能，本发明对光纤结构进行了独特的设计，利用无芯光纤对光束的发散作用以及毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割，在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强聚焦光束，从而同时捕获多个微纳粒子。又利用波长调控多个捕获点的位置，最终实现对微纳粒子的储存、振荡和弹射功能。本发明的设计不仅使光纤光镊器件更加微型化和集成化，而且对制作毛细管光纤光镊器件，进而捕获和操纵微纳粒子提供了一种全新的思路。

(三)发明内容