三芯光纖光學微手及其控制方法

2023-05-31 01:04:31

專利名稱:三芯光纖光學微手及其控制方法
技術領域：
本發明屬於光纖技術研究領域。涉及的是一種三芯光纖光學微手。本發明還涉及三芯光纖光學微手光阱力的控制方法。
背景技術：
光學微手屬於一種特殊的光鑷。自從1986年Askin在Opt. Lett. 11，觀8_290上發 ^iJC'M"Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles」把單束雷射引入高數值孔徑物鏡形成了三維光學勢阱，實現了對粒子的三維空間控制，因為此光束可以實現空間對微小粒子的夾持，因此得名「光鑷」。它是利用光強度分布的梯度力和散射力俘獲和操縱微小粒子的工具。光鑷技術發展迅速，成為重要的研究技術手段，並促進了若干交叉領域的快速發展。例如在微小粒子的捕獲和搬運、皮牛級力的測量、微機械與微器件的組裝等領域得到廣泛的應用。特別在生命科學領域，光鑷技術以其非接觸式、無損探測的本質特性顯示了其無與倫比的優勢，對於推動生命科學的發展和微生命體的操縱發揮了巨大的作用。光鑷俘獲的粒子尺度可以從幾納米到幾十微米，可以為剛性顆粒，也可以是軟物質顆粒；可以為無生命的顆粒，也可以是活體細胞或病毒。
由傳統光鑷發展至光纖光鑷技術以來，產生多種光纖光鑷系統，例如=Lyons等人發表「Confinement and bistability in a tapered hemisphericalIy lensed optical fiber trap」 一文，將兩根單模光纖的端面研磨成錐體，在錐體尖端形成一個半球面，使得出射光束具有弱聚焦特性，將這兩根光纖成一定光軸夾角放置，交疊光場形成的光阱可以實現微粒的捕獲和懸浮，該文章發表在Appl. Phys. Lett. 66，1584-1586，1995 ；為了進一步對所捕獲的微小粒子的姿態進行控制，公開號為CN101149449的中國發明專利文件中又給出了一種雙芯光纖光鑷。此後，又陸續公開了公開號為CN101236274的三芯光纖光學微手、 公開號為CN101236275的基於環形多芯光纖的光鑷和公開號為CN101251620的集成於單根光纖的多光鑷等新型光鑷，它們都面臨著如何控制多光束光阱力的問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種既能節約物理空間，又能大幅降低系統輸入光功率、 減小對待捕獲粒子的傷害，對微粒的捕獲更加靈活、準確的三芯光纖光學微手。本發明的目的還在於提供一種可調節性，實用性強的三芯光纖光學微手的控制方法。
本發明的目的是這樣實現的
本發明的三芯光纖光學微手主要包括三芯光纖、光纖光源、普通標準單模光纖、 PZT壓電陶瓷相位調製器；光纖光源與普通標準單模光纖連接，普通標準單模光纖的另一側通過熔融拉椎的方式與三芯光纖耦合連接，該三芯光纖再纏繞在壓電陶瓷相位調製器上，經PZT壓電陶瓷相位調製器之後的三芯光纖的尖端經精細研磨的加工方式加工有錐體尖端。
本發明的三芯光纖光學微手還可以包括[0008]所述的三芯光纖的三個光纖芯彼此距離相同，分布呈正三角形。
所述的三芯光纖的尖端經精細研磨的加工方式加工出的錐體尖端的角度α的範 11 31 /2-arcsin(nliquid/ncore) < α < ji/2。
本發明的三芯光纖光學微手的控制方法為由三芯光纖、光纖光源、普通標準單模光纖、PZT壓電陶瓷相位調製器構成三芯光纖光學微手，光纖光源與普通標準單模光纖連接，普通標準單模光纖的另一側通過熔融拉椎的方式與三芯光纖耦合連接，該三芯光纖再纏繞在壓電陶瓷相位調製器上，經PZT壓電陶瓷相位調製器之後的三芯光纖的尖端再經精細研磨的加工方式加工出錐體尖端，通過PZT壓電陶瓷相位調製器改變三纖芯方向位移來調節輸出光束的相位，進而對三芯光纖出射光場光阱力進行調節。
本發明的三芯光纖光學微手的控制方法還可以包括
所述的利用三芯光纖構建三光束馬赫澤德幹涉儀結構來調節光場分布，即在三芯光纖末端位置進行熔融拉錐操作，三芯光纖在兩個拉錐位置之間構建三光束馬赫澤德幹涉臂結構。
本發明將三個光波導集成於一根光纖中，在節約了物理空間的同時，大幅降低系統輸入光功率，可減小對待捕獲粒子的傷害；三芯光纖光學微手對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調節性，大大提高了光纖光學微手技術的實用性。本發明的優點主要體現在
1.本發明將三芯光纖引入光纖光學微手控制系統，利用一根光纖中的三個光波導纖芯構成三光束馬赫-澤德幹涉儀，在節約物理空間的基礎上還極大的減小了系統的輸入光功率，降低對微粒的傷害；
2.本發明將承載三光束馬赫-增德幹涉儀的三芯光纖纏繞在PZT上，簡單、有效的控制三出射光場光阱力的分布，實現光阱力的人為主觀控制。


圖1三芯光纖光學微手系統結構示意圖。
圖2單芯光纖-三芯光纖耦合連接示意圖。
圖3 (a)圖4三芯光纖研磨錐體結構示意圖。
圖5三芯光纖光學微手光路系統結構示意圖。
圖6(a)_(b)研磨錐角不同的三芯光纖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述
圖1三芯光纖光學微手系統結構示意圖。圖中，1為三芯光纖，2為三芯光纖纖芯， 3為系統注入光源，4為普通標準單模光纖，5為單芯光纖與三芯光纖耦合連接焊點，6為調製用壓電陶瓷，7為三芯光纖熔融拉錐焊點，8為研磨加工製備的錐體三芯光纖錐尖。
圖2單芯光纖-三芯光纖耦合連接示意圖。圖中，標準單模光纖4與三芯光纖外徑相同，均為125 μ m，在拉錐機上對準固定之後，進行熱熔融拉錐操作，過程中監控三纖芯出射光場光功率，直到三芯中光功率分布均勻且最大時拉錐操作結束。
圖3(a)_(b)三芯光纖熔融拉錐示意圖。圖中，將纏繞經過壓電陶瓷6的三芯光纖1在位置7處進行熱熔融拉錐操作，過程中監控三纖芯出射光場光功率，直到三芯中光功率分布均勻且最大時拉錐操作結束。
圖4三芯光纖研磨錐體結構示意圖。圖中，α為研磨光纖的空間錐角，8為光纖研磨的錐體結構。
圖5三芯光纖光學微手光路系統結構示意圖。圖中，通過調節壓電陶瓷ΡΖΤ6可以調節三芯光纖三纖芯中傳輸光束的相位，構成空間三光束馬赫澤德幹涉儀結構，可以實現對三芯光纖光學微手出射光場分布的控制與調節。
圖6研磨錐角不同的三芯光纖(圖6(a)實施例一，圖6 (b)右實施例二)。圖中，α 2為實施例二中製備的錐體光纖的錐角，此錐角小於實施例一中錐體光纖的錐角，因此可見實施例二中三芯光纖出射光場分離，可以實現對微觀粒子的篩選等操作。8-1為研磨的錐體結構。
實施例一
結合圖1，本發明的光學微手包括，前端經研磨加工後形成椎體的三芯光纖，用於構成三光束馬赫-澤德幹涉儀的三芯光纖和用於光源引入的普通標準單芯光纖。其中1為具有三芯結構的光纖，用於構造光纖光學微手及構建三光束馬赫澤德幹涉儀；2為處於正三角形分布狀態的光纖芯；3為光纖光學微手作業系統注入光源，4為與三芯光纖耦合連接的單芯光纖；5單模光纖4和三芯光纖1耦合連接位置，6是用於調節三光束馬赫澤德幹涉儀幹涉相位的PZT壓電陶瓷；7為三芯光纖熔融拉錐位置，8是經研磨加工得到的椎體光纖前端。所述的錐體的半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nii(luid/n。。J < α < π/2的範圍內。
本實施方式的光學微手的製作過程
步驟1，光源注入結合圖2，將三芯光纖1的一端進行塗敷層祛除、切割，然後與普通單芯光纖4 (普通單芯光纖4的另一端與光源3連接)進行熔融拉錐耦合連接，並進行光功率監測，直到耦合到具有三芯光纖的光功率達到最大時為止，其中2為三芯光纖纖芯；
步驟2，纏繞光纖結合圖1，為了構建三光束馬赫澤德幹涉儀並對三芯心中傳輸的光束進行相位調製，將導入光源的三芯光纖1纏繞在壓電陶瓷設備6上，通過調節驅動電路改變三纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現此光纖光學微手中三光束的功率分配與調整，最終達到控制三芯光纖光學微手的光阱力分配的目的；
步驟3，耦合連接結合圖1，為了實現三光束馬赫澤德幹涉儀結構，須將纏繞過壓電陶瓷6的三芯光纖1在位置7處進行熔融拉錐，同時，結合圖3-1和3-2，在位置7處將三芯光纖1進行加熱至軟化狀態，然後進行拉錐，並進行光功率監測，直到耦合到具有三芯光纖的光功率達到最大時為止；
步驟4，錐體研磨結合圖4，將前序操作後的三芯光纖1的另一端進行精細研磨， 成圓錐體形狀8，為了保證出射光經過圓錐面折射後能夠形成相互交叉的組合光束，半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nli(luid/n。。J < α < π/2的範圍內。對於纖芯折射率η。_ = 1. 4868，包層折射率n。ladding = 1. 4571，和光纖光鑷所處的液體折射率nwatCT = 1. 333的情況下，該半錐角的範圍應控制在26. 3° -90°之間。
步驟5，錐體拋光將上述研磨好的光纖錐體進行拋光，在顯微鏡下經過檢測合格後，放在超聲清洗槽中清洗、烘乾備用；
步驟6，加載調製結合圖5，將整個系統連接完畢之後，調節壓電陶瓷6的驅動電路改變三纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現此光纖光學微手中三光束的功率分配與調整，最終達到控制三芯光纖光學微手的光阱力分配的目的。
實施例二
此三芯光纖光學微手的前端研磨的角度不同，實現的功能也不相同。例如，可以將研磨的角度減小，在實現捕獲、定位微粒的同時，使出射光場分離，可以實現篩選粒子的目的。本實施方式的光學微手的製作過程
步驟1，光源注入結合圖2，將三芯光纖1的一端進行塗敷層祛除、切割，然後與普通單芯光纖4 (普通單芯光纖4的另一端與光源3連接)進行熔融拉錐耦合連接，並進行光功率監測，直到耦合到具有三芯光纖的光功率達到最大時為止，其中2為三芯光纖纖芯；
步驟2，纏繞光纖結合圖1，為了構建三光束馬赫澤德幹涉儀並對三芯心中傳輸的光束進行相位調製，將導入光源的三芯光纖1纏繞在壓電陶瓷設備6上，通過調節驅動電路改變三纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現此光纖光學微手中三光束的功率分配與調整，最終達到控制三芯光纖光學微手的光阱力分配的目的；
步驟3，耦合連接結合圖1，為了實現三光束馬赫澤德幹涉儀結構，須將纏繞過壓電陶瓷6的三芯光纖1在位置7處進行熔融拉錐，同時，結合圖3-1和3-2，在位置7處將三芯光纖1進行加熱至軟化狀態，然後進行拉錐，並進行光功率監測，直到耦合到具有三芯光纖的光功率達到最大時為止；
步驟4，錐體研磨結合圖6，將前序操作後的三芯光纖1的另一端進行精細研磨， 成圓錐體形狀8-1，為了保證出射光經過圓錐面折射後能夠形成相互交叉的組合光束，半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nli(luid/n。。J < α < π/2的範圍內，但與實施例一不同的是此研磨半錐角要小一些，實現出射光場分離。對於纖芯折射率n。 e = 1. 4868，包層折射率n。ladding =1.4571，和光纖光鑷所處的液體折射率11_ = 1.333的情況下，該半錐角的範圍應控制在 26. 3° -90° 之間。
步驟5，錐體拋光將上述研磨好的光纖錐體進行拋光，在顯微鏡下經過檢測合格後，放在超聲清洗槽中清洗、烘乾備用；
步驟6，加載調製結合圖5，將整個系統連接完畢之後，調節壓電陶瓷6的驅動電路改變三纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現此光纖光學微手中三光束的功率分配與調整，最終達到控制三芯光纖光學微手的光阱力分配的目的。
權利要求
1.一種三芯光纖光學微手，主要包括三芯光纖、光纖光源、普通標準單模光纖、PZT壓電陶瓷相位調製器，其特徵是光纖光源與普通標準單模光纖的一端連接，普通標準單模光纖的另一端通過熔融拉椎的方式與三芯光纖耦合連接，該三芯光纖再纏繞在壓電陶瓷相位調製器上，經PZT壓電陶瓷相位調製器之後的三芯光纖的尖端經精細研磨的加工方式加工有錐體尖端。
2.根據權利要求
1所述的三芯光纖光學微手，其特徵是所述的三芯光纖的三個光纖芯彼此距離相同，分布呈正三角形。
3.—種三芯光纖光學微手的控制方法，其特徵是由三芯光纖、光纖光源、普通標準單模光纖、PZT壓電陶瓷相位調製器構成三芯光纖光學微手，光纖光源與普通標準單模光纖的一端連接，普通標準單模光纖的另一端通過熔融拉椎的方式與三芯光纖耦合連接，該三芯光纖再纏繞在壓電陶瓷相位調製器上，經PZT壓電陶瓷相位調製器之後的三芯光纖的尖端再經精細研磨的加工方式加工出錐體尖端，通過PZT壓電陶瓷相位調製器改變三纖芯徑向位移來調節輸出光束的相位，進而對三芯光纖出射光場光阱力進行調節。
4.根據權利要求
3所述的三芯光纖光學微手的控制方法，其特徵是所述的利用三芯光纖構建三光束馬赫-曾德幹涉儀結構來調節光場分布，即在三芯光纖末端位置進行熔融拉錐操作，三芯光纖在兩個拉錐位置之間構建三光束馬赫-曾德幹涉臂結構。
專利摘要
本發明提供的是三芯光纖光學微手及其控制方法。由三芯光纖、光纖光源、單模光纖、壓電陶瓷相位調製器構成三芯光纖光學微手，光纖光源與單模光纖連接，單模光纖的另一側通過熔融拉椎的方式與三芯光纖耦合連接，該三芯光纖再纏繞在壓電陶瓷相位調製器上，經壓電陶瓷相位調製器之後的三芯光纖的尖端再經精細研磨的加工方式加工出錐體尖端，通過壓電陶瓷相位調製器改變三纖芯方向位移來調節輸出光束的相位，進而對三芯光纖出射光場光阱力進行調節。本發明將三個光波導集成於一根光纖中，在節約物理空間的同時，大幅降低系統輸入光功率，減小對待捕獲粒子的傷害；對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調節性，大大提高了光纖光學微手技術的實用性。
文檔編號G02B6/255GKCN101893737SQ201010197496
公開日2012年2月1日 申請日期2010年6月11日
發明者劉志海, 張羽, 楊軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (9), 非專利引用 (2),