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单光纤光镊技术研究 摘要 本课题对光纤光镊的一种单光纤光镊进行了系统的研究。单光纤光 镊简单易用、成本低，比传统光镊更利于推广与工程应用。本文首先探讨了 单光纤光镊实现的可能性，将电磁场动量守恒定律与f d t d 方法结合，使得 光纤光场的计算与光阱力计算联系起来，利用这种方法能够对任意形状光纤 出射光场和特殊形状粒子的受力情况进行分析，从而解决了单光纤光镊计算 上的难题。分析了不同形状光纤端出射光场，讨论了锥角与出射光斑的关系， 系统分析了构成单光纤光势阱的诸要素，总结出了单光纤出射光场构成三维 光势阱的条件。 详细讲述了单光纤光镊中所用光纤针的制备方法，搭建了实用化的单光 纤光镊系统，利用该系统可以方便地实现多种光纤光镊方案，并最终实现了 三种基于不同光纤针形式单光纤光镊，利用单光纤光镊实现了酵母细胞的三 维捕获与移动，利用两路抛物线型单光纤光镊实现了酵母细胞在两个光势阱 间的转移与交接以及空间状态的调整，实现了酵母细胞在水中布朗运动的观 测和布朗运动力的测量。测量了多种单光纤光镊的最大光阱力与光功率的关 系，为单光纤光镊的应用奠定了基础。 关键词：光镊；光纤光镊；单光纤光镊；光阱力；f d t d 哈尔滨工程大学博士学位论文 a b s t r a c t s i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r sw h i c hi san e wk i n do f f i b e ro p t i c a lt w e e z e r sa l e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lo p t i c a l t w e e z e r ss i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r si sm o r es u i t a b l ef o rp r a t t l e a lr i s ew i t l li t s h a n d l i n gf l e x i b i l i t ya n dl o wc o s t 1 1 1 cp o s s i b i l i t yo ff o r m i n gas i n g l ef i b e ro p t i c a l t w e e z e r si sd i s c u s s e d t h ec o m p u t a t i o no ft h eo d t i c a lw a p p i n gf o r c ei sa c h i e v e d b yu s i n gaf d t d ( f i n i t e - d i f f e r e n c e - t i m e d o m a i n ) m e t h o d c o m b i n i n gf d t d m e t h o d 、i t he l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o m e n t u mc o n s e r v a t i o nl a w , t h ec a l c u l a t i o no f o p t i c a lf i b e rl i g h tf i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h ec a l c u l a t i o no fo p t i c a lt r a p p i n gf o r c e a l er e l a t e d 删st e c h n i q u eh a sb e e nu s e dt oe a l c u l a t et h el i g h tf i e l dd i s t f i b u t i o n f r o md i t i e r e n tt y p e so ff i b e rp r o b e sa n do p t i c a lf o r c e se x e r t e do nd i 位r e n t p a r t i c l e s b a s e do i lt h e s en u m e r i c a lr e s u l t s 。t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo u t r u tl a s e r b e a m ss p o ts i z ea n dt h ef i b e rp r o b e st a p e ra n g l ei s 五v e i la n dt h ed e p e n d e n c eo f t h e3 一do p t i c a lt r a po nt h eo u t p u tl a s e rb e 锄i sa l s od i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o no n t h ec o n d i t i o n sf o rf o t m i n gs i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r si sf i n a l l yp r e s e n t e d t h ef a b r i c a t i o nm e t h o do f f i b e rp r o b eu s e di nt h es i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r s i se x p a t i a t e d ，a n dt h es i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r ss y s t e mi ss e tu p b a s e do nt h e s y s t e m , m a n yk i n d so ff i b e ro p t i c a lt w e e z e r sc o u l db ee a s i l yc o n s t r u c t e d t h r e e t y p e so fs i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r sa r ei n t r o d u c e d b yu s i n gt h e s es y s t e m st h e 3 - dt r a p p i n ga n dm a n i p u l a t i o no fy e a s tc e l l si nw a t e ri s e a s i l y 扯h i e v e d f u r t h e r m o r ew i t ht w oo fs u c hs y s t e m s 也et r a n s p o r t a t i o no ft h ec e l l sf r o mo n e t w e e z e r st ot h eo t h e rt w e e z e r si sa c h i e v e da n dt h ec e l l s s p a t i a ls t a t ec a l lb e a d j u s t e dt o o n l eb r o w n i a nm o t i o no ft h et r a p p e dy e a s tc e l li nw a t e ri so b s e r v e d a n dt h eb r o w r d a nm o t i o nf o r c ci sm e a s u r e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l k st h e m a x i m u mo p t i c a lt r a p p i n gf o r g e so fd i f i e r e n tt y p e so fs i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r s v e r s u st h ei n p u to p t i c a lp o w e ti si l l u s t r a t e d t l l i sw o r kh a sg r e a ts i g n i f i c a n tf o rt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r s i ti so fi m p o r t a n c e r e f e r e n c ev a l o et oo p t i c a lt w e e z e r s 朋恻强r c hi ni n s t r u m e n td e s i g na n di t sw i d e r a p p l i c a t i o ni nl i f es c i e n c ea n db i o g r a p h yt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：o p t i c a lt r a p ；f i b e ro p t i c a lt w e e z e r s ；s i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r s ； o p t i c a lt r a p p i n gf o r c e ；f d t d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 7 年1 月1 5 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 光学捕获理论是建立在光的辐射力基础上的。量子理论认为，光是一群 以光速运动的、既有质量又有动量的光子流。光辐射场与物体的相互作用会 使物体受到光辐射力的作用。激光捕获就是利用激光的动力学效应实现对微 粒的稳定捕获。 由于光镊使用无形的光束来实现对微粒非机械接触的捕获，不会产生机 械损伤，而光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度， 是“遥控”的操作，因而几乎不影响粒子的周围环境。加之生物微粒对光穿 透性等特点，光镊技术特别适用于活体生物微粒。光镊对微粒的操控不是刚 性的，可以在操作过程中实时测量微粒间的微小相互作用力，因而光镊又是 粒子相互作用过程中力的探针或称为力的传感器。这使得光镊不但是操控微 小粒子的机械手，同时又是研究微小粒子静态和动态力学特性的理想工具。 基于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小。 其几何尺寸和短工作距特性，限制了常规光镊的应用，使其很难操纵位于狭 窄位置( 如深孔中) 的微粒，也不易实现多光镊操纵。这些固有的缺点限制 了其作为生物粒子微操纵工具的应用。新发展的光纤光镊技术较好地解决了 这些问题。利用光纤出射光场构成光镊，使光阱及其操纵与光学显微镜分离。 光学显微镜只起观测作用，这就改善了常规光镊仪器所存在的弊端。 目前，人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、 弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用 力、及对膜体系进行定量研究。此外，光镊技术还可应用于微小颗粒的捕 获、排列和显微制造等领域。 光镊技术已受到世界各国，特别是技术发达国家和地区的科技工作者 l 哈尔滨r 1 = 程大学博士学位论文 的广泛关注，这一技术在生物学和仪器学等众多学科领域得到广泛和深入 的研究。随着光电器件性能的进一步提高和光镊技术的进步，光镊必将得 到越来越广泛的应用。 1 1 1 传统光镊技术 当光辐射到物体上时，由于动量的传递，光会对被辐射物体施加一定的 力。早在1 7 世纪，德国的天文学家开普勒就预见到，慧尾之所以背向太阳的 原因是其受到太阳辐射的作用力。而后出现的麦克斯韦电磁学理论说明光本 身可以产生辐射压力。 到2 0 世纪6 0 年代，激光的出现使得对光辐射压进行研究成为可能。 在这一领域，贝尔实验室的a s h k i n 做了开创性的工作。1 9 7 0 年a s h k i n 首 次报导了水中直径为l p m 的乳胶微球在沿水平方向高斯激光束( 功率为1 w 的连续氩离子激光) 中运动的观察结果。a s h k i n 还使用了两束等强激光相 向照射，使微粒平衡在两个束腰之间，并称之为光夹持。1 。1 9 8 6 年a s h k l n 等人采用单束强汇聚激光在水溶液中成功地完成了对介质微粒的稳定的三 维光学捕获啪，并证明了这种光阱可以无损伤地操纵活体物质“一。由于该 光阱仅仅使用一束激光形成，所以称这种光阱为单光束梯度力光阱，也就 是人们通常所说的光镊。 光镊能够操纵微小粒子及其在生命科学中的应用的潜力引起科学界的 极大兴趣。国际上几个知名的实验室和大学，如贝克曼研究室、普林斯顿 大学、罗兰得科学院、斯坦福研究中心、海德堡大学等首先开展了对光镊 的研究“。 常规单光阱光镊仪器都是将从激光器发出的激光束，经扩束器和光强 调节器后进入倒置生物显微镜系统，被双向色分束器和高倍显微物镜汇聚 后形成光焦点光阱，由于梯度场光阱的作用将样品中的微粒捕获于焦点附 2 第1 章绪论 近。该样品在显微镜照明光源的照射下，经显微物镜、双向色分束器、减 光器、分束器和目镜后，可用于人眼观察样品。经双向色分束器透射后的 光束，经普通分束器后部分被反射，并经透镜将样品成像于c c d 实现实时 控制。 图1 1 常规光镊系统 f i g 1 1t r a d i t i o n a lo p t i c a lt w e e z e r ss y s t e m 光镊技术作为一种崭新的光学微操纵手段，广泛的用途使其得到了足 够的重视。由于研究者所开展的工作和所研究的具体对象不同，对光镊系 统的配置及特点也都有着不同的要求，所以众多具有仪器研制能力的实验 室都在研制符合自己要求的光镊系统。 人们还将微位移及微作用力测量装置组合到光学系统，以进行定量的 生物学力学特性研究。c c d 光学重心提取法“、四象限光电二极管法“” 均可实现精确的位移测定。布朗运动记录分析法“”、流体力学法旧可用于 光阱力与位移关系( 即光阱刚度) 的标定。 为了扩展光镊的应用范围，人们还将它与其它依赖于激光的显微成像 技术，如荧光成像、微分干涉衬成像、激光刀、激光共焦扫描、探针扫描 等技术相结合。此外，仪器设备的实用化、小型化和经济化也是人们关心 哈尔滨工程大学博士学位论文 的主要问题。 近年来，我国已有几个研究组先后开展了光镊仪器及其应用的研究工 作。中国科技大学光镊微操纵研究室是国内最早研究光镊及其生物应用的 单位。他们不仅对光作用力进行了分析，并在生物应用方面进行了积极探 索，实现了对生物细胞的捕捉和操纵，并把光镊和光刀这两个各具特色的 工具结合起来，构成细胞操作和手术系统，为有效地进行生物研究奠定了 良好的硬件基础“”1 。云南师范大学啪删、中国科学院物理研究所“5 “”和 清华大学刚”，西安交通大学“1 ，北京大学“、天津大学、苏州大 学。“、燕山大学删等单位也分别对光镊的机理与应用进行了分析与探索。 光镊技术的基础研究和基于国产化光学器件的先进光镊仪器的研制是 制约生命科学和生物工程进一步发展的瓶颈。光镊技术在国内的应用面还 很窄、研究者也相对较少、研究成果尚缺乏新颖性与创新性。不过，近年 来光镊技术已逐渐得到我国学者的重视，己经纳入我国多个国家重点研究 计划。国家自然科学基金委早在1 9 9 7 年就列项支持光镊的研究。在2 0 0 2 年支持的重大基金项目中又把有关光镊技术的研究作为其重点研究内容。 在2 0 0 2 年支持的有关纳米科技的重大研究计划中，也把光镊技术作为一个 长远发展方向列入申请指南。有关光镊的技术、装置和应用的研究也得到 8 6 3 、9 7 3 等国家计划的关注和支持。中科院专门成立的纳米中心，光镊技 术也被列入其中。 1 1 2 多光镊技术 随着光镊应用领域的不断扩大，研究者们已经不满足于用光镊对物体进 行简单的移动和捕获。应用上的需求引导着光镊仪器研究的热点向多光阱光 镊仪器转移。s i m m o n sr m 、f a i l m a ne 等人利用偏振分光棱镜实现了光束的 分解与耦合，并用常规的光学转镜和声光偏转器实现了光阱位置的精确控制 4 第1 章绪论 与相对变化，成功地研制了具备两个独立光阱的双光阱光镊“。对于多光阱 系统的构建来说，m i o 等人通过分时使用同一束激光，在多个位置快速地来 回扫描，在捕获平面内形成多个光阱嵋盯。若扫描速度足够快，则各个光阱性 能稳定。o g u r a 等人采用垂直腔面发射激光( v c s e l ) 阵列作为光阱光源，使用 8 x 8v c s e l 阵列并结合常规光学系统构建了多光阱系统嘲。但由于v c s e l 光 源功率不足，光阱稳定性不够理想。 全息光镊采用计算机设计的衍射光学元件( d o e ) ，它把单个入射光束 分割成多个光束，每个光束经显微物镜聚焦形成一个光阱，因此全息光镊可 以用来构造多光阱阵列。1 9 9 8 年，d u f r e s n e 等人首次采用这种方法构造出了 一个4 x 4 排列的方形光阱阵列，成功地在去离子水中捕获了1 6 个半径为0 5 l u n 的s i 0 2 微球【5 8 1 。随后，他们采用相同的方法产生了可以捕获多达4 0 0 个粒子的 光阱阵列蜘。采用液晶空间光调制器( s l m ) 作为可变形d o e 还可以产生排列 可变的光阱阵列动态全息光镊o ”。 液晶s l m 包含许多由计算机控制的像素单元，通过施加电场，可以实时 调整每个像素上的液晶的取向，从而产生相应的相移，最终在光学捕获面上 形成实时可变的光强分布图案，其中的每一个亮斑可以捕获一个粒子嘶“1 。 2 0 0 3 年，v i n c e n t 等人采用可寻址液晶s l m 对入射激光进行位相调制，利用 所生成的复杂光强分布，一次捕获t 2 5 个s i 0 2 微球，通过动态改变光束形状， 光阱阵列中的多个粒子可进行有选择性地移位1 。由于动态全息光镊的光学 捕获和操纵性能仅受s l m 的光学特性和所生成的全息图计算时间的限制，通 过改进s l m 技术和实时全息计算算法，可以实现由上千个光阱排列的更为复 杂的光阱阵列的三维光学操纵”。 1 。1 3 近场光镊 近场光镊技术与近场光学的发展密不可分。近场光学理论指出：在物体 哈尔滨工程大学博士学位论文 表面亚波长区域( 近场区域) 内存在两种光场可以向远处传播的传播场 和迅速衰减的隐失场，传播场可以在远处( 即远场范围) 接收或探测，而隐 失场为局域场，仅能用纳米探针将隐失场转为传播场实现探测。在近场区域 内隐失场强于传播场，起主导作用。目前，近场光学不仅应用于超衍射分辨 成像，还应用于纳米局域场荧光探测、近场光谱、光学存储、光学操纵等领 域。近场光镊可以分为金属探针型和光纤探针型两种基本类型。 金属探针型近场光镊依赖于激光照射下曲率半径为纳米量级的金属探针 尖端所形成的局域场增强效应旧1 。该效应是近场光学中基本的物理现象。在 探针尖端附近，光场主要由迅速衰减的隐失场组成。由于隐失场仅在近场区 域内存在，因而减小了作用空间，同时迅速衰减的梯度场提供了捕获微粒所 需要的大梯度力，因此可实现对纳米量级微粒的捕获。在金属探针型近场光 镊中，激光的照射和偏振方向对探针所形成的场分布具有非常重要的影响。 当激光照射方向与探针轴线平行时，探针尖端光强并无明显增强。当激光垂 直探针轴线照明并且偏振方向平行探针轴线时，由于光场对金属探针的极化 作用，使得在探针尖端的光强增强了约3 0 0 0 倍。这即为近场光学中的场增强 效应。位于该光场中的微粒受到的梯度力为f = a 2 v ，其中口为微粒的极化 率，v 酽为光强的梯度。微粒在该梯度力的作用下被捕获在探针尖端。值得 注意的是，该金属探针尖端曲率半径和微粒尺寸仅有几纳米或几十纳米。 光纤探针型近场光镊的原理与金属探针型近场光镊的原理相似，都是利 用探针尖端附近局域增强场所产生的强梯度力来捕获纳米微粒。虽然其形式 与上述光纤光镊非常相似，都是利用探针尖端出射的光场来捕获微粒，但是 两者却有本质的不同。此时的光纤探针尖端的尺寸已不是微米量级，而是纳 米量级；所形成的光场分布也发生了重大变化，不再是传播场形成的汇聚光 斑，而是隐失场形成的局域增强场。而且在近场光镊中，由于探针的尖端尺 度和微粒的尺度都小于光波长，因此不能用远场光镊中常用的光线理论分析 6 第1 章绪论 微粒的受力情况，必须使用电磁场理论等适用近场光学的理论方法进行分析。 与金属探针型近场光镊相比，光纤探针型近场光镊的光场分布与之有所不同， 但都在探针尖端产生隐失场。 岐阜大学的k t a n a k a 等人理论研究表明：在t e 模式下，微粒在探针尖端 的近场区域受到指向探针尖端的光压力，可以实现捕获；在t m 模式下，微粒 的探针尖端附近的受力复杂，不能形成捕获。图1 2 为光纤探针型近场光镊 作用于介质球的光压力分布。 图1 2 光纤探针型近场光镊作用于介质球的光压力分布 f i g 1 2n e tf o r c eo f t h er a d i a t i o np r e s s u r ei na n e a ff i e l df i b e ro p t i c a lt w e e z e b 国内中国科技大学的王克逸畸1 和张国平咖也分别对光纤探针型近场光镊 捕获纳米介质球进行了理论分析和仿真计算。此外，光纤探针型近场光镊也 可用于捕获原子，使近场区域内的原子在范德华力和偶极力的共同作用下达 到平衡。除近场光镊外，还有其它以近场光学为基础的操纵方法。s k a w a t a 等利用全反射产生的隐失场，实现了对1 2 7 u m 微粒的移动町1 。 另外，还有科学家致力于利用近场光学中的隐失场进行原子操纵的研究， 以实现原子输导、原子束无接触反射、原子束偏移、制作原子漏斗等m 1 。这 些原子操纵比介质球操纵更为复杂，需要考虑原子共振和原子冷却等，实现 起来更为不易。 1 1 4 光镊技术的应用 目前，光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面。a s h k i n 首先 哈尔滨工程大学博士学位论文 将光镊技术应用到生物领域，实现对病毒和细菌的捕获与操纵”1 。为了减少 对生物样品的损伤，他又将红外激光器应用到光镊系统中，实现了对活体 细胞的无损伤操纵呻1 ，并观察了光捕捉状态下大肠菌及母菌的繁殖过程， 还进行了微管内细胞器运输力的研究“1 。随后，人们逐渐将这一技术广泛地 运用到生物学的多项研究中。国外利用光镊系统在单分子水平对生物动力 学隅堋等特性做了大量的研究。其中，s v o b o d ak 等人在分子水平上观测到 动蛋白分子沿微管以8 n m 的步幅腾越前进，间隔为i m s 量级”，从而证 明驱动蛋白分子将化学能转变为机械能的元过程是非连续的，这是人类第 一次辨认出动蛋白的运动状态。m d a o a , c t l i m b ，s s u r e s h a 等人，在2 0 0 3 年 j o u r n a lo f t h e m e c h a n i c sa n d p h y s i c s o f s o l i d s ) ) 上讨论了光镊操纵的人类血红 细胞的受损形状力学研究1 。 图1 3 利用光镊进行细胞壁的力学参数测试 f i g 1 3 m e a s u r e m e n t o f m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o f m e m b r a n e w i t h t h eh e l p o f o p t i c a l t w e e z e r s 当然，光镊的应用并不局限于生物领域。目前它已在表面科学及凝聚态 物理等领域得到了应用与发展”1 。其中以m i s s a w a 为代表的日本研究发展 组( d e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o no f j a p a n ) 设计了一种光镊分时操作装置，使一 束光可形成多达8 个独立的光阱。他们利用这一装置对乳胶微粒操作技术进行 了多方面的研究。能有效地控制粒子的流动方向，选择颗粒的大小以及空间 第1 章绪论 图案的排布。他们还发现表面结合了极性或非极性功能分子团的聚苯乙烯小 球与溶液中的荧光探针分子相互作用，可使后者发射的荧光波长和强度发生 变化，从而通过荧光信号可以探知小球表面的化学性质。这种荧光分析法过 去是将小球与溶液作为一个整体加以研究，只能得到样品的平均荧光信息。 现在结合光谱测量技术，光镊可以随意地操纵或固定单个小球的空间位置。 因此可以探测单个小球表面结合物发射荧光的细节，从而确定小球表面的分 子结构。 金属颗粒由于具有反射特性，所以一向认为不便利用光镊对其进行有 效操纵。现在理论和实验都已证明了光镊可以有效地操纵金属微粒。目前 关于光镊操纵金属颗粒作为探针在纳米技术中的应用正在探索中。除此之 外。光镊技术在基础物理学、大气物理、重力场和流体场等精密测量领域 的应用也正在研究中。 伴随纳米光镊技术的应用和发展，新的研究分支一分子力学正在形成， 预期将推进分子机械学、分子水平仿生优化设计等一系列研究。光镊作为 微小位移操控手段和粒子间微小相互作p 日力( p n 量级) 的探针，不仅仅用于 生物学领域，也同样适合其他微小粒子的研究，诸如微粒的运动特性、微 粒间的相互作用、微粒的排布和纳米器件的组装与检测等。中国科技大学 激光生物实验室首次实现用光镊排布微粒，形成稳定的空间结构。这为生 物器件的组装提供了一种可行的途径。在光镊系统中引入多光束则可以实 现多个光阱，从而实现对多个微粒或生物分子的操控。采用一般化相衬法 ( g e n e r a l i s e dp h a s ec o n t r a s t ) 或者计算机生成全息图( c o m p u t e r - g e n e r a t e d h o l o g r a m s ( c g h ) ) 可以高效率地产生多光束，从而实现对多达数百个微粒 或者生物分子的操控。 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 图1 4 中科大利用光镊将聚苯乙烯小球排列成8 6 3 字样 f i g 1 4a r r a n g e m e n to f s p h e r e st ob e “8 6 3 ”s t y l eb yu s i n go p t i c a lt w o e 7 o l s 光镊目前已广泛应用于各领域中，但在微细加工应用方面的研究国内 外尚处于起步阶段。r c g a u t h i e r 在1 9 9 7 年首次提出将光镊应用于微加 工领域，可实现对微小器件的非接触式移动、操纵和组装，但g a u t h i e r 未提到将它应用于表面或体微细加工呻0 1 。文中创新性的提出将几个微米的 高强度微粒子( 如金刚石、碳化硅、石英等) 作为微加工工具，在光镊的驱动 下在加工表面产生移动、高速转动及振动，从而完成微米乃至纳米级的加 工任务。这种新型加工技术具有易实现、易控制、高加工精度、可实现三 维加工的四大特点，克服了现有加工方法的缺点。现有大部分微细制造技 术所能达到的加工精度还在亚微米至微米范围，相距通常所说的纳米尺度 ( o 1 1 0 0 r i m ) 还有很大的差距。与这些微细加工技术相比，扫描探针技术的 纳米加工突破了这个限制。随着整个制造技术水平的提高，加工能力即将 进入一个空前的高度。整个微电子领域的前沿热点从制造技术、器件物理、 工艺物理到材料技术等方面随之全面进入1 0 0 r i m 以下的纳米领域，现有的 微细加工方法已不能满足现在人们的需求，许多重大理论问题和众多加工 技术难题还有待解决，特别需要尽快解决的是新的三维加工技术和纳米级 加工，迫切需要工程人员们开发新的加工技术、方法和手段。 光镊在光子晶体研究领域中也有重要应用。光子晶体是近年来应用物 0 第1 章绪论 理和材料科学的一个重要研究领域，它是介质颗粒周期排列而成的人工材 料，能够产生光子带隙，频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能 传播。 图1 5 利用光镊排列光子晶体 f i g 1 5a r r a n g e m e n to f p h o t o n i cc r y s t a lb yu s i n go p t i c a lt w e e t _ e r s 制备三维光子晶体的方法中，自组织法是最有实际意义、应用最广泛 的方法。但是此方法难于控制晶体的生长过程，所制备的胶体晶体通常呈 多晶结构，影响光子晶体在实际中的应用。虽然人们仍在不断改进此方法， 但是仍无法控制晶体生长过程中的缺陷态。如果在此基础上利用光镊技术 对产生的缺陷进行修复以及对生成的晶体进行修整，就能达到去除缺陷的 目的肩够生成大面积无缺陷的的三维光子晶体。 总之，光镊技术已受到世界各国特别是技术发达国家和地区科技工作 者的广泛关注。这一技术已被广泛地应用于生物学和物理学众多领域的研 究，随着光电器件性能的提高和光镊技术的进步，该技术必将得到越来越 广泛的应用。 此外光镊还在其他领域的应用中得到长足的发展。如研究新材料的制 各和加工，从微观上研究重力场、电磁场、流体场以及大气环境的物理机 理等都有积极的意义。对光镊技术的研究和利用将会在一定程度上加深和 促进生命科学、材料科学、环境科学、物理学、化学、医学以及纳米技术 等研究领域的交叉和发展，同时也将因此而出现一些新的研究方法和研究 领域。 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 2 光纤光镊技术 基于显微镜的光镊仪器体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小。其几 何尺寸和短工作距离性，限制了普通光镊的应用，使其很难操纵位于狭窄位 置( 如深孔中) 的微粒，也不易实现多光镊操纵。这些固有的缺点限制了其 作为生物粒子微操纵工具的应用。新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些 问题。光纤光镊系统以其结构简单，价格便宜，捕获范围大等优点，越来越 受到人们的广泛重视。光纤光镊系统是利用光纤出射的激光束来实现对粒子 的微操纵。光纤光镊的光路独立，可使光阱及其操纵与光学显微镜分离，光 学显微镜只起观测功能，能够改善常规光镊仪器所存在的弊端。常规的光镊 仪器通常需要光学显微镜、光束准直扩束器、附加滤光片和分光器等。基于 光纤的光镊仪器结构要简单得多。光纤有空间滤波效应，对光源的传播模没 有严格要求，可用带尾纤的二极管激光器，无需外部光学系统，结构特别简 单。更为有利的是：二极管激光器可以快速开关和调制，可满足多种光微操 纵实验研究的需求。 与基于显微镜的光镊系统相比，光纤形成的光阱操纵灵活，被捕获的生 物样品可以自由移动。光镊微操纵系统简单适用，光纤可以深入到样品室， 在样品池里形成光阱，大大提高了光阱捕陷范围，捕陷光学系统从观察光学 系统中分离出来，使得在系统中添加激光束计量和光谱仪等测量设备有了较 大的自由度。 1 2 1 平端面光纤光镊 基于平端面单模光纤光镊技术是利用两支精确准直、相向传播的单模光 纤平端面出射的激光束形成平端面光纤光阱的。c o n s t a b l e 等人首先利用了这 种平端面单模光纤形成的光阱，成功地实现了对尺寸在0 1 1 0 p m 之间的聚苯 第1 章绪论 乙烯小球和活性酵母的光捕获和光操纵3 。他们的研究结果表明：对于直径 小于l l u n 的粒子，光阱捕获的能力比已有的光镊系统提高了3 5 个数量级。 但是这种光镊系统的轴向捕获效率较低，经常出现多个稳定点，系统操纵精 度不高。j e n s e m c m u l l i n 等人采用腐蚀法加工v 型槽，以v 型槽作为光纤的准直 定位手段，建立了由两根单模捕获光纤和一根多模光谱探测光纤组成的光纤 光学捕捉系统魄一。 图i 6 光纤捕捉、探测系统 f i g 1 6t r a p p i n ga n dd e t e c t i n go f m i c r o - p a r t i c l e sb yu s i n gad u a lf i b e rt w e e z e r sa n da m u l t i m o d el i g h t - c o l l e c t i n gf i b e r 实验中，两根单模捕获光纤由v 型槽固定，相对排列。经过化学处理后， 聚苯乙烯球在捕获光源的照明下发出荧光，荧光信号由集成在光纤光谱仪上 的多模探测光纤采集。粒子位置的移动既可以通过光谱仪上的散射光的峰值 来探测，也可以通过显微镜来观察。实验发现，光纤的准直定位对产生光纤 光阱极为重要。当光纤的准直精度较低时，粒子只是沿着光轴向前运动而不 能被捕获。只有当两根光纤精确对准时，才能形成光阱，通过调整捕获激光 的输出功率，粒子可以在两根光纤端面之间沿光轴来回平移。 基于平端面的光纤光镊系统的最大优点就是光纤形成光阱及其操纵与光 学显微镜分离。光学显微镜只起观测功能，这就使观察和操纵样品有更大的 自由度，并且可以实现一般光镊不可能实现的对样品吸收和光阱弹性的测量。 1 2 2 半球形自透镜端面光纤光镊 基于半球形自透镜单模光纤的光镊技术，其主要特点是光纤末端面被精 哈尔滨工程大学博士学位论文 磨成逐渐变细的半球面状，从其末端面出射的激光束具有弱聚焦特性。美国 的e r l y o n s 等利用两个轴线位于同一直线上、尖端正对，并有一定距离的光 纤光镊( 尖端曲率半径1 0 9 i n ) 将直径为1 0 1 m a 的聚苯乙烯球捕获在两探针尖 端连线上，并通过改变两个光纤光镊出射光的功率之比调整了微粒在光纤尖 端连线上的平衡位置。”。1 9 9 5 年，l y o n s 等人用近半球形自透镜单模双光纤 光阱光镊对直径为3 5 9 m 和1 0 9 m 的介质小球的捕陷特性和光阱的双稳定性进 行了研究 1 4 1 。结果表明这种自透镜单模双光纤光阱技术不仅很好地改善了光 纤光镊的稳定性。而且提高了光阱捕获区域的范围。 图1 7 基于半球形自透镜单模的光纤光镊 f i g 1 7d u a lf i b e ro p t i c a lt w e e z e r sc o n s t r u c t e db yt w ol e n s e do p t i c a lf i b e r t a g u c h i 等人的实验报导已证明嘲利用一个自透镜单模光纤形成的光阱， 可以将聚苯乙烯小球和活性酵母细胞捕陷于光束的焦点处，而且与捕获光纤 同步自由移动，从而对其操纵灵活自如。 在t a g u c h i 等建立的光纤光镊系统中，首先将激光耦合入单模光纤，而光 纤的另一端制成尖端1 2 1 径为微米量级的圆锥形探针，激光从探针端输出，作 用于微粒。如图1 1 0 ，其中显微镜和c c d 摄像机、监视器用于观察捕获过程。 该圆锥形光纤探针相当于传统光镊中的显微物镜，将光束汇聚。但此汇聚作 用远不及高倍显微物镜的作用，因此在轴线上的梯度变化不大，其梯度力较 小，不及微粒受到的散射力，所以在轴线方向上，微粒受到的力始终沿光束 传播方向。如图1 8 所示，在探针的径向方向，光场梯度力仍起主导作用，作 用力指向轴线。 4 第l 章绪论 图1 8 单光纤光镊实验系统和工作原理图 f i g 1 8s i n g l ef i b e ro p f i c a lt w e e t e r s w i t hal e n s e df i b e ri n s e r t e da ta na n g l e 微粒仅在这两个力的作用下，其受力不可能达到平衡，因此需要外力共 同作用于微粒。利用样品池底部的支持力就是方法之一。但此时要求探针具 有合适的倾角，才能使三力平衡。t a g u c h i 等利用此法捕获了微米量级的聚苯 乙烯球( 直径1 0 r a n ) 和酵母细胞( 长短轴分别6 v a n 和3 v a n ) 。在此基础上， t a g u c h i 等利用椭球形酵母细胞所受光压力的不均匀性，利用两个成一定夹角 的光纤光镊先后通光，依次作用于酵母细胞，实现了对酵母细胞的旋转。 如果两个自透镜单模光纤成一定光轴夹角放置，那么交叠光场形成的光 阱就可以克服样品池底的微球的重力作用，实现微球的光悬浮。研究结果表 明：当两光纤同步垂直向上移动时，被捕陷的粒子始终悬浮在合成光束焦点 位置上，随光纤的移动而同步移动。在此位置上，液体中的微粒子向下的重 力与双光阱向上的悬浮力平衡。 图1 9 用双光纤光镊实现微球体悬浮。 f i g 1 9t r a p p i n go f t h em i c r o s p h e r eb yd u a lf i b e ro p t i c a lt w e e z e r s m 1 9 显示了用双光纤光镊实现的小球悬浮嘲。微物体在液体中被捕获并 哈尔滨工程大学博士学位论文 控制在平衡点，此处重力和浮力，总的向下的轴向力和总的向上的横向力达 到平衡。移动光纤，悬浮物可在3 d 空间被移动。图1 9 ( a ) 中的粒子被捕获和 控制在双光纤发出的激光束里，并且通过移动光纤能抵消重力实现悬浮，如 图1 9 ( 1 0 ) 所示。 2 0 0 4 年，m a s a h i r oi k e d a 等人用光纤光阱实现了对称塑性微物体的旋转操 纵嘲。对称塑性微物体的逆时针和顺时针任意定位，能够通过控制三个具有 半球形微透镜的锥体光纤的输出功率而实现。这一光纤捕获技术将可广泛应 用于生物技术微加工和空间技术领域。 图1 1 0 光纤光镊实现杆形微物体的旋转 f i g 1 1 0r o t a t i o no f t h em i c r o s b e c tb yt h r e ef i b e ro p t i c a lt w e , e z e r s 图1 1 i 光纤光镊实现十字形微物体的旋转 f i g 1 1 lr o t a t i o n o f a c r o s s b y t h r e e f i b e r o p t i c a l t w e e z e r s 图1 1 2 金属化光纤探针尖与玻璃微粒的捕获 f i g 1 1 2t r a p p i n go f g l a s sb e a d sb yu s i n g am e t a l i z e df i b e rp r o b e 1 6 第1 章绪论 2 0 0 3 年加拿大m r s t a y l o r 等制作了一种中空的金属化光纤探针尖啪1 ，巧 妙的利用针尖的静电引力与光的散射力达到平衡，捕获和操纵了浸没在水中 的玻璃微粒。 在国内，关于光纤光镊的研究比较少。中国科技大学的明海等用数值仿 真和实验方法分析得出光纤探针作用在2 1 t r a 聚苯乙烯球上的轴向作用力沿光 束传播方向、径向作用力指向光轴呻。清华大学的王佳等利用数值仿真的方 法对光纤针的出射光场进行了仿真研究，并采用与t a g u c h i 等相同的自透镜型 光纤结构测量了置于水中的酵母茵的受力情况嘲。燕山大学电气工程学院也 在积极从事光纤光镊的研究工作“”。 1 3 本文的研究工作 光纤光镊系统是利用光纤出射的激光束来实现对生物粒子的微操纵， 使光阱及其操纵与光学显微镜分离，能够改善常规光镊仪器所存在的弊端。 但相比基于显微镜的光镊技术而言，在应用方面的研究仍然较少。其原因 是目前所提出的光纤光镊技术主要是基于平端面光纤光镊技术和基于半球 形自透镜光纤光镊技术，一个单锥形透镜光纤对粒子捕获作用不足以抵消 粒子的重力，不能实现粒子的三维捕获，利用双光纤或多光纤构成的光镊 要求光纤出射的光束在空间上对准、移动时所有光纤必须同时动作，操作 上仍存在诸多不便。 而r s t a y l o r 的基于中空的金属化光纤针单光纤光镊方案能够克服双 光纤或多光纤光镊的缺点，但这种方法加工过程中需要进行多次腐蚀，步 骤复杂，加工时间长，对加工手段和加工环境有较高的要求。 本课题的研究目标是探索一种单光纤光镊技术与实现方法，这种光纤 光镊只需要一根光纤既能够实现微小物体的三维捕获。与r s t a y l o r 的方 案不同的是，单光纤光镊对粒子的束缚作用完全来自于光的作用力，是一 1 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 种全光型的单光纤光镊方案。课题所要解决的关键问题主要集中在以下四 个方面： 1 3 1 光纤端形状结构设计与出射光场仿真 对于通常光纤光镊系统而言，光束具有径向的捕获力，但由于出射光场 在轴向方向难以满足大的梯度分布，在光束的传播方向上散射力大于反方向 作用的梯度力，所以不能够形成三维的光学势阱。而使用端面具有透镜结构 的自透镜光纤也只能在一定程度上缩小出射光场的束腰，还远远达不到形成 三维光势阱的要求。造成这种情况的主要原因是光纤的纤芯与包层材料的折 射率差比较小，出射光场不能构造出大的梯度分布。 为实现单光纤光镊，我们需要构造出特殊的光纤端结构，使其出射光 场能够具有较小的束腰。在构造小的束腰这一点上，单光纤光镊所遇到的 问题与近场扫描光学显微镜是一样的，我们可以借鉴近场扫描光学显微镜 中光纤针结构来构造单光纤光镊。 光纤端面结构的特殊性决定了要求得到封闭形式的解析解已经是不可 能的，就是半解析解的近似方法也只能在个别问题中得到有限应用，能够 较广泛发挥作用的唯有数值方法。所以在光纤端出射光场的分析中我们采 用f d t d ( 时域有限差分) 方法。 1 3 2 光纤端出射光场光阱力分析 由于麦克斯韦方程组是电磁场的基本动力学方程，由麦克斯韦方程组 和洛仑兹力公式可以导