光纖光鑷技術

　　摘要光纖光鑷利用光纖端面產生的光場對微小粒子進行俘獲，俘獲效果與光場密切相關。比較常見的光纖光鑷主要包括具有多個光纖的光鑷、具有單個光纖的光鑷以及特殊結構的光纖光鑷等。本文綜合介紹上述各種光纖光鑷。

　　關鍵詞：具有多個光纖的光鑷，具有單個光纖的光鑷，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，可對微小粒子進行捕獲，因此得名，也常被稱為光鉗。最早期的是傳統顯微物鏡型光鑷，具有高數值孔徑NA，對擴束、準直后的激光束進行高強度聚焦，產生的光阱力對粒子捕獲，Ashkin.A在1970年首先發現[1]。由于傳統型的光鑷缺陷顯著，如結構復雜、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，因而受到國內國外的研究學者高度關注，并不斷發展、探索和創新。

　　2.多個光纖的光鑷

　　多個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微小粒子(聚苯乙烯球、活性酵母)進行光俘獲[2]。由于干涉現象等產生使得俘獲微粒的穩定點不只一個，很難進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現對生物細胞的俘獲、拉伸、旋轉，實現光鑷操縱的多元化[3-5]。

　　MasahiroIkeda等人在2004年利用三根光纖形成光阱對微粒進行操縱，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運動[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方向上對稱設置，調整光纖準直后可捕獲微粒。利用3dB的分光元件平衡各個光纖的光功率，四個衰減器單獨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型的光鑷減少了體積、成本、結構復雜度，還將觀測光路和操作光路進行分開，通過改變光纖斷面形狀提升光阱力、操作精度、穩定性。雖然多根光纖形成的光鑷發展前景美好，但在實驗中微粒會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，最后只能通過關閉電源來處理。而且，在搭建過程需準直多個光纖，捕獲微粒時需多個激光源、且需準確控制多個光纖的相對位置，不利于集成化、小型化。

　　3.單個光纖的光鑷

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

　　R.S.Taylor等人在2003年制備具有特殊結構光纖進行粒子捕獲，首次制作了單個光纖的光鑷。中空金屬化的光纖光鑷具有環形光分布，通過靜電引力的作用實現玻璃微粒的俘獲[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、強聚焦的單模光纖，采用錐形的單模光纖作為光鑷，利用光勢阱實現對酵母細胞的俘獲[9]。

　　Wu采用錐形雙芯光纖光鑷，實現酵母細胞的俘獲和轉動，可應用于微制造和激光細胞融合等領域[10]。

　　Zhang等人在2012年利用四芯光纖作為機械手，對微粒進行捕獲，同時旋轉扭矩可作用在微粒上，實現微粒的旋轉[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形芯光纖的光鑷等多芯光纖的光鑷對粒子進行捕獲、旋轉等微操作[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，因而科學工作者在此基礎上不斷的進行優化，豐富和擴展非接觸式光纖光鑷。

　　4.特殊的光纖光鑷

　　為了實現光纖光鑷的搭建結構、操縱功能的多樣性，科學工作者開始探究新型的、特殊的光纖光鑷。

　　Domachuk.P等人在2009年通過數值和實驗探究空心光子晶體光纖(HC-PCF)操縱微小粒子的運動[13]。

　　Lee等人在2010年制備具有微透鏡的結構的無芯石英光纖得到貝塞爾光束發生器，在縱向捕獲和傳輸多個介電粒子[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光纖模式對生物粒子的光學操縱，包括選擇性細胞拾取，配對，分組或分離以及細胞的旋轉，在生物測試系統中有巨大的應用潛力[16]。

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　　5.總結

　　隨著人們對微觀領域的不斷探究，微機械技術的不斷發展，光纖光鑷發揮著越來越大的作用，如生物學中對染色體的分選、細胞彈性的測量、血紅細胞的操縱、蛋白的驅動、人工授精等，同時光纖光鑷也不斷的向物理學等方向發展。相信隨著人們對光纖光鑷探知的不斷深入，光纖光鑷將在更多的領域具有更大的發揮空間。

　　參考文獻：

　　[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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