專利名稱：：基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種光纖光鑷，具體涉及一種基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法。
背景技術：
：光鑷是Askin于1986年提出的，見OpticsLetters,11(5),288-290，1986，其原理是基于一大數值孔徑的會聚透鏡形成一束高度會聚光，在會聚點附近的微粒由于受到較大的梯度力，可以克服其自身重力和散射力而被捕獲，捕獲之后可以進行三維移動。傳統的光鑷體積大，操作不方便。1993年Constable等人提出了一種基于光纖端面的雙光束光鑷，見OpticsLetters,18(21)，1867-1869，1993，其后很長一段時間內，后來被發展成為光學拉伸器(OpticalStretcher)，見BiophysicalJournal，81，767-784，2001。這種光纖雙光束光鑷的體積大大減小，但不能實現微粒的三維操控。專利號為ZL200710072626.3的中國發明專利“小芯徑超高數值孔徑錐體光纖光鑷及其制作方法”公開了一種單光纖光鑷制作方法，采用光纖芯徑小于3微米，數值孔徑大于0.33，并采用研磨的方法形成30-120°錐角。該方法采用的光纖屬于特種光纖，必須專門定制，成本較高。專利號為ZL200610151087.8的中國發明專利“拋物線形微結構單光纖光鑷的熔拉制作方法”公開了一種單光纖光鑷制作方法，采用熔融拉錐的方式制作，其制作重復性較難保證。
發明內容本發明所要解決的問題是如何提供一種基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，該方法能克服現有技術中所存在的缺陷，成本低、步驟簡單、重復性好、適宜批量制作。本發明所提出的技術問題是這樣解決的提供一種基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，包括以下步驟①將漸變折射率多模光纖涂覆層剝除，清潔后放入氫氟酸溶液，在氫氟酸溶液表面覆蓋一層異辛烷，防止氫氟酸揮發；②經過時間t的腐蝕，光纖在腐蝕液面以下的部分被腐蝕掉，在腐蝕液表面，由于液面張力的作用，光纖端被腐蝕成錐形得到光纖錐；③清洗掉步驟②得到的光纖錐上殘余的腐蝕液，然后吹干或者晾干；④步驟③得到的漸變折射率多模光纖一端為光纖錐，將另一端切割，切割長度為L,L滿足Lmin<L<Lmax，其中Lmax=mp，Lmin=(m-1/4)p+rmaxtan3，m為正整數，p為漸變折射率多模光纖的數值孔徑，為子午光線在徑向偏離光纖軸線的最大值，0為腐蝕制作的光纖錐半角，0滿足0>e(0)，0(0)為子午光線在漸變折射率多模光纖中傳輸時與光纖軸線的最大夾角；⑤將步驟④所得的切割端與普通單模光纖熔接，當一束激光耦合進普通單模光纖時，漸變折射率多模光纖錐的輸出光場形成一單光纖光鑷。按照本發明所提供的基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，其特征在于，步驟②的腐蝕時間t>、，、為漸變折射率多模光纖在腐蝕液面以下的部分被腐蝕掉所需的時間。按照本發明所提供的基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，其特征在于，步驟①中清潔采用脫脂棉或無塵紙清潔；步驟③中晾干過程是置于無塵環境中晾干，吹干過程采用吹風機吹干。本發明的有益效果是本發明利用氫氟酸腐蝕液表面張力將漸變折射率光纖腐蝕成光纖錐，可以加大光場的會聚角，形成較大的梯度力，更容易形成光鑷。另一方面，采用漸變折射率多模光纖，利用其自聚焦特性，并選擇適當的光纖長度來控制出射光場的會聚角，通過這種方法來調節該單光纖光鑷的捕獲能力和作用距離。該基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，具有成本低、步驟簡單、重復性好、適宜批量制作等優點。圖1為腐蝕漸變折射率多模光纖的示意圖；圖2為腐蝕前漸變折射率多模光纖的結構示意圖；圖3為腐蝕過程中漸變折射率多模光纖結構示意圖；圖4為腐蝕后形成的漸變折射率多模光纖錐的結構示意圖；圖5為漸變折射率多模光纖中光的傳輸路徑及出射光束的幾何光學示意圖；圖6為漸變折射率多模光纖中光的傳輸路徑及光纖錐的出射光束的幾何光學示意圖；圖7為單光束光鑷系統的結構示意圖；其中，1、塑料容器，2、氫氟酸溶液，3、異辛烷，4、漸變折射率多模光纖，5、氫氟酸一異辛烷界面，6、漸變折射率多模光纖包層，7、漸變折射率多模光纖纖芯，8、微孔，9、漸變折射率多模光纖錐，10、微球，11、穩定捕獲點，12、激光器，13、光纖耦合器，14、功率計，15、普通單模光纖，16、光纖錐，17、樣品液滴，18、載物臺，19、光源，20、濾光片，21、透鏡，22、物鏡，23、攝影目鏡，24、(XD，25、三維精密位移臺。具體實施例方式下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步描述基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，包括以下步驟在塑料容器1中放入適量氫氟酸溶液2，將漸變折射率多模光纖4涂覆層剝除后，用脫脂棉或無塵紙清潔光纖包層表面，將清潔后的漸變折射率多模光纖放入氫氟酸溶液2中，如圖1所示；然后在氫氟酸溶液表面覆蓋一層異辛烷3，防止氫氟酸揮發，腐蝕前漸變折射率多模光纖如圖2所示，氫氟酸一異辛烷界面5與光纖包層接觸的部分由于液面張力形成一定的弧度，經過一段時間的腐蝕，光纖在腐蝕液面以下的部分逐漸被腐蝕掉，這一般分為兩部分，一部分是腐蝕液從包層6沿徑向向纖芯7腐蝕，同時腐蝕液也從光纖端面開始腐蝕；一般說來，纖芯摻雜如摻鍺會導致纖芯的腐蝕速度比包層快，因此會在纖芯部分形成一個微孔8，由于氫氟酸一異辛烷界面5液面張力的作用，光纖端被腐蝕成光纖錐9；清洗掉光纖錐上殘余的腐蝕液，然后置于無塵環境中晾干或用吹風機吹干；將光纖錐的另一端切割，切割后的光纖端與普通單模光纖熔接。切割后的光纖端面到光纖錐尖端的長度L必須滿足Lmin<L<L_，其中L_=mp,Lfflin=(m-l/4)p+r_tan0，m為正整數，p為漸變折射率多模光纖的數值孔徑，r_為光線軌跡在徑向偏離光纖軸線的最大值，0為腐蝕制作的光纖錐半角。當一束激光耦合進普通單模光纖時，漸變折射率多模光纖錐9的輸出光場形成一單光纖光鑷。圖5為漸變折射率多模光纖中光的傳輸路徑及出射光束的幾何光學示意圖。根據幾何光學理論，光在漸變折射率多模光纖中會發生周期性的會聚。圖5中的Ln表示漸變折射率多模光纖的節距，0表示出射光場與z軸的夾角。一般而言，若漸變折射率多模光纖的節距遠大于光纖纖芯，近軸光線在光纖中以周期為Ln的正弦波軌跡傳輸，此時圖5中出射光場與z軸的夾角e較小，很難直接形成較大的梯度力從而構成光鑷。通過上述腐蝕過程制作漸變折射率多模光纖錐9，并通過選擇漸變折射率多模光纖的長度，從而使出射光場高度會聚，形成光鑷。如圖6所示，當光纖錐輸出的會聚光場作用于微球10時，在光鑷力的作用下微球10被捕獲并束縛在會聚點附近的區域11。以下是本發明的具體實施例采用980nm激光器12激發單光纖光鑷。激光器12輸出的激光經光纖耦合器13分為兩束，耦合比為1:99，其中一束由功率計14監測激光功率，另一束經一段普通單模光纖15連接漸變折射率多模光纖錐16。光纖錐16在樣品液滴17中捕獲微球或生物樣品微粒。樣品液滴放置于載物臺18上。單光纖光鑷捕獲操控微球的過程由光學觀測系統實時監測，觀測系統包括光源19、濾光片20，透鏡21，物鏡22，攝影目鏡23，(XD24。(XD相機一般與計算機連接，便于顯示和記錄。光纖錐的位置可通過三維精密位移臺25來調節，從而實現微球或微粒的三維移動。權利要求一種基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，包括以下步驟①將漸變折射率多模光纖涂覆層剝除，清潔后放入氫氟酸溶液，在氫氟酸溶液表面覆蓋一層異辛烷，防止氫氟酸揮發；②經過時間t的腐蝕，光纖在腐蝕液面以下的部分被腐蝕掉，在腐蝕液表面，由于液面張力的作用，光纖端被腐蝕成錐形得到光纖錐；③清洗掉步驟②得到的光纖錐上殘余的腐蝕液，然后吹干或者晾干；④步驟③得到的漸變折射率多模光纖一端為光纖錐，將另一端切割，切割長度為L，L滿足Lmin＜L＜Lmax，其中Lmax＝mp，Lmin＝(m-1/4)p+rmaxtanβ，m為正整數，p為漸變折射率多模光纖的數值孔徑，rmax為子午光線在徑向偏離光纖軸線的最大值，β為腐蝕制作的光纖錐半角，β滿足β＞θ(0)，θ(0)為子午光線在漸變折射率多模光纖中傳輸時與光纖軸線的最大夾角；⑤將步驟④所得的切割端與普通單模光纖熔接，當一束激光耦合進普通單模光纖時，漸變折射率多模光纖錐的輸出光場形成一單光纖光鑷。2.根據權利要求1所述的基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，其特征在于，步驟②的腐蝕時間t>t0,t0為漸變折射率多模光纖在腐蝕液面以下的部分被腐蝕掉所需的時間。3.根據權利要求1所述的基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，其特征在于，步驟①中清潔采用脫脂棉或無塵紙清潔；步驟③中晾干過程是置于無塵環境中晾干，吹干過程采用吹風機吹干。全文摘要本發明公開了一種基于腐蝕漸變折射率多模光纖的單光纖光鑷制作方法，包括以下步驟將漸變折射率多模光纖涂覆層剝除后浸入氫氟酸溶液進行腐蝕，氫氟酸溶液表面覆蓋一層異辛烷防止腐蝕液揮發；光纖在腐蝕液面以下的部分被腐蝕掉；在腐蝕液表面，由于液面張力的作用，光纖端被腐蝕成錐形；當漸變折射率多模光纖的長度滿足一定條件時，可實現單光纖光鑷。本發明利用腐蝕方法制作單光纖光鑷，該方法成本低、步驟簡單、重復性好、可批量制作光纖光鑷，還可以通過控制光纖長度來調節光纖光鑷的作用距離。文檔編號G01N15/00GK101852890SQ20101002805公開日2010年10月6日申請日期2010年1月8日優先權日2010年1月8日發明者饒云江,龔元申請人:電子科技大學