[发明专利]基于空气缺陷微腔的单光纤光镊

说明书

本发明提供的是基于空气缺陷微腔的单光纤光镊。其特征是：该器件通过空气缺陷微腔2将单芯光纤3的传导模场5调制形成多级发散光束6，再经在锥形纤端4和外部溶液分界面处发生的全内反射后形成强汇聚光束7，最终在光轴上形成多个能够捕获微纳粒子12的汇聚点11，并在锥形纤端4表面形成能够持续输运微粒的倏逝场，从而将微粒输运和多微粒捕获的功能集成于单根光纤之中。此外，还可以通过改变光波长实现汇聚点11位置和数量的调节，达到对微纳粒子12捕获位置或运动状态的动态调控的目的。可用于生物或介质微纳小粒子的光操纵调控，具有集成化、微小化、稳定化等特点，在多势阱光捕获、微粒光拉伸、微粒光震荡等领域拥有广泛的应用前景。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于空气缺陷微腔的单光纤光镊。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运动状态的动态调控，包括但不限于捕获、输运、振荡和弹射等等，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

光纤光镊经过多年的发展已经成为光镊技术中一重要的研究分支，随着人们对光纤光镊研究的深入，不同的光学操纵对象对光纤光镊的操纵性能提出了更高的要求。为了满足各式各样情况下光学微操纵的功能需求，结构型光纤光镊引起了研究人员的注意，并提出了多种的成功案例。例如将多根预加工端面后的光纤封装在石英毛细管中制成的基于光纤的全反射棱镜器件被用于实现非接触式的三维捕获(Nature Photonics,2007,1(12),723-727)。通过调节阶跃折射率光纤和单模光纤排列在石英毛细管玻璃管中形成的空气微腔长度来扩增光学微操纵范围 (Optics Express 2015,23(3),3762-3769)。上述案例着眼于结构型光纤从而改善了光纤光镊的功能表现，但是，并没有提高光纤光镊的集成性，换言之也就是功能单一。为此，有研究者提出利用光纤光镊和微流控技术相结合实现对微粒分选和输运的案例(Optics Communications 2018,427,563-566)，尽管此案例实现了功能性的集合，但是，由于微粒捕获和输运需要通过两种技术相互配合完成，所以此器件的功能流畅性并不理想。目前来看，将多种光学微操纵功能集成于单根光纤仍是一个巨大的挑战。

自1992年S.Kawata和T.Sugiura(Optics Letters,1992,17,772-774)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迅速地发展。Bykov等人(Nature Photonics,2015,9(7):461-465)采用空芯光子晶体光纤的传输光场的辐射压力实现对储存于空芯孔内的微粒的长距离输运。专利 (CN201110047640.4)提出了一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微粒输运器件，但是，由于光纤中的倏逝波从光纤纤芯中到包层所能提供的光学力随着距离光纤纤芯距离越来越小，所以这种器件对粒子捕获能力和运输能力不高。

专利(CN201410309680.5)提出了一种基于渐变折射率多模光纤的光纤光镊及其使用方法，考虑到需要调节渐变折射率多模光纤和单模光纤之间一可调节的空气腔长度，需要调节该空气腔的长度调节该光纤光镊的捕获距离，而本发明所提出的基于空气缺陷的单光纤光镊可以利用可调谐激光器1即可实现对应的功能，不仅如此本发明的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊还将微粒输运和微粒运动状态调控的功能集成于单根光纤之内，提高了单光纤光镊功能集成性的同时，为更多的微粒光学操纵提供了可能。

利用光纤对粒子实现三维捕获操作，其光纤纤端需要经过特殊的加工，具体的加工方法有熔融拉锥法和特制研磨机研磨法以及其他多种方法(Journal of Li ghtwaveTechnology 2015,33(16),3394-3405)。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。