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科研创新
YOEC定制光纤在光纤光镊中的应用
2022-04-08 2820次
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一、光镊以及光纤光镊概述

光镊,即单光束梯度力光阱,是利用光的动量的改变来实现微粒的捕获与操纵的工具。自1986年A.Ashkin首次实现一束强聚焦激光稳定俘获生物粒子至今,光镊技术的发明已历经20余年,并在物理、化学、材料等领域得到了广泛的应用。光镊无接触、无损伤、可以测量皮牛量级力的特点更是使其成为生命科学青睐的理想工具。作为微操作、微测量的重要工具,光镊在得到广泛应用的同时,技术本身也在不断发展,各种光镊设备相继出现,如干涉光镊、扫描光镊、全息光镊、电子光镊、光纤光镊等。

一般光镊设备都是基于显微镜搭建,即利用大数值孔径显微物镜形成强会聚光束,光阱光源通过附加光学配件耦合到显微镜光学系统中;操纵微粒时,光阱俘获样品不动,通过载物平台的运动带动样品池运动,从而达到相对运动的目的。这样实现的缺点在于,设备体积大、自由度较低,因而使得光镊在灵活使用的角度受到限制。

光纤轻便、低廉、灵活,并已作为信息传递的媒介广泛应用于光通信领域;光纤亦可以传输激光,光纤传输激光在短程内损耗很低,出射的激光光场仍然呈现一定特性分布。1993年,A.Constable利用双光纤发出的半导体激光实现了光阱中微粒的束缚,人们开始注意到利用光纤实现光学势阱的独特之处。将光纤引入光镊系统代替显微物镜形成会聚光束,同时捕获并牵引微粒运动代替样品池的运动,大大提高了操作的自由度与灵活度。普通单模光纤芯径约10微米,与很多生物细胞和大分子的尺度相当,使得光纤光镊仍然可以广泛应用于生命科学领域;同时,单模光纤本身的限模作用,也使获得某一特定模式的出射光成为可能。作为传统光镊的一个有益补充,光纤光镊技术的研究和应用正越来越受到人们的关注。

二、光纤光镊工作原理及优势

光纤光镊是指用光纤代替显微物镜形成会聚光束,用光纤头出射具有高度光强梯度分布的光束来捕获粒子的光镊。

与传统的光镊不同,光纤光镊不需要扩束镜对激光束扩束,也不需要显微物镜对激光束聚焦,捕获系统的光路与光学成像光路相互独立,且结构比较简单,光纤头通过机械装置控制,可以插入样品溶液中对粒子进行近距离的操纵,适合用于生物活体组织、浑浊溶液等传光性不好的环境中。缺点是操作时光纤头需要浸入样品溶液,会对样品造成污染,而且会影响光纤头的使用寿命。另外光纤头通过机械装置控制,不能通过空间光调制器或者光束转折器来控制光阱运动进行灵活操控。

    光纤光镊端口的两种结构,如下图1所示。

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1 光纤光镊端口的两种形状:(a)平端面;(b)锥形自透镜端面

 

平端面光纤光镊的光纤头端面是与光纤垂直的平面,Constable等人利用这种平端面光纤光镊首次成功地捕获了尺寸在 0.1-10μm 范围内的聚苯乙烯小球和酵母菌细胞。对于尺寸小于 1μm 的粒子,其横向捕获能力比传统的光镊系统提高3-5个数量级,但是轴向捕获能力比较弱,捕获时需要使用两根光纤相对照射。锥形自透镜端面光纤光镊的光纤头端面经过精细打磨,形成逐渐变细的半球状或锥形,从该端面出射的激光束有一定的聚焦效果,改善了平端面光纤光镊轴向捕获力较差的问题。

Taguchi等人利用单根圆锥形头的单模光纤成功地捕获聚苯乙烯小球和酵母菌细胞。Masahiro等人利用三根锥形的光纤头实现了对杆形物体的旋转。通过改变三个光纤头不同的输出功率,可以任意控制杆形物体的旋转方向和旋转速度,如下图2所示。

image.png 

2 三根锥形光纤光镊对感性物体的旋转

 

三、YOEC定制光纤在光纤光镊中的应用实例

3是YOEC三芯单模光纤的端面实物照片,图4是利用锥形的三芯光纤捕获酵母细胞的示意图。

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    3 YOEC定制的三芯光纤实物图           图4锥形三芯光纤捕获酵母细胞示意图

 

四、YOEC多芯和定制光纤在光纤光镊应用中的优势

    1. 可以根据客户需要定制任意多芯及任意排列方式的光纤亚洲bet356体育在线官网;

2.可以根据客户系统应用的光源波长定制任意折射率的纤芯;

3.纤芯和光纤的包层等几何尺寸可根据客户的要求灵活调整;

4.可根据客户的应用需求提供不同种类性能的光纤内、外涂层材料,具有尺寸丰富的各种拉丝磨具,可满足客户各种涂层直径的实际需求;

5.YOEC玻璃冷热加工设备实施齐全,具有MCVD和FCVD两种芯棒制备工艺,和功能齐全的特种光纤拉丝塔及配套装置,大大的拓展了定制光纤的种类;

6.YOEC储备有国内外不同厂家、型号规格齐全的各类石英管材可供亚洲bet356体育在线官网设计和生产使用,大大的提高了设计的灵活性和缩短了亚洲bet356体育在线官网的交货期;

7.定制亚洲bet356体育在线官网完善的过程信息记录和稳定的制造工艺保证了批次内和批次间亚洲bet356体育在线官网的重复稳定性。

 

五、总结

随着光镊、光纤光镊技术的发展和应用面的不断深入拓展,目前,国际市场上已有公司推出成熟光镊系统亚洲bet356体育在线官网;越来越多的国内学者开始慢慢了解、投身这一领域。但是不管是发展较为成熟的国外市场还是刚刚起步的国内市场,光镊亚洲bet356体育在线官网的商业推广都还存在一些问题。bet356体育在线亚洲版下载光电技术有限公司有能力有意愿展开和各高校、研究所、公司的广泛合作,为扩展光纤在光纤光镊行业的广泛应用提供配套和支持。


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