微米級錐形光纖的近場光鑷

趙 宇, 楊德超, 陳 浩, 張安富, 張文棟, 薛晨陽, 閆樹斌

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室, 山西 太原 030051;2.中北大學 儀器與電子學院, 山西 太原 030051)

引言

20世紀初期，開普勒提出的光輻射壓力得到實驗證實。1970年，貝爾實驗室的A.Ashkin等人[1]首次利用高數值孔徑(NA=1.25)的物鏡會聚激光束產生的光輻射壓力實現了對微粒的三維捕獲。光操縱(光鑷)技術是基于光的力學效應原理來實現對微粒的捕獲和操縱的，可以對微粒進行無損傷、無接觸、無侵害的操縱，克服了傳統機械操作的缺陷，已經廣泛應用于生命科學、生物化學領域。

1992年，Kawata等人[2]利用高折射率棱鏡全反射產生的倏逝場對微粒進行操縱，粒徑為6.8 μm的介電微球在倏逝場的作用下沿著棱鏡的表面運動。該實驗奠定了近場光學微操縱的研究基礎。不同于傳統光鑷，近場光鑷技術是基于近場光學中倏逝場的特性，其捕獲范圍高度局域在界面表面幾十到幾百納米的范圍內，不受光學衍射極限的約束，可以提高微球捕獲的范圍和精度。

隨著近場光學理論的不斷發展，延伸出了基于倏逝場多種類型的光鑷。1997年，Lukas等人[3]利用激光照射鍍金屬膜的納米探針尖端，產生局域的場增強效應，實現微粒的穩定捕獲；2004年，Min Gu等人[4]利用大數值孔徑的物鏡對環形光束進行會聚，在玻璃-溶液界面發生全反射，不僅實現了對直徑為2 μm微球的捕獲，而且對紅細胞進行了拉伸、折疊和旋轉等操作。2008年，Murugan等人[5]利用微米級光纖光鑷實現了對直徑為10 μm的聚苯乙烯微球的捕獲。微米級光纖光鑷是利用錐形光纖表面的倏逝場來實現對微粒的捕獲和操縱?；谖⒚准夊F形光纖的近場光鑷實驗系統簡單，在單微粒操縱研究中有廣闊的應用前景。

本文使用錐腰直徑為2 μm的錐形光纖，實現微納光纖光鑷對微球的捕獲和操縱。同時，測試了在設定條件下，微球沿著光纖中光束傳播方向運動的速率，為后續近場光鑷技術的研究奠定了基礎。

1 光纖表面倏逝場強度

如圖1所示，在光纖表面微球主要受到2個力的作用：梯度力和散射力。梯度力來自微球中電偶極矩在不均勻電磁場中受到的力，它正比于光強梯度的平方，指向光場強度的最大處，使微球被穩定俘獲到光纖表面。散射力為光在散射過程中與光子交換動量而獲得，其方向沿著光的傳播方向，使微球沿著光束的傳播方向運動[6]。因此，為實現微球的穩定捕獲，必須有足夠強的倏逝場。

圖1 微球在錐區受力情況簡圖Fig.1 Analysis diagram of microspheres on tapered area

光纖中通入為高斯光，在柱坐標系下，基模高斯光束沿Z軸的表達式為[7]

(1)

式中：A0為高斯光束的振幅常量；w0為高斯光束的束腰尺寸；w(z)為高斯光束的束寬；R(z)為高斯光束等相面曲率半徑，

(2)

(3)

當高斯光束與光纖Z軸夾角為θ，經柱坐標與直角坐標的變換：

(4)

在不考慮相位的條件下，基模高斯光束的表達式為

(5)

(6)

式中，p為入射光功率。

(7)

光波由光密介質(n1)進入光疏介質(n2)時，在界面上會發生全反射，倏逝場的表達式為[8]

(8)

因為只有透射光在界面上，所以E2=T·E1，T是振幅的透射率。因此可以得到光纖包層外倏逝場的表達式為[9]

(9)

則光強分布為

(10)

仿真參數：激光功率0.5 W；波長1.064 μm；激光的束腰半徑1 μm；光纖纖芯折射率n1=1.468 1；光纖包層折射率為n2=1.462 8；全反射角設為86°。

從圖2中可以明顯看出，光纖表面的倏逝場強度隨著距離的增加，逐漸減小。Z=1 000 nm處的倏逝場強度比Z=10 nm處的強度減小了約40倍。但是，在實驗室中，微球與光纖的距離難以人為控制。所以，為提高微球捕獲的幾率，要使光纖整個錐區浸沒在液體中。

圖2 距離光纖表面不同位置處倏逝場強度的分布(z=10 nm,100 nm,500 nm,1 000 nm)Fig.2 Evanescent field intensity distributions of fiber at different positions (z=10 nm,100 nm,500 nm,1 000 nm)

2 實驗

2.1 實驗系統

搭建如圖3所示的實驗系統：帶尾纖激光器(p=1 W，中心波長1 064 nm)的輸出與偏振控制器(FPC560)相連。選用波長為1 064 nm的激光，是因為這個波長對生物體來說是透明的，吸收很少，不會因為熱效應使生物體受損[10]。利用光纖拉錐機，把普通的直徑為125 μm的單模光纖(Corning HI 1060)拉制成錐腰直徑為2 μm的錐形光纖。光纖兩端固定在刻槽的玻璃襯底上，其中，光纖的一端與偏振控制器相連，另外一端與功率計相連，來監測光纖的輸出功率。直徑3 μm的聚苯乙烯微球與去離子水溶液1∶100配比成均勻液體。把液體滴在光纖錐區所在的槽型結構中，在上方用CCD觀察系統來實時觀測錐區微球的運動情況。同時，為避免液體的蒸發和外界環境的影響，在槽型結構上加蓋載玻片，構建密閉的環境。

圖3 光纖光鑷實驗系統圖Fig.3 Diagram of fiber optical tweezers experimental system

2.2 實驗結果與討論

在圖4中，打開激光器時可以看到顆粒穩定懸浮在光纖附近。然而，在t=2 s關斷激光器，從圖5可以明顯看到微球逐漸離開光纖，而且距離越遠，微球運動的速度越快。這表明，光纖通光時，錐區產生的倏逝場對微球有梯度力的作用，使微球在光纖附近處于平衡狀態。當光纖不通光，倏逝場消失時，微球的平衡狀態被打破，進而隨著液體的擴散運動。

圖4 激光開通時，微球在光纖附近處于平衡狀態Fig.4 When laser turns on, microspheres are in balance near the fiber

圖5 激光關斷后，微球逐漸遠離光纖Fig.5 When laser turns off, microspheres move away from fiber

在光場作用下，不僅可以觀察到倏逝場對微球力的作用，還能實現微球的捕獲和操縱。在圖6中，光纖通光時，微球在錐區倏逝場的作用下被吸引到光纖表面，同時微球受到散射力的作用，沿著光束的傳播方向運動，其運動速度約為5.3 μm/s。由于光纖表面各處的平滑度以及場強不同，因此微球的運動速度不同。

圖6 激光開通，微球沿光纖表面運動Fig.6 When laser turns on, microspheres move along fiber surface

為保證光纖表面有大的梯度力，光纖錐區直徑必須足夠小，本實驗使用錐腰直徑為2 μm。然而，光纖錐區直徑符合要求時，還要確保微球受到錐形光纖表面倏逝場的作用，而非透射光的影響。因此，需要對拉錐后的光纖進行挑選。

如圖7所示，2個拉伸長度均為28 mm的光纖，通光后分別在紅外CCD下觀察。圖7(a)，光纖錐區彎曲，通光后，可以看到錐區有大量的透射光，透射光對實驗帶來的影響比較大，不適合應用在近場光鑷的實驗中。圖7(b)，光纖錐區沒有彎曲，通光后，可以看到錐區基本無透射光出現，適合應用在近場光鑷的實驗中。

圖7 不同光纖錐區對比圖Fig.7 Comparison chart of different tapered fibers

實驗中，為使聚苯乙烯微球均勻、穩定地分散在去離子水中，需要在液體中添加離子型表面活性劑[11]。表面活性劑對微球的作用主要包括以下過程: 1) 微球的潤濕。表面活性劑可以作為潤濕劑，在微球表面形成吸附層，降低微球與液面間的表面張力，增加了微球在水中的分散能力; 2) 微球的分散。離子型表面活性劑通過對微球的特性吸附，改變微球表面的電荷狀態，使微球帶上同種電荷，從而使它們相互排斥而分散開來，阻止了微球的重新聚集[12-14]。

離子型表面活性劑不僅有助于微球在液體中的分散，而且減少了它們在光纖上的粘附，如圖8所示。從圖中可以看出，使用表面活性劑處理微球后，靜止相同時間，不僅微球的聚集現象消失，并且粘附在光纖上的微球數量明顯減少，有利于實驗現象的觀察。

圖8 表面活性劑對微球的作用Fig.8 Influence of surfactant on microspheres

3 結論

本文利用MATLAB軟件分析了光纖表面的倏逝場強度分布。實驗中，利用錐腰直徑2 μm的錐形光纖錐區的倏逝場，對直徑3 μm的聚苯乙烯微球進行了捕獲和操縱。錐區倏逝場不僅使微球可以在光纖附近處于平衡狀態，而且可以捕獲微球并使其沿著光束的傳播方向運動，微球沿光纖的運動速度約為5.3 μm/s。微納光纖光鑷對單微球的亞接觸、無損傷操縱在生物傳感以及生物醫學中(靶向給藥)擁有廣闊的應用前景。

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