基于光纖光鑷的粒子捕獲與操縱

湯曉云,張亞勛,張 羽,劉志海,1c,楊興華,苑立波

(1.哈爾濱工程大學(xué) a.物理與光電工程學(xué)院; b.教育部光纖集成光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.國家實(shí)驗(yàn)物理教育示范中心，黑龍江 哈爾濱 150001；2.桂林電子科技大學(xué) 光子學(xué)研究中心，廣西 桂林 541004)

自1986年Arthur Ashkin等人[1]首次報(bào)道利用單光束勢阱操縱粒子以來，光鑷技術(shù)由于可操控微納尺度物質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和生物傳感等眾多學(xué)科領(lǐng)域[2-4]. 2018年Arthur Ashkin因其在“光學(xué)鑷子在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”的貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，又一次激起了更多科學(xué)工作者對(duì)光鑷的興趣和關(guān)注. 傳統(tǒng)光鑷技術(shù)[5]利用高數(shù)值孔徑的物鏡聚焦自由空間中的光束，能夠?qū)Τ叽鐝膸资畁m(如生物細(xì)胞中的DNA[6]、RNA[7])到幾十μm(如細(xì)胞[8]、膠體[9]、介質(zhì)粒子[10])的微粒進(jìn)行非接觸式、非破壞性的精確捕獲和操作. 但傳統(tǒng)透鏡型光鑷系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)粒子的操控受系統(tǒng)龐雜的限制，觀測與操控難以兼顧，導(dǎo)致光鑷技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用發(fā)展中受阻.

為克服傳統(tǒng)光鑷技術(shù)的不足，1993年，Constable等人[11]提出了光纖光鑷的概念. 由于光纖具有易制造、高靈活性等優(yōu)點(diǎn)，因此制作簡單、便于集成、操作系統(tǒng)與觀測系統(tǒng)相分離的光纖光鑷成為光鑷發(fā)展的新趨勢. 在光纖光鑷的研究和探索過程中，早期研究者利用2根正對(duì)的單模光纖實(shí)現(xiàn)粒子的捕獲與操作[12-13]. Lyons和Sonek[14]于1995年通過采用具有球形尖端的光纖探針實(shí)現(xiàn)光纖光鑷，然而，由于光纖數(shù)值孔徑的限制，由單光纖球面錐透鏡出射的弱聚焦光束其梯度力難以達(dá)到穩(wěn)定的三維捕獲強(qiáng)度. 為實(shí)現(xiàn)單光纖對(duì)微粒的穩(wěn)定操縱，科研人員利用多種光纖微加工技術(shù)[15-20]制作光纖光鑷并將其應(yīng)用于捕獲和操縱微觀粒子[21-23]. 本文綜述了近年來光纖光鑷在微觀粒子光學(xué)操縱方面的研究進(jìn)展，以利用微結(jié)構(gòu)多芯光纖的多功能光鑷對(duì)粒子的多種形式操縱和利用單模光纖模式調(diào)控對(duì)粒子的功能性操作以及利用調(diào)制的全光纖貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)全能型光纖光鑷為例，就光纖光鑷對(duì)目標(biāo)粒子的捕獲、旋轉(zhuǎn)、輸運(yùn)、振動(dòng)等操作進(jìn)行詳細(xì)的歸納總結(jié)，介紹光纖光鑷的發(fā)展歷程及其在溫度傳感、染料激光器、粒徑測量和粒子輸運(yùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用，并將光纖光鑷技術(shù)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，開展光的波粒二象性演示實(shí)驗(yàn)的研究性教學(xué)探索.

1 光學(xué)捕獲的基本概念

1.1 光鑷的基本原理

光學(xué)捕獲依賴于光-物質(zhì)間的相互作用，這主要涉及到2種不同類型的力[24]：一種是把物體拉向激光束焦點(diǎn)的梯度力，另一種是推動(dòng)物體沿激光束傳播方向運(yùn)動(dòng)的散射力. 物體在液體環(huán)境中所受的斯托克斯拖拽力和粒子本身的布朗運(yùn)動(dòng)等也會(huì)影響微粒捕獲的穩(wěn)定性. 光學(xué)捕獲的基本原理是光梯度力大于光散射力，因此粒子可以在靠近光束焦點(diǎn)的位置被捕獲，圖1(a)展示了利用梯度力實(shí)現(xiàn)光學(xué)捕獲的基本原理. 圖1(b)是常規(guī)光鑷系統(tǒng)示意圖，其中紅色為光鑷系統(tǒng)的控制光路，藍(lán)色用于照明，最右側(cè)是微粒位置測量區(qū)，利用物鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的操縱. 光纖光鑷直接使用光纖代替常規(guī)光鑷系統(tǒng)中的控制光路，利用光纖探針實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)粒子的操作，如圖1(c)所示，極大的簡化了光鑷操作系統(tǒng).

(a)光學(xué)捕獲原理圖[20] (b) 常規(guī)光鑷系統(tǒng)示意圖 (c) 光纖光鑷系統(tǒng)示意圖

1.2 光學(xué)捕獲的理論模型

光學(xué)捕獲的理論模型根據(jù)粒子和波長之間的關(guān)系可分為3類[25]：當(dāng)粒子直徑比激光波長大1個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，粒子尺寸在Mie散射區(qū)，利用幾何光學(xué)的射線光學(xué)模型可以很好地解釋粒子在光阱中的受力；當(dāng)粒子直徑比激光波長小得多時(shí)，粒子尺寸在瑞利散射區(qū)，可采用電磁學(xué)模型解釋粒子在光阱中的捕獲原理；當(dāng)粒子直徑與激光波長相當(dāng)時(shí)，粒子直徑處于Mie散射區(qū)與瑞利散射區(qū)之間，可以通過洛倫茲Mie理論模型分析粒子在光阱中的捕獲原理. 其中，第3種是最常見的粒子捕獲情形. Arthur Ashkin自1970年提出光鑷[26]以來，產(chǎn)生了各種類型的光鑷，如新光束光鑷、近場光鑷、全息圖光鑷、等離子體光鑷和光纖光鑷等.

1.3 光纖光鑷技術(shù)

光纖光鑷直接使用光纖代替常規(guī)光鑷系統(tǒng)中的控制光路，利用光纖探針實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)粒子的操作，如圖1(c)所示，極大的簡化了光鑷操作系統(tǒng). 常規(guī)光鑷需利用有較大發(fā)散場的會(huì)聚光束來提供足夠的梯度力實(shí)現(xiàn)粒子捕獲與操作. 然而，未經(jīng)處理的光纖探針，其尖端的輸出光束通常發(fā)散角較小，輸出光束難以產(chǎn)生強(qiáng)大的捕獲力. 因此，在光纖尖端構(gòu)建具有大發(fā)散角的聚焦光場是實(shí)現(xiàn)光纖光鑷技術(shù)的重點(diǎn)，而光纖類型的選擇以及光纖探針尖端的結(jié)構(gòu)是其中2個(gè)關(guān)鍵因素.

2 基于微結(jié)構(gòu)多芯光纖的單光纖多功能光鑷

在光纖光鑷的研究與發(fā)展過程中，為了克服光纖數(shù)值孔徑對(duì)于光纖光鑷技術(shù)的限制，Liu等人[15]利用單模光纖熔融拉錐技術(shù)制成如圖2(a)所示的拋物線型光纖探針，首次實(shí)現(xiàn)利用單光纖光鑷對(duì)酵母細(xì)胞的捕獲與操作，如圖2(b)所示.

(a) 拋物線熔融拉錐型光纖探針

然而，基于單光纖的光鑷探針一般只能對(duì)粒子進(jìn)行捕獲和移動(dòng)，在物理化學(xué)等實(shí)際研究與應(yīng)用中還需對(duì)粒子進(jìn)行更多的三維非接觸式操作與裝配. 為了實(shí)現(xiàn)光鑷對(duì)目標(biāo)物體的靈活操縱，Taguchi等人于1997年提出了基于光纖的光學(xué)微操手[18]. 利用多芯光纖、環(huán)形芯光纖、同軸雙波導(dǎo)光纖等特殊結(jié)構(gòu)的光纖通過光纖微加工實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)粒子的旋轉(zhuǎn)、輸運(yùn)、振動(dòng)等多種功能.

2.1 基于多芯光纖的光學(xué)微操手

多芯光纖光鑷探針通過光纖微加工技術(shù)調(diào)制多芯光纖纖芯中的多光束傳輸，實(shí)現(xiàn)微粒的非接觸式捕獲和旋轉(zhuǎn)[27]. 其中，雙芯光纖是纖芯數(shù)量最少的多芯光纖，Yuan等人[28]于2008年提出了基于雙芯光纖的單光纖光鑷，通過熔融拉錐技術(shù)制作光纖尖端突變的雙芯光纖探針，實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞的捕獲，如圖3(a)所示. 由于經(jīng)過熔融拉錐的光纖探針其輸出光的束腰在光纖尖端，這種雙芯光纖光鑷探針僅能實(shí)現(xiàn)接觸式酵母細(xì)胞捕獲. 然而，接觸式捕獲有可能會(huì)損害粒子的表面特性，不利于對(duì)微粒的研究[29-30]. 因此，Yuan等人[31]在2012年利用光纖研磨與拋光技術(shù)，將雙芯光纖加工成圓錐臺(tái)型光纖光鑷探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)酵母細(xì)胞的非接觸式捕獲，如圖3(b)所示. 雙芯光纖中傳輸?shù)墓馐诠饫w錐面進(jìn)行全反射，經(jīng)光纖端面折射，在遠(yuǎn)離光纖端面位置會(huì)聚形成強(qiáng)梯度勢阱，實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞的非接觸式捕獲. 由圖3(a)和3(b)可知，雙芯光纖纖芯中傳輸?shù)墓馐鴺?gòu)建的單光學(xué)勢阱，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)酵母細(xì)胞的捕獲. 對(duì)稱分布的四芯光纖光鑷可形成2個(gè)光學(xué)勢阱，通過調(diào)節(jié)這2個(gè)光學(xué)勢阱可靈活操縱粒子，實(shí)現(xiàn)捕集、旋轉(zhuǎn)和振蕩的光學(xué)微操手功能. 當(dāng)基于四芯光纖的光學(xué)微操手形成關(guān)于光纖軸對(duì)稱的雙光鑷時(shí)[32]，四芯光纖微操手可實(shí)現(xiàn)粒子的震蕩操縱，光纖光鑷通過研磨拋光制成如圖3(c)所示的截頭金字塔. 模擬結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)雙光鑷的光強(qiáng)度分布可使粒子在2個(gè)光阱力作用下實(shí)現(xiàn)粒子振蕩，從而獲得全光纖粒子振蕩器.

圖3 基于多芯光纖的光學(xué)微操手

四芯光纖通過化學(xué)腐蝕，可使四芯光纖微操手的2個(gè)光阱會(huì)聚于一處[33]實(shí)現(xiàn)粒子的捕集與旋轉(zhuǎn)功能，如圖3(d)所示. 四芯光纖微操手捕獲酵母細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞長軸平行于光纖軸向，通過調(diào)節(jié)四芯光纖纖芯中的光場分布獲得使酵母細(xì)胞旋轉(zhuǎn)的力矩，實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞沿逆時(shí)針或順時(shí)針方向的偏轉(zhuǎn)操縱；也可實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞垂直于紙面的旋轉(zhuǎn)操作. 這種基于四芯光纖微操手的粒子旋轉(zhuǎn)方法，既不需要借助特殊調(diào)制的矢量光束[34-35]又不需要制造特殊的粒子[36-37]，是一種簡單的實(shí)現(xiàn)粒子旋轉(zhuǎn)的方式.

單光纖中的2個(gè)光學(xué)勢阱既可實(shí)現(xiàn)微粒旋轉(zhuǎn)功能亦可制作基于光纖的粒子振蕩器，單光纖多光學(xué)勢阱的疊加可對(duì)粒子實(shí)現(xiàn)更多功能性操作，如通過改變七芯光纖出射光強(qiáng)的梯度分布，可產(chǎn)生全光纖的主動(dòng)式牽引光束[38-39]，如圖3(e)所示. 通過光纖研磨，將3個(gè)等效的雙芯光纖光鑷集成在1根七芯光纖中，加工成截頭為六角錐體的七芯光纖光鑷在沿著光纖主軸產(chǎn)生3個(gè)分立的光學(xué)勢阱，從而能夠獲得基于七芯光纖的粒子多功能操縱探頭. 調(diào)節(jié)和控制每個(gè)纖芯的入射激光功率，可以實(shí)現(xiàn)粒子的捕獲、長距離牽引、雙向傳輸和軸向位置可控調(diào)節(jié)[40]. 基于七芯光纖的全光纖探頭具有光鑷與牽引光束的兼容性，光束牽引有效范圍增加，從而拓寬了光捕獲的范圍. 這種通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)度的梯度分布產(chǎn)生全光纖主動(dòng)式牽引光束的方式，擴(kuò)展了光纖對(duì)粒子的操作方式.

因此，基于多芯光纖的單光纖光鑷可實(shí)現(xiàn)粒子的多功能操縱：包括粒子捕獲、旋轉(zhuǎn)、振蕩與位置調(diào)節(jié)等，在生物學(xué)、細(xì)胞分選、生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力.

2.2 基于同軸雙波導(dǎo)光纖的光槍

光纖光槍在粒子捕獲基礎(chǔ)上可發(fā)射粒子. 相比常規(guī)光纖光鑷而言，光槍需在捕獲粒子后施加額外的力將粒子推離捕獲勢阱，粒子三維捕獲的過程可類比為子彈裝載，額外力將粒子推離捕獲勢阱的過程可類比為子彈發(fā)射. 具有環(huán)形分布纖芯和中心纖芯的同軸雙波導(dǎo)光纖可構(gòu)成粒子捕獲和發(fā)射的光槍，見圖4[41]. 通過光纖研磨技術(shù)將同軸雙波導(dǎo)光纖加工成圓錐臺(tái)型的光纖探針，環(huán)形光束耦合到同軸雙波導(dǎo)光纖的環(huán)形纖芯中，經(jīng)全反射，在光纖前端出射會(huì)聚形成穩(wěn)定的光學(xué)捕獲勢阱[42]，可實(shí)現(xiàn)微粒的捕獲，見4(a)[41]. 耦合到同軸雙波導(dǎo)光纖的中心纖芯的高斯光束，可提供額外的力將粒子推離捕獲勢阱，見圖4(b). 當(dāng)高斯光束作用在目標(biāo)粒子上的推力超過了環(huán)形纖芯的捕獲力時(shí)，被捕獲的粒子會(huì)沿光束傳播方向射出，圖4(b)中粒子運(yùn)動(dòng)軌跡表明了同軸雙波導(dǎo)光纖中心纖芯對(duì)捕獲粒子的發(fā)射作用. 因此，基于同軸雙波導(dǎo)光纖的光鑷既可對(duì)粒子進(jìn)行捕獲又可通過中心纖芯將粒子發(fā)射. 這擴(kuò)展了基于光纖的光學(xué)操作的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于生物學(xué)的微粒分選、粒子的靶向輸送以及觀察藥物的協(xié)同作用.

(a)基于環(huán)形芯光纖的粒子捕獲與裝載[42] (b)基于同軸雙波導(dǎo)光纖的光槍[41]

3 基于普通單模光纖的通用型單光纖多功能光鑷

基于微結(jié)構(gòu)光纖的單光纖光鑷在實(shí)現(xiàn)粒子捕獲的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用，但由于該種光鑷所使用的特種光纖價(jià)格昂貴，加工復(fù)雜，使得該光纖的光鑷技術(shù)難于推廣. 基于普通通信光纖的單光纖光鑷對(duì)大多數(shù)研究人員而言更為方便和利于推廣，因此，簡化光纖光鑷探針的加工技術(shù)和兼顧對(duì)目標(biāo)粒子進(jìn)行多種操控是光纖光鑷面臨的關(guān)鍵問題.

3.1 基于光纖模式復(fù)用的單光纖光鑷

通過模式復(fù)用技術(shù)使普通單模光纖實(shí)現(xiàn)微粒的位置調(diào)整和旋轉(zhuǎn)，有利于光纖光鑷的推廣與應(yīng)用. 基于單模光纖的模式復(fù)用技術(shù)，通過2種模式(LP01和LP11)的功率調(diào)整與選擇，可實(shí)現(xiàn)粒子位置的調(diào)整，如圖5(a)所示[43]. 將980 nm的單模光纖偏移2 μm拼接到G.652光纖上產(chǎn)生LP01和LP11模式，利用光纖上裝配的模式選擇器控制選擇輸出光束模式. 將單模光纖探針加工成帶有半透鏡的錐形尖端，LP01模式的光束在單光纖光鑷探頭中起主要作用時(shí)，光纖探頭對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行捕獲. 通過調(diào)節(jié)模式選擇器，將光纖中傳輸?shù)腖P01模式的光束改為LP11模式后，酵母細(xì)胞沿光纖軸向向光纖探針方向進(jìn)行位置調(diào)節(jié). 為驗(yàn)證通過切換2種不同模式的光束可以實(shí)現(xiàn)粒子軸向位置的調(diào)節(jié)，當(dāng)仿真得到LP01模式的光束入射到光纖探針中時(shí)，光場光強(qiáng)最強(qiáng)的位置在zf處；當(dāng)LP11模式的光束入射到光纖探針中時(shí)，光場光強(qiáng)最強(qiáng)的位置在zc處. 該單光纖光鑷通過控制LP01和LP11模式光束的功率比，可實(shí)現(xiàn)非接觸式光學(xué)捕獲和捕獲粒子的軸向位置調(diào)節(jié).

通過在圖5(a)的光鑷實(shí)驗(yàn)裝置上加載光束扭轉(zhuǎn)控制單元和張力加載單元，可控制LP11模式光束的兩瓣的功率分布，實(shí)現(xiàn)雙酵母細(xì)胞繞光纖軸的旋轉(zhuǎn)操作[44]，如圖5(b)所示. 相較于使用基于特種光纖的光學(xué)微操手而言，基于單模光纖的模式復(fù)用型光纖光鑷結(jié)構(gòu)更為簡單且易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，單光束捕獲粒子的激光強(qiáng)度低于多光束捕獲，從而降低了粒子被破壞的可能性. 基于光纖模式復(fù)用的單光纖光鑷簡化了光纖光鑷對(duì)捕獲粒子的位置調(diào)節(jié)與旋轉(zhuǎn)的操作.

(a)基于單模光纖模式復(fù)用技術(shù)的單光纖光鑷捕獲及其軸向位置調(diào)整[43]

此外，基于漸變折射率多模光纖的光鑷探頭也是實(shí)現(xiàn)光纖光鑷多功能操作的手段之一. 通過調(diào)節(jié)漸變折射率多模光纖中光束的傳播形式，可使?jié)u變折射率多模光纖光鑷實(shí)現(xiàn)粒子的捕獲以及軸向位置調(diào)節(jié)等多種操作[45-47].

3.2 基于貝塞爾光束的單光纖光鑷

基于單模光纖的模式復(fù)用型光纖光鑷可實(shí)現(xiàn)粒子的軸向位置調(diào)節(jié)與旋轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)基于通信光纖更多功能的光纖光鑷，可利用基于光纖的特殊光束形式的光鑷實(shí)現(xiàn)粒子的多功能操作，其中，貝塞爾光鑷是實(shí)現(xiàn)粒子多功能操作很好的手段. 貝塞爾光束[48]是具有無衍射自修復(fù)性質(zhì)的特殊光束，存在多種產(chǎn)生形式. 基于空間光路的貝塞爾光束構(gòu)建形式主要有：環(huán)縫-透鏡法、軸棱鏡法以及計(jì)算機(jī)全息法等[49-52]. 基于光纖的貝塞爾光束產(chǎn)生方式主要有：單-空、單-多以及光纖微加工等方法[53-56]. 通過復(fù)合光纖多模干涉產(chǎn)生光纖類貝塞爾光束是產(chǎn)生全光纖類貝塞爾光束的常用方式，當(dāng)單模光纖與階躍多模光纖同軸熔接時(shí)，單模光纖中的基模LP01被耦合到階躍多模光纖內(nèi)，在階躍多模光纖中激勵(lì)出的LP0n模式可由貝塞爾函數(shù)表示[48]. 通過調(diào)制全光纖貝塞爾光束，可實(shí)現(xiàn)多粒子(比如納米粒子、低折射率粒子和吸收性粒子等)的三維捕獲操作.

3.2.1 基于單光纖類貝塞爾光束的多粒子三維捕獲

錐形單光纖的有效捕獲距離有限，且一般僅能實(shí)現(xiàn)單個(gè)微粒的捕獲操作. 而在一些應(yīng)用中，不同微粒進(jìn)行穩(wěn)定的非侵入式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)是極其必要的. Zhang等人[57]提出了一種用于多粒子三維捕獲的全光纖貝塞爾光鑷，通過單模光纖和階躍多模光纖的同軸拼接，在特殊設(shè)計(jì)的光纖探針尖端對(duì)貝塞爾光束進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)粒子的三維捕獲. 光纖探針采用光纖研磨和放電電流熔融兩步成型，加工成特殊的半橢球形結(jié)構(gòu)，如圖6(a)所示. 光纖探針在沿光束傳播方向距離光纖尖端分別為3，23，60 μm處形成3個(gè)穩(wěn)定捕獲位置. 多個(gè)粒子在光纖光鑷軸向不同位置的捕獲有利于進(jìn)行多粒子的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為多種物質(zhì)的協(xié)同作用提供工具.

3.2.2 基于單光纖類貝塞爾光束的納米粒子捕獲

由于傳統(tǒng)聚焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)衍射極限，小于入射激光波長一半的粒子很難進(jìn)行捕獲[58]. 因此，找到一種利用足夠小的入射激光功率捕獲納米粒子的方法是很有必要且具有重要意義. 通常，使用高倍鏡聚焦激光束可以實(shí)現(xiàn)小的聚焦點(diǎn)[59-61]. Tang等人[62]通過組裝大曲率半徑的高折射率小球調(diào)制光纖類貝塞爾光束，經(jīng)過強(qiáng)聚焦形成納米級(jí)光點(diǎn)，如圖6(b)所示. 會(huì)聚光點(diǎn)沿z軸方向和x軸方向的半高寬分別約為1.2λ和λ/2.8，光束在z軸方向比之前的光纖光鑷結(jié)構(gòu)擁有更小的半高寬，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑200 nm的聚苯乙烯粒子的捕獲操作. 該光纖探頭具有激光傳輸效率高、空間分辨率高、發(fā)熱量少等優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展了基于光纖的光學(xué)加工的應(yīng)用潛力，如納米粒子分類、單細(xì)胞分析和生物傳感等.

(a) 基于單光纖類貝塞爾光束的多粒子三維捕獲[57]

3.2.3 光學(xué)暗阱

在膠體物理/化學(xué)[63]和靶向給藥等應(yīng)用中，捕獲和操縱折射率低于背景溶液的微觀粒子具有重要意義[64-67]. 然而，由于傳統(tǒng)光學(xué)捕獲工具施加在低折射率粒子上的是斥力，為了捕獲低折射率粒子就需要構(gòu)建光學(xué)暗阱. 這就需要精心設(shè)計(jì)光束形狀[68]，具有相位奇點(diǎn)的渦旋光束如高階貝塞爾光束[69-71]和拉蓋爾高斯光束[72-74]，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)低折射率粒子捕獲的方式；傳統(tǒng)的全息光束[75]或干涉圖形[76]也被應(yīng)用于低折射率粒子捕集. 然而對(duì)于單光纖光鑷而言，難以實(shí)現(xiàn)暗阱的構(gòu)建.

基于光纖的貝塞爾光束是1組同心圓環(huán)，利用大曲率半徑的透鏡可將圓環(huán)會(huì)聚構(gòu)建光學(xué)暗阱，實(shí)現(xiàn)低折射率粒子的捕獲，如圖6(c)所示. 當(dāng)階躍多模光纖長度為1 365 μm時(shí)，其光纖端面?zhèn)鞑ブ行臑榘祱龅母唠A貝塞爾光束，利用高折射率透鏡球會(huì)聚基于光纖的類貝塞爾光束獲得如圖6(c)所示的光學(xué)暗阱[77]，DT1為第1個(gè)黑暗陷阱，DT2為第2個(gè)黑暗陷阱. 利用該光纖探針可實(shí)現(xiàn)在折射率為1.455的三乙二醇溶液中捕獲折射率為1.4的酵母細(xì)胞. 該光纖探針結(jié)構(gòu)簡單，精度高，成本低，體積小，在化學(xué)反應(yīng)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

3.2.4 基于單光纖類貝塞爾光束的吸收性粒子捕獲

在純甘油溶液中利用Δα型光泳力可實(shí)現(xiàn)高斯光束對(duì)單一吸收性黑球的操作，然而單光束很難實(shí)現(xiàn)對(duì)于多個(gè)吸收性黑球的同時(shí)操作，Zhang等人[78]利用貝塞爾光束傳播中的無衍射自修復(fù)特性，實(shí)現(xiàn)了吸收性粒子在液體環(huán)境中的多點(diǎn)捕獲與操作，如圖6(d)所示. 多個(gè)吸收性粒子的共同操作，有利于多樣本的研究工作，也有利于開展對(duì)吸收性物質(zhì)的研究工作.

4 光纖光鑷技術(shù)在生物與傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

光鑷作為研究微小粒子的工具，其主要貢獻(xiàn)在于能夠提取微生物和細(xì)胞世界中不易檢測到的重要信息，這些信息可以與生化信息相關(guān)聯(lián). 光纖光鑷在溫度傳感、基于回廊模的液體染料激光激發(fā)、粒徑測量和粒子輸運(yùn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.

4.1 基于光鑷技術(shù)的溫度傳感

光纖光鑷已經(jīng)成功地用于微觀粒子的捕獲、傳感和一些物理參量測量[79-83]. 2014年Zhang等人[84]提出了基于雙光纖光阱技術(shù)的溫度傳感器，該溫度傳感器采用光纖化學(xué)蝕刻法和光干涉信號(hào)檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作2個(gè)具有特殊孔洞的光纖探針，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)備和復(fù)位的光纖光鑷，如圖7所示. 通過光干涉信號(hào)檢測技術(shù)可得到粒子在一定光阱力作用下的運(yùn)動(dòng)速度與加速度，由此通過斯托克斯公式可獲得待測環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)溫度傳感和測量功能. 這種溫度傳感裝置為光鑷技術(shù)在傳感研究領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的發(fā)展方向，解決了光鑷測量重復(fù)性問題，且便于與其他微光學(xué)設(shè)備平臺(tái)集成.

(a)溫度傳感器示意圖(在初始時(shí)刻，微粒被困在z0位置)

4.2 基于回廊模的液體染料激光器

相對(duì)于固體微球而言，在表面張力的作用下形成的微米級(jí)液滴是近乎完美的球體，被認(rèn)為是作為激光光學(xué)諧振腔的完美形狀[85-86]. 液體微液滴的形狀、大小和組成可以很容易地進(jìn)行調(diào)整，這為控制液體微激光器開辟了新的道路.

Liu等人[87]使用單光纖光鑷穩(wěn)定捕獲和控制摻雜有激光染料的液滴，利用光纖波分復(fù)用技術(shù)，將捕獲光源和泵浦光源耦合到圓錐臺(tái)型光纖探針的環(huán)形纖芯中，對(duì)液滴進(jìn)行捕獲、控制和激光泵浦. 當(dāng)泵浦光源能量低于激光閾值時(shí)，不產(chǎn)生激光，只能看到液滴發(fā)出的熒光. 發(fā)射液滴中摻雜的激光染料產(chǎn)生的熒光共振光譜，如圖8(a)所示. 當(dāng)泵浦光源的能量高于激光激發(fā)閾值時(shí)，激光激發(fā)將發(fā)生在液滴的薄層表面，可得到多縱模的激光光譜，當(dāng)液滴直徑為24 μm，泵浦能量為1.3 μJ時(shí)，測量的自由光譜范圍(FSR)是3.7 nm，如圖8(b)所示，此時(shí)除了熒光還可看到液滴發(fā)出的激光，如圖8(b)所示，此時(shí)除了熒光還可看到液滴發(fā)出的激光，泵浦脈沖能量與發(fā)射光譜峰值強(qiáng)度的關(guān)系如圖8(c)所示，其中相關(guān)關(guān)系被劃分為低斜率和高斜率線性區(qū)域，激光閾值由2條擬合直線的交點(diǎn)決定. 因此，當(dāng)油滴直徑為24 μm時(shí)，泵浦能量的閾值為0.7 μJ. 這種基于單光纖光鑷技術(shù)的激光激發(fā)方法為微液滴激光激發(fā)技術(shù)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的應(yīng)用途徑.

(a)摻雜液滴的熒光發(fā)射光譜和液滴發(fā)出熒光的圖像

4.3 基于光鑷技術(shù)的粒徑測量

光纖光鑷技術(shù)也可進(jìn)行粒子捕獲與粒徑測量. 相對(duì)于傳統(tǒng)測量粒徑的彈性散射法[88-90]和腔增強(qiáng)型拉曼光譜法[91-93]而言，光纖光鑷技術(shù)不需要借助笨重且昂貴的光學(xué)儀器，也不需要復(fù)雜的空間光路. Liu等人[94]利用同軸雙波導(dǎo)光纖的環(huán)形纖芯實(shí)現(xiàn)粒子捕獲，通過光纖中央纖芯發(fā)射和接收干涉信號(hào)，可根據(jù)干涉譜得到的FSR計(jì)算獲得被捕獲粒子的粒徑信息(圖9). 由于同軸雙波導(dǎo)光纖的2個(gè)纖芯中傳輸?shù)墓庀嗷オ?dú)立、互不影響，避免了信號(hào)之間的耦合和串?dāng)_，且該光纖探針的加工方式簡單、操作方便、體積小巧，有利于光纖集成化和芯片化的發(fā)展.

圖9 粒子直徑的變化導(dǎo)致干涉譜的FSR發(fā)生變化[94]，不同大小的聚苯乙烯小球的捕獲以及其所對(duì)應(yīng)的干涉譜

4.4 粒子曲線輸運(yùn)

光鑷技術(shù)不僅可使粒子實(shí)現(xiàn)直線式輸運(yùn)，同時(shí)也是使粒子曲線式輸運(yùn)幫助粒子越過障礙物進(jìn)行傳輸?shù)闹匾ぞ遊95-96]. 通過錯(cuò)芯拼接單模光纖與一定長度的階躍多模光纖，可得到不對(duì)稱的貝塞爾光束. 將多模光纖尖端熔融為半球形透鏡，可使其產(chǎn)生在自由空間中沿拋物線軌跡傳播的光束，并產(chǎn)生橫向加速度，從而對(duì)類貝塞爾光束進(jìn)行調(diào)制[97]. 這些光束具有接近貝塞爾函數(shù)的橫向場分布，它們?cè)诒３止馐靼甑那闆r下以可控的軌跡傳輸，如圖10所示. 圖10(b)展示了使用這種光束以拋物線軌跡驅(qū)動(dòng)和運(yùn)輸酵母細(xì)胞. 這種自加速光束使粒子能越過障礙物運(yùn)動(dòng)，在生物學(xué)和膠體科學(xué)中有廣泛的應(yīng)用.

(a)數(shù)值模擬光束傳播圖

4.5 粒子/細(xì)胞自組裝

捕獲和組裝多個(gè)粒子或細(xì)胞對(duì)于多種應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義，包括一般的生物光子器件[98-99]、細(xì)胞間相互作用和通信[100-101]、組織工程[102-103]和遺傳工程[104]. 由于光纖光鑷實(shí)現(xiàn)的捕獲是無創(chuàng)且精確的，它在粒子/細(xì)胞捕獲和組裝領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值.

基于單模光纖探針的粒子/細(xì)胞排列與自組裝如圖11所示. 圖11(a)展示的是不同尺寸的SiO2顆粒形成不同粒子數(shù)的粒子圖案(一維鏈和二維陣列)，且粒子形成的圖案可在三維空間中進(jìn)行控制[103]；圖11(b)為利用光纖探針對(duì)葉綠體的一維鏈?zhǔn)交蚨S陣列式排列[99]；圖11(c)是利用粒子自組裝的生物波導(dǎo)對(duì)紅細(xì)胞進(jìn)行雙向傳輸[101]. 這種多細(xì)胞捕獲和細(xì)胞排列為控制細(xì)胞間的接觸提供了靈活的方法，對(duì)研究細(xì)胞間的相互作用和通信有著重要意義.

(a)SiO2顆粒形成不同粒子數(shù)的粒子圖案(一維鏈和二維陣列)[103]

5 光纖光鑷技術(shù)用于光波粒二象性演示實(shí)驗(yàn)

在系統(tǒng)研究光纖光鑷的基礎(chǔ)上，哈爾濱工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院將光鑷這一前沿的科研成果及時(shí)與本科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，提出將光纖光鑷用于光波粒二象性的演示實(shí)驗(yàn)裝置[105]. 演示實(shí)驗(yàn)通過單光纖對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子的操縱展示光的輻射壓力和光子作用，證明光的粒子性. 另外，該演示實(shí)驗(yàn)利用光纖探針的反射光與被捕獲粒子表面反射光的雙光束干涉證明光的波動(dòng)性. 由于雙光束干涉光譜與被捕獲粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)，而粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由光輻射壓力控制，由此證明光的波粒二象性.

5.1 基于光鑷技術(shù)的波粒二象性演示實(shí)驗(yàn)的基本原理

5.1.1 光的粒子性

根據(jù)愛因斯坦的光量子假說[106-107]，光是由光子組成的，光子的能量與其頻率成正比，由此可得

式中，h是普朗克常量，λ是波長.基于愛因斯坦的質(zhì)能方程，對(duì)于任何運(yùn)動(dòng)的物體都可用

式中，E是能量，p是動(dòng)量，m0是靜止質(zhì)量，當(dāng)靜止質(zhì)量為零時(shí)，每個(gè)光子的動(dòng)量p=E/c.照射在物體上的光束可看作是1組具有動(dòng)量的連續(xù)光子如圖12(b)所示，通過這種方式，光子將動(dòng)量傳遞給物體，并產(chǎn)生穩(wěn)定的壓力，即光輻射壓力. 當(dāng)粒子在軸向上所受的重力、浮力和光輻射壓力達(dá)到平衡時(shí)，粒子處于平衡狀態(tài). 若保持光纖位置不變，在不同的光功率下，粒子會(huì)在不同的平衡點(diǎn)被捕獲，且光源功率越大粒子平衡點(diǎn)距離端面越遠(yuǎn)，這對(duì)粒子的光學(xué)捕獲和位置調(diào)節(jié)可演示光的粒子性.

5.1.2 光的波動(dòng)性

干涉與衍射是光波動(dòng)性的典型現(xiàn)象[108-109]，采用干涉方法可證明光具有波動(dòng)性，如圖12(a)所示，光束在光纖端面的反射光(beam 1)與被捕獲小球表面的反射光束(beam 2)發(fā)生干涉. 利用1 550 nm激光源作為信號(hào)光，獲得beam 1和beam 2干涉光信號(hào)，如圖12(c)所示，通過記錄與測量粒子運(yùn)動(dòng)過程中的干涉信號(hào)可演示光的波動(dòng)性.

圖12 波粒二象性原理示意圖[105]

5.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

光波粒二象性演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示，利用波分復(fù)用器(WDM)將980 nm泵浦激光與1 550 nm檢測信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)焦饫w探針端面并作用于目標(biāo)粒子上. 光纖端面反射光與目標(biāo)粒子表面的反射光發(fā)生干涉，干涉光通過光纖環(huán)形器(OC)，再利用光電轉(zhuǎn)換器將光干涉信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用數(shù)據(jù)采集卡呈現(xiàn)光干涉信號(hào). 目標(biāo)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)亦可通過與CCD相連的電腦屏幕直接展示.

圖13 波粒二象性實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[105]

5.3 光的波粒二象性演示實(shí)驗(yàn)

5.3.1 光的粒子性

在光纖探針對(duì)粒子實(shí)現(xiàn)捕獲后，只調(diào)整980 nm激光器功率，光纖探針不做任何移動(dòng)，增加980 nm激光光功率，粒子被困在離探針更遠(yuǎn)的位置，如圖14所示. 這表明：增大光強(qiáng)會(huì)增加被捕獲粒子所受的光輻射壓力，使之向上運(yùn)動(dòng)；減小光功率，粒子向下運(yùn)動(dòng)靠近光纖探針. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)明確說明了被捕獲粒子所受到的光輻射壓力，從而驗(yàn)證了光具有波粒二象性中的粒子性.

圖14 通過不同的光功率強(qiáng)度得到不同的平衡位置[105]

5.3.2 光的波動(dòng)性

當(dāng)980 nm激光器光功率從1 mW直接增加到4.5 mW時(shí)，粒子瞬間獲得速度與加速度，開始向上移動(dòng)，這里將粒子上升開始后的第2 s記為時(shí)間0 s，圖15(a)顯示了不同粒子狀態(tài)的圖像，圖15(b)是一些時(shí)間不連續(xù)的雙光束干涉譜線，圖15(c)顯示了被捕獲粒子的速度和加速度及其擬合曲線.

(a)展示各種粒子狀態(tài)圖像

圖15(a)可得，干涉譜頻率的減小說明加速后粒子的上升階段速度減小，被捕獲的粒子在離纖維末端面越遠(yuǎn)時(shí)，受到的光輻射壓力越小，在此期間，作用在粒子上的總向上力逐漸減小到零，此時(shí)粒子上升到足夠高的平衡位置. 隨后，980 nm的泵浦激光被關(guān)閉，粒子在約73.5 s時(shí)開始下落. 可以看到，在粒子下落的過程中，干擾信號(hào)的頻率增加，粒子的速度增加. 由于粒子的雙光束干涉譜與粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)，而粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由光輻射壓決定，因此通過以上實(shí)驗(yàn)證明了光的波粒二象性.

光纖光鑷演示實(shí)驗(yàn)很好地從實(shí)驗(yàn)上解釋了光的波粒二象性，使光學(xué)專業(yè)的學(xué)生對(duì)光學(xué)的基本概念有較好的理解. 同時(shí)也讓學(xué)生熟悉了基本的光學(xué)儀器和器件，可以提升他們對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣.

6 結(jié)束語

本文綜述了近年來光纖光鑷在微觀光學(xué)粒子操縱方面的研究進(jìn)展，利用微結(jié)構(gòu)多芯光纖的多功能光鑷實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的多種形式操縱，利用單模光纖模式實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的功能性操作以及利用調(diào)制的全光纖貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)全能型光纖光鑷. 介紹了光纖光鑷對(duì)目標(biāo)粒子的捕獲、旋轉(zhuǎn)、輸運(yùn)、振動(dòng)等操作，列舉了光纖光鑷技術(shù)在溫度傳感、染料激光器、粒徑測量和粒子輸運(yùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用，并探討了光纖光鑷技術(shù)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的光波粒二象性演示實(shí)驗(yàn)的研究性教學(xué). 基于光纖的光鑷系統(tǒng)易于控制，是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞研究、生命科學(xué)探索和光學(xué)微裝配的強(qiáng)大工具. 各種類型的光纖光鑷在物理化學(xué)、細(xì)胞分選、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，表明光纖光鑷在探索微觀世界中的重要作用. 光纖光鑷技術(shù)為多學(xué)科多領(lǐng)域的協(xié)同合作提供了新的研究方法.