光纤光镊技术

　　摘要光纤光镊利用光纤端面产生的光场对微小粒子进行俘获，俘获效果与光场密切相关。比较常见的光纤光镊主要包括具有多个光纤的光镊、具有单个光纤的光镊以及特殊结构的光纤光镊等。本文综合介绍上述各种光纤光镊。

　　关键词：具有多个光纤的光镊，具有单个光纤的光镊，特殊的光纤光镊，光阱力

　　引言

　　光镊因与人们生活中使用的镊子或者钳子的功能类似，可对微小粒子进行捕获，因此得名，也常被称为光钳。最早期的是传统显微物镜型光镊，具有高数值孔径NA，对扩束、准直后的激光束进行高强度聚焦，产生的光阱力对粒子捕获，Ashkin.A在1970年首先发现[1]。由于传统型的光镊缺陷显著，如结构复杂、成本高、体积大等，而光纤光镊搭建便利、操纵灵巧，采用高强度的激光光源可获得更大的光梯度力或光阱力，因而受到国内国外的研究学者高度关注，并不断发展、探索和创新。

　　2.多个光纤的光镊

　　多个光纤的光镊最先使用两根带光纤尾纤的红外二极管激光器形成光镊。Constable.A等人在1993年用两根单模光纤对微小粒子(聚苯乙烯球、活性酵母)进行光俘获[2]。由于干涉现象等产生使得俘获微粒的稳定点不只一个，很难进行高精度的俘获微操作。

　　Guck、Bellini、Kreysing等人先后采用两根光纤形成的光镊实现对生物细胞的俘获、拉伸、旋转，实现光镊操纵的多元化[3-5]。

　　MasahiroIkeda等人在2004年利用三根光纤形成光阱对微粒进行操纵，三根光纤的断面为半球形，通过控制三根光纤的光出射功率来控制微小粒子的旋转运动[6]。

　　Zhang采用四根单模光纤形成光镊,四根单模光纤在相互垂直的两个方向上对称设置，调整光纤准直后可捕获微粒。利用3dB的分光元件平衡各个光纤的光功率，四个衰减器单独控制各路光纤的出射功率[7]。

　　多根光纤形成的光镊相比于传统型的光镊减少了体积、成本、结构复杂度，还将观测光路和操作光路进行分开，通过改变光纤断面形状提升光阱力、操作精度、稳定性。虽然多根光纤形成的光镊发展前景美好，但在实验中微粒会从三维梯度力的光阱中心位置跑出来并且附着在某光纤端面，很难取下，最后只能通过关闭电源来处理。而且，在搭建过程需准直多个光纤，捕获微粒时需多个激光源、且需准确控制多个光纤的相对位置，不利于集成化、小型化。

　　3.单个光纤的光镊

　　为了克服多根光纤形成的光镊固有缺点，提高操作的灵活性，研究方向转向了使用一根光纤对微粒进行捕获。

　　R.S.Taylor等人在2003年制备具有特殊结构光纤进行粒子捕获，首次制作了单个光纤的光镊。中空金属化的光纤光镊具有环形光分布，通过静电引力的作用实现玻璃微粒的俘获[8]。

　　Liu等人在2006年使用光纤熔融拉锥法，通过加热和拉伸了制造端面具有抛物线形状、强聚焦的单模光纤，采用锥形的单模光纤作为光镊，利用光势阱实现对酵母细胞的俘获[9]。

　　Wu采用锥形双芯光纤光镊，实现酵母细胞的俘获和转动，可应用于微制造和激光细胞融合等领域[10]。

　　Zhang等人在2012年利用四芯光纤作为机械手，对微粒进行捕获，同时旋转扭矩可作用在微粒上，实现微粒的旋转[11]。

　　Zhang等人分别利用双芯光纤的光镊、三芯光纤的光镊、四芯光纤的光镊以及环形芯光纤的光镊等多芯光纤的光镊对粒子进行捕获、旋转等微操作[12]。

　　普通的单光纤光镊虽操作方便、成本低，但捕获方式多为接触式捕获，因而科学工作者在此基础上不断的进行优化，丰富和扩展非接触式光纤光镊。

　　4.特殊的光纤光镊

　　为了实现光纤光镊的搭建结构、操纵功能的多样性，科学工作者开始探究新型的、特殊的光纤光镊。

　　Domachuk.P等人在2009年通过数值和实验探究空心光子晶体光纤(HC-PCF)操纵微小粒子的运动[13]。

　　Lee等人在2010年制备具有微透镜的结构的无芯石英光纤得到贝塞尔光束发生器，在纵向捕获和传输多个介电粒子[14]。

　　李宝军在2011年提出通过使用锥形直径为3.1µm的光纤，利用光热效应在水中大量捕获和迁移SiO2介电颗粒[15]。

　　Chen在2014年提出了基于低阶LP21光纤模式对生物粒子的光学操纵，包括选择性细胞拾取，配对，分组或分离以及细胞的旋转，在生物测试系统中有巨大的应用潜力[16]。

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　　5.总结

　　随着人们对微观领域的不断探究，微机械技术的不断发展，光纤光镊发挥着越来越大的作用，如生物学中对染色体的分选、细胞弹性的测量、血红细胞的操纵、蛋白的驱动、人工授精等，同时光纤光镊也不断的向物理学等方向发展。相信随着人们对光纤光镊探知的不断深入，光纤光镊将在更多的领域具有更大的发挥空间。

　　参考文献：

　　[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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