一种用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统，属于光镊微操纵技术领域。

背景技术

传统的微流控分析系统对微粒和细胞进行运输和定向移动都是在载放有微粒和细胞的容器两端加电极，将微粒和细胞进行极化，极化后微粒和细胞就会受到两端电极的电场力的作用，朝着电场方向运输，从而达到对微粒和细胞进行运输的效果。这种用电极的方法对于微粒的影响还比较小，但是对于细胞则影响比较大，如果对细胞施加电压有可能会影响细胞组织甚至破坏细胞壁。而在生物上对细胞的定向移动的操作非常多，因此迫切需要寻找另外一种对生物组织损伤更小甚至是无损伤的操控方法。

光束和微粒之间相互作用，会将光束的动量传递给微粒，致使微粒被捕获、旋转、运输。这些操纵方法开拓了一系列的利用光来对微粒进行微操纵的工具。苑立波等人提出一种用于微粒定向发射的光枪(Deng,Hongchang,et al."Fiber-based optical gun forparticle shooting."ACS Photonics 4.3(2017):642-648.)。光枪采用了具有环形芯和中间芯的同轴双波导光纤，纤端具有反射聚焦的锥体圆台结构，能够聚焦环形光束形成光镊，实现微粒的捕获，中间芯输出的高斯光能实现微粒的弹射。但是由于中间芯的光束输出是发散的高斯光束，其作用于微粒上的散射力可能致使微粒偏离光纤的轴线方向，从而导致微粒偏离预定的运动轨迹。这种光枪结构可类比于实际枪械中的散弹枪，这种枪不但射程短，而且缺少击中目标的精准度。

实际上，在枪械的发展进程中，为了增加射程，提高击中目标的精准度，人们提出来福枪。这种枪的枪管内的膛线能给子弹一股旋转的力量，因此与滑膛枪相比，它的精确度较高，射程较远。类比于此，为了提高微粒定向传输的距离和传输路径的精确度，可以在微粒发射之前给微粒施加旋转的动量。

光致旋转是实现微粒旋转的有效手段，到目前为止实现光驱动旋转主要采用如下几种方式：第一种方式是利用自旋角动量实现旋转(高秋娟,朱艳英,史锦珊,等.利用具有自旋角动量的光束实现微粒的旋转[J].中国激光,2008,35(10):324-326.)；第二种方式是利用轨道角动量实现旋转(高明伟,高春清,何晓燕,等.利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转[J].物理学报,2004,53(2):413-417.)；第三种方式是利用光的线性动量实现旋转，设计制作具有特定外形结构的微型器件，利用器件对光束的反射、折射、吸收等相互作用来实现器件的旋转(Galajda P，Ormos P.Complex Micromachines Produced andDriven by Light.Appl.Phys.Lett.2001，78(2)：249-251)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统，还提供了该系统的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统，如图1，它由三通道光源1、第一光纤耦合器2-1、第二光纤耦合器2-2、第一可调光纤衰减器3-1、第二可调光纤衰减器3-2、光纤相位调制器4、三芯光纤扇入器5、三芯光纤6、同轴双波导光纤扇入器7、同轴双波导光纤8及纤端锥体圆台9组成，其中第一光纤耦合器2-1的输入端与三通道光源的一个输出通道1-1连接，分出的多个光路和和同轴双波导光纤扇入器7的环形芯输入通道连接，用于向同轴双波导光纤8的环形芯内注入捕获光束；第二光纤耦合器2-2的输入端与三通道光源的一个输出通道1-2连接，输出端分为两路，其中一路在连接第一可调光纤衰减器3-1、光纤相位调制器4后与三芯光纤扇入器5第一纤芯通道连接，另一路在连接第二可调光纤衰减器3-2后与三芯光纤扇入器5的第二纤芯通道连接；三芯光纤扇入器5的第三纤芯通道直接和三通道光源的第三输出通道1-3连接；三芯光纤6经过同轴双波导光纤扇入器7后和同轴双波导光纤8中间芯对应连接。

如图2，所述的同轴双波导光纤8具有包层、中间芯8-1和环形芯8-2，其中间芯8-1为少模纤芯，优选地，中间少模纤芯为三模纤芯，支持正交的两个LP

所述的同轴双波导光纤的纤端制备有锥体圆台9，反射聚焦环形芯8-2内传输的捕获光束，纤端反射面可通过镀制金属膜提高反射率。

优选地，所述的第一光纤耦合器2-1为1×6均匀分光单模光纤耦合器，目的是为了让捕获光波均匀注入环形芯8-2内；

优选地，所述的第二光纤耦合器2-2为1×2均匀分光单模光纤耦合器；

如图3，所述的三芯光纤6包括最外层的氟掺杂低折射率包层、纯石英包层和三个三角分布的模场有效折射率不同的单模纤芯6-1至6-3。

所述的同轴双波导光纤扇入器7的结构如图4所示，其具体制备方法如下：

步骤1：取六根双包层光纤11和一根三芯光纤6，剥去涂覆层后插入掺氟的七孔套管13，七孔套管13的横截面如图5所示，该套管为低折射率的掺氟的石英管。其中三芯光纤6插入七孔套管13的中间孔，六根双包层光纤11插入七孔套管的六个周边孔。

步骤2：在高温下对组合好的套管绝热拉锥，在合适的锥腰处切割，得到一个七芯的锥体输出端面14，其中输出端面14的中间芯是由三芯光纤6拉锥后形成的三模复用器，周边的六个纤芯是六根双包层光纤11拉锥后，由变细的内包层形成的单模纤芯。输出端七个纤芯的几何间距分布和同轴双波导光纤8的纤芯分布一致。另外，使用的双包层光纤11的端面如图6所示，包括一个单模纤芯11-1，一个内包层11-2和一个外包层，该光纤在绝热拉锥后，纤芯内的光波会逐渐绝热过渡到内包层内传输，并保持模场分布不变。双包层光纤11的输入端和单模光纤12连接。

步骤3：将步骤2中的切割得到的锥体与同轴双波导光纤8熔接，其中：六根双包层光纤在拉锥后对应连接同轴双波导光纤的环形芯8-2，三芯光纤6对应连接同轴双波导光纤中间少模芯8-1，成为该纤芯的模分复用器。

步骤4：对上述器件进行封装，便得到同轴双波导光纤扇入器7。

所述的三芯光纤扇入器5如图7所示，其有三根单模光纤12作为输入端，输出端分别对应三芯光纤6的三个单模纤芯。优选地，三芯光纤扇入器5也通过双包层光纤束拉锥的方法制备。具体描述为：将三根双包层光纤11的一端熔接单模光纤12，另一端剥去涂覆层插入三孔石英套管15后，绝热拉锥、切割，并与三芯光纤6对芯熔接，形成三芯光纤的扇入器5。

所述的微粒定向弹射的控制方法为：

(1)如图1，三通道光源1的第一输出通道1-1提供捕获光，通过第一光纤耦合器2-1分束后，经过同轴双波导光纤扇入器7注入同轴双波导光纤8的环形芯8-2，再经过纤端锥体圆台9反射聚焦后，形成三维捕获力学势阱，稳定捕获微粒10。

(2)三通道光源1的第二输出通道1-2经过第二光纤耦合器2-2分为两路，这两路通过三芯光纤扇入器5和同轴双波导光纤扇入器6后对应形成同轴双波导光纤8中间芯8-1的正交的两个LP

(3)三通道光源1的第三输出通道1-3经过三芯光纤扇入器5和同轴双波导光纤扇入器7后对应形成同轴双波导光纤中间芯8-1的基模，该光束对捕获的微粒10产生前向的辐射压，可前向弹射微粒10，通过调整该通道的输出功率，可调整微粒10的弹射力的大小。

综上，通过上述的控制调节，可实现微粒的旋转发射。

与在先技术相比，本发明具有如下特点：

本发明采用特种同轴双波导光纤，利用其环形芯中传输的环形光束的聚焦，实现了微粒全方位的三维稳定捕获，并结合了涡旋光的光致旋转功能，实现了捕获微粒的定轴旋转，再使用合适强度的高斯光束，实现微粒的定向弹射。这种旋转定向弹射能实现更远的射程和更高的传输精度。

附图说明

图1是用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统的结构图。

图2是同轴双波导光纤的端面图和折射率分布图。

图3是三芯光纤的端面图。

图4是同轴双波导光纤扇入器的结构图。

图5是掺氟的七孔套管的端面结构图。

图6是双包层光纤的端面图和折射率分布。

图7是三芯光纤扇入器件的结构图。

图8是同轴双波导光纤中间芯支持的三种模式的模场分布，(a)为LP

图9至图12是同轴双波导光纤扇入器的中间三芯光纤不同纤芯的输入情况对应同轴双波导光纤中间芯不同输出模式。

图13是同轴双波导光纤的锥体圆台结构以及来福枪的操作原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

如图1所示的用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统。它由三通道光源1、第一光纤耦合器2-1、第二光纤耦合器2-2、第一可调光纤衰减器3-1、第二可调光纤衰减器3-2、光纤相位调制器4、三芯光纤扇入器5、三芯光纤6、同轴双波导光纤扇入器7、同轴双波导光纤8及纤端锥体圆台9组成，其中第一光纤耦合器2-1的输入端与三通道光源的一个输出通道1-1连接，分出的多个光路和和同轴双波导光纤扇入器7的环形芯输入通道连接，用于向同轴双波导光纤8的环形芯内注入捕获光束；第二光纤耦合器2-2的输入端与三通道光源的一个输出通道1-2连接，输出端分为两路，其中一路在连接第一可调光纤衰减器3-1、光纤相位调制器4后与三芯光纤扇入器5第一纤芯通道连接，另一路在连接第二可调光纤衰减器3-2后与三芯光纤扇入器5的第二纤芯通道连接；三芯光纤扇入器5的第三纤芯通道直接和三通道光源的第三输出通道1-3连接；三芯光纤6经过同轴双波导光纤扇入器7后和同轴双波导光纤8中间芯对应连接。

三通道光源1选择波长为976nm的LD激光器；同轴双波导光纤8的中间芯8-1为三模纤芯，支持的模式为LP

同轴双波导光纤中间芯8-1的模分复用器由三芯光纤6拉锥形成，三芯光纤的每个纤芯对应激发图8中的一种模式，其对应关系如图9～图11所示。

通过对系统中的两个可调光衰减器3-1和3-2以及光纤相位调制器4的调节，来调整三芯光纤6-1和6-2纤芯中光波的功率和相位，可使得同轴双波导光纤中间芯8-1内组合出一阶的涡旋光，如图12所示。

如图13是同轴双波导光纤8纤端的锥体圆台9结构以及来福枪的操作原理。环形芯8-2内注入的捕获光束可以捕获单个的酵母菌细胞10，然后，通过调节，让同轴双波导光纤8的中间芯8-1输出涡旋光，使得被捕获的酵母细胞10定轴旋转。再通过三芯光纤的6-3纤芯通道输入LP

在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。