光纖光鑷技術(shù)

　　摘要光纖光鑷?yán)�用光纖端面產(chǎn)生的光場(chǎng)對(duì)微小粒子進(jìn)行俘獲，俘獲效果與光場(chǎng)密切相關(guān)。比較常見的光纖光鑷主要包括具有多個(gè)光纖的光鑷、具有單個(gè)光纖的光鑷以及特殊結(jié)構(gòu)的光纖光鑷等。本文綜合介紹上述各種光纖光鑷。

　　關(guān)鍵詞：具有多個(gè)光纖的光鑷，具有單個(gè)光纖的光鑷，特殊的光纖光鑷，光阱力

　　引言

　　光鑷因與人們生活中使用的鑷子或者鉗子的功能類似，可對(duì)微小粒子進(jìn)行捕獲，因此得名，也常被稱為光鉗。最早期的是傳統(tǒng)顯微物鏡型光鑷，具有高數(shù)值孔徑NA，對(duì)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后的激光束進(jìn)行高強(qiáng)度聚焦，產(chǎn)生的光阱力對(duì)粒子捕獲，Ashkin.A在1970年首先發(fā)現(xiàn)[1]。由于傳統(tǒng)型的光鑷缺陷顯著，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大等，而光纖光鑷搭建便利、操縱靈巧，采用高強(qiáng)度的激光光源可獲得更大的光梯度力或光阱力，因而受到國(guó)內(nèi)國(guó)外的研究學(xué)者高度關(guān)注，并不斷發(fā)展、探索和創(chuàng)新。

　　2.多個(gè)光纖的光鑷

　　多個(gè)光纖的光鑷最先使用兩根帶光纖尾纖的紅外二極管激光器形成光鑷。Constable.A等人在1993年用兩根單模光纖對(duì)微小粒子(聚苯乙烯球、活性酵母)進(jìn)行光俘獲[2]。由于干涉現(xiàn)象等產(chǎn)生使得俘獲微粒的穩(wěn)定點(diǎn)不只一個(gè)，很難進(jìn)行高精度的俘獲微操作。

　　Guck、Bellini、Kreysing等人先后采用兩根光纖形成的光鑷實(shí)現(xiàn)對(duì)生物細(xì)胞的俘獲、拉伸、旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光鑷操縱的多元化[3-5]。

　　MasahiroIkeda等人在2004年利用三根光纖形成光阱對(duì)微粒進(jìn)行操縱，三根光纖的斷面為半球形，通過控制三根光纖的光出射功率來控制微小粒子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[6]。

　　Zhang采用四根單模光纖形成光鑷,四根單模光纖在相互垂直的兩個(gè)方向上對(duì)稱設(shè)置，調(diào)整光纖準(zhǔn)直后可捕獲微粒。利用3dB的分光元件平衡各個(gè)光纖的光功率，四個(gè)衰減器單獨(dú)控制各路光纖的出射功率[7]。

　　多根光纖形成的光鑷相比于傳統(tǒng)型的光鑷減少了體積、成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，還將觀測(cè)光路和操作光路進(jìn)行分開，通過改變光纖斷面形狀提升光阱力、操作精度、穩(wěn)定性。雖然多根光纖形成的光鑷發(fā)展前景美好，但在實(shí)驗(yàn)中微粒會(huì)從三維梯度力的光阱中心位置跑出來并且附著在某光纖端面，很難取下，最后只能通過關(guān)閉電源來處理。而且，在搭建過程需準(zhǔn)直多個(gè)光纖，捕獲微粒時(shí)需多個(gè)激光源、且需準(zhǔn)確控制多個(gè)光纖的相對(duì)位置，不利于集成化、小型化。

　　3.單個(gè)光纖的光鑷

　　為了克服多根光纖形成的光鑷固有缺點(diǎn)，提高操作的靈活性，研究方向轉(zhuǎn)向了使用一根光纖對(duì)微粒進(jìn)行捕獲。

　　R.S.Taylor等人在2003年制備具有特殊結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行粒子捕獲，首次制作了單個(gè)光纖的光鑷。中空金屬化的光纖光鑷具有環(huán)形光分布，通過靜電引力的作用實(shí)現(xiàn)玻璃微粒的俘獲[8]。

　　Liu等人在2006年使用光纖熔融拉錐法，通過加熱和拉伸了制造端面具有拋物線形狀、強(qiáng)聚焦的單模光纖，采用錐形的單模光纖作為光鑷，利用光勢(shì)阱實(shí)現(xiàn)對(duì)酵母細(xì)胞的俘獲[9]。

　　Wu采用錐形雙芯光纖光鑷，實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞的俘獲和轉(zhuǎn)動(dòng)，可應(yīng)用于微制造和激光細(xì)胞融合等領(lǐng)域[10]。

　　Zhang等人在2012年利用四芯光纖作為機(jī)械手，對(duì)微粒進(jìn)行捕獲，同時(shí)旋轉(zhuǎn)扭矩可作用在微粒上，實(shí)現(xiàn)微粒的旋轉(zhuǎn)[11]。

　　Zhang等人分別利用雙芯光纖的光鑷、三芯光纖的光鑷、四芯光纖的光鑷以及環(huán)形芯光纖的光鑷等多芯光纖的光鑷對(duì)粒子進(jìn)行捕獲、旋轉(zhuǎn)等微操作[12]。

　　普通的單光纖光鑷雖操作方便、成本低，但捕獲方式多為接觸式捕獲，因而科學(xué)工作者在此基礎(chǔ)上不斷的進(jìn)行優(yōu)化，豐富和擴(kuò)展非接觸式光纖光鑷。

　　4.特殊的光纖光鑷

　　為了實(shí)現(xiàn)光纖光鑷的搭建結(jié)構(gòu)、操縱功能的多樣性，科學(xué)工作者開始探究新型的、特殊的光纖光鑷。

　　Domachuk.P等人在2009年通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)探究空心光子晶體光纖(HC-PCF)操縱微小粒子的運(yùn)動(dòng)[13]。

　　Lee等人在2010年制備具有微透鏡的結(jié)構(gòu)的無芯石英光纖得到貝塞爾光束發(fā)生器，在縱向捕獲和傳輸多個(gè)介電粒子[14]。

　　李寶軍在2011年提出通過使用錐形直徑為3.1µm的光纖，利用光熱效應(yīng)在水中大量捕獲和遷移SiO2介電顆粒[15]。

　　Chen在2014年提出了基于低階LP21光纖模式對(duì)生物粒子的光學(xué)操縱，包括選擇性細(xì)胞拾取，配對(duì)，分組或分離以及細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)，在生物測(cè)試系統(tǒng)中有巨大的應(yīng)用潛力[16]。

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　　5.總結(jié)

　　隨著人們對(duì)微觀領(lǐng)域的不斷探究，微機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖光鑷發(fā)揮著越來越大的作用，如生物學(xué)中對(duì)染色體的分選、細(xì)胞彈性的測(cè)量、血紅細(xì)胞的操縱、蛋白的驅(qū)動(dòng)、人工授精等，同時(shí)光纖光鑷也不斷的向物理學(xué)等方向發(fā)展。相信隨著人們對(duì)光纖光鑷探知的不斷深入，光纖光鑷將在更多的領(lǐng)域具有更大的發(fā)揮空間。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]AshkinA.Accelerationandtrappingofparticlesbyradiationpressure[J].Phys.Rev.Lett.,1970,24(4):156-159P

　　[2]ConstableA,KimJ,MervisJ,etal.Demonstrationofafiber-opticallight-forcetrap[J].OpticsLetters,1993,18(21):1867-1869.

　　[3]GuckJ,AnanthakrishnanR,MahmoodH,etal.Theopticalstretcher:anovellasertooltomicromanipulatecells[J].BiophysicalJournal,2001,81(2):767-784.

　　[4]BelliniN,VishnubhatlaKC,BragheriF,etal.Femtosecondlaserfabricatedmonolithicchipforopticaltrappingandstretchingofsinglecells[J].OpticsExpress,2010,18(5):4679-4688.

　　[5]KreysingMK,KießlingT,FritschA,etal.Theopticalcellrotator[J].OpticsExpress,2008,16(21):16984-16992.

　　作者：高迎春

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