模式復(fù)用型單光纖光鑷技術(shù)研究★

梁佩博 ， 朱嘉偉 ， 莫冰 ， 楊紓彥 葉志鵬

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心,廣東 廣州 510610；4.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510610）

光鑷的概念最早是由美國科學(xué)家Ashkin A于1986年提出的[1],光鑷的誕生給予了生物醫(yī)學(xué)一種全新的操控細(xì)胞的手段。與傳統(tǒng)的機(jī)械臂相比,利用光鑷可以對細(xì)胞進(jìn)行無接觸、無損傷的控制。當(dāng)今單光纖光鑷有著較為突出的發(fā)展前景,雖然其具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn),但功能單一卻成為了單光纖光鑷的硬傷。因此,本文提出了一種新型的單光纖光鑷,其不僅可以控制被捕獲粒子在光軸上的位置,而且可以將被捕獲的微粒沿光軸發(fā)射。

1 基本原理

在普通的錐形單光纖光鑷中,37°錐形光纖探針[2]可以滿足LP01模式與LP11模式都具有一定的捕獲能力[3],但是,由于這兩種捕獲力的作用方向均是沿著光軸指向光纖尖端的,所以使得被捕獲微粒的受力平衡位置處于光纖尖端上,有可能使得被捕獲微粒被光纖尖端損傷而違背光纖光鑷的初衷。本文提出了一種新型的錐形光纖光鑷結(jié)構(gòu),在普通的錐形單光纖光鑷尖端,利用放電熔融的方法將光纖尖端抹平一段適當(dāng)?shù)木嚯x后,獲得這種新型的錐形光纖光鑷可以很好地解決這一問題。需要注意的是控制電弧的電量、電流強(qiáng)度和燒制時(shí)間,精確地控制燒制后的光纖探針尖部平滑區(qū)的尺寸,經(jīng)電弧加工的光纖尖如圖1所示。

通過光波導(dǎo)理論的結(jié)論可知,LP01模式與LP11模式在光纖中的傳播路徑不一樣,模場半徑也不相同,即LP01模式在傳播時(shí),能量集中于光軸附近,與波導(dǎo)的寬度的關(guān)系甚微,而LP11模式在光軸附近幾乎沒有能量分布。LP01模式與LP11模式[4-5]在光纖探針錐尖的不同位置折射后聚焦,設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 經(jīng)電弧加工的光纖尖

圖8 HMC395產(chǎn)品手冊中推薦的電感電容的選擇方案

由于LP01模式在光纖出射端時(shí),經(jīng)過的是經(jīng)過處理的相對平滑的斷面,并未有匯聚而能夠形成用于捕獲的光勢阱。LP11模式的光波在光纖中傳播時(shí),光軸附近并沒有太高的能量聚集,而是在偏于中心的位置發(fā)生折射后聚焦于光軸上。在LP11模式通過光纖端面時(shí),光軸附近的較為平滑的端面對其影響甚微,LP11模式仍然可以在出射后形成比較有效的光勢阱用于捕獲微粒。

2 仿真

為了分析這種特殊結(jié)構(gòu)的單光纖光鑷,通過仿真得到LP01模式和LP11模式在這種單光纖光鑷出射光場。設(shè)入射光是由Ex、Ez和Hy組成的單色連續(xù)二維TM波,那么捕獲力可以表示為:

式 （1）-（2）中:S——平面內(nèi)的邊界；

ε0——真空介電常數(shù)；

ε1——相對介電常數(shù)；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

μ1——相對磁導(dǎo)率。

公式 （1）-（2）中捕獲力可以通過Ex、Ez和Hy計(jì)算獲得,LP01模式與LP11模式出射光場仿真圖如圖3所示。

圖3 LP01模式與LP11模式出射光場仿真圖

對兩種模式的捕獲力進(jìn)行數(shù)值二維的FDTD計(jì)算,取光源光波長為980 nm,激光器光源輸出光功率為1 mW；1 310 nm單模光纖的纖芯直徑為8.2 μm,纖芯折射率為1.467 6,水的折射率為1.33,被捕獲微粒的折射率為1.4（酵母細(xì)胞折射率）。在網(wǎng)格大小取0.05 μm時(shí),計(jì)算得出的LP11模式產(chǎn)生的梯度力和LP01模式產(chǎn)生的散射力如圖4所示。從圖4中可以看出,LP11模式的出射光場在距離光纖尖端25 μm范圍內(nèi)對酵母菌具有一定捕獲力 （捕獲力為負(fù)值,方向是沿光軸指向光纖尖端）,而LP01模式出射光場對酵母菌體現(xiàn)的是散射力,不具備捕獲能力。

圖4 LP11模式產(chǎn)生捕獲力的數(shù)值仿真曲線與LP01模式產(chǎn)生散射力的數(shù)值仿真曲線

為了描述被捕獲微粒在受到散射力后沿著光軸方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),建立如公式 （3）所示的力學(xué)方程:

被捕獲微粒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中始終沿著光軸遠(yuǎn)離光纖探針,因此只需要對在光纖光軸 （z軸）上的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行分析及處理。將方程化簡到一維空間,以便于分析。參考沿z軸方向LP01模式的散射力,最終被捕獲微粒所受到的散射力的微分方程可以由公式 （3）變形后得出:

這里的函數(shù)fs（z）可以通過對圖4b的仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得出。

3 實(shí)驗(yàn)

a）捕獲粒子

首先,設(shè)定LP01模式和LP11模式之間的功率比,以獲得穩(wěn)定的捕獲力,并捕獲一個(gè)酵母菌,如圖5a所示。

b）彈射粒子

調(diào)高LP01模式在合成光束中的光功率比,使得被捕獲粒子受到沿著光軸遠(yuǎn)離光纖尖端方向的散射力的作用,隨后以一定的加速度沿光軸運(yùn)動(dòng),由于作用在微粒上的散射力逐漸地趨于零以及粘滯阻力的增加,最后停止于某一位置,如圖6a所示；由于LP01模式光功率比瞬間的提高,被捕獲微粒不但獲得了較大的散射力,同時(shí)也失去了對其捕獲力,這使得被捕獲微粒在開始運(yùn)動(dòng)時(shí)獲得了較大的加速度,其速度特性如圖5b所示。微粒被單光纖光鑷彈射的過程如圖6所示。

圖5 微粒運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算結(jié)果

圖6 微粒被單光纖光鑷彈射過程

4 結(jié)束語

利用錐臺(tái)式的光纖探針,通過控制在光纖芯中LP01模式與LP11模式的光功率比,可以實(shí)現(xiàn)對酵母菌等微粒的捕獲功能。在實(shí)驗(yàn)中,驗(yàn)證了這種單光纖光鑷在LP01模式的光功率比較高時(shí)具有沿光軸遠(yuǎn)離光纖尖端的散射力,LP11模式的光功率比較高時(shí)具有沿光軸指向光纖尖端的捕獲力。

[1]ASHKIN A.Acceleration and trapping,of particles by radiation pressure[J].Phys.Rev.Lett, 1970 （24）:156-159.

[2]LIANG Peibo,LEI Jiaojie,LIU Zhihai,et al.A study about multi-trapping of a tapered-tip single fiber optical tweezers[J].Chin.Phys.B,2014,23 （8）:642-647.

[3]LIU Zhihai,WANG Lei,LIANG Peibo.Mode division multiplexing technology for single-fiber optical trapping axial-position adjustment[J].Optics letters,2013,38（14）:2617-2620.

[4]LIU Zhihai,LIANG Peibo,ZHANG Yu.A micro particle launcher/cleaner based on optical trapping technology[J].Optics Express,2015,23 （7）:8650-8658.

[5]尤尼斯·夏班尼.傳熱學(xué):電力電子器件熱管理 [M].余小玲,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.