关于具有锥形尖端的单光纤光镊的多捕获的研究外文翻译资料

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关于具有锥形尖端的单光纤光镊的多捕获的研究

梁佩博，雷皎洁，刘志海，张 羽，苑立波

我们开发了一对锥形尖端的单光纤光镊，并研究了他们的多捕获的性能。我们使用时域有限差分方法进行仿真，得出了这对单光纤光镊的光阱力特性。仿真结果表明，光镊能捕获的粒子的数量，与相对折射率和粒子大小有关。我们用实验方法校准了这对光纤光镊的捕获力，并且实验结果也与理论计算结果保持了一致，这说明，用锥形尖端的单光纤光镊实现多重捕获是可能的。而这种光镊，以后将会被应用于生物研究领域。

关键词：光捕获，微光结构和粒子

1. 介绍

光镊自1986年被Ashkin et al发明以来，就被广泛运用于各种各样的生物标本的非入侵式操作中，其中包括病毒，细菌，细胞，生物体中亚细胞组织以及生物研究领域。当光镊中的光入射和偏离物体表面时，会产生因为光子动量改变而施加于物体的光力。除了生物领域，光镊也为被微光粒子改革的操作区域，如原子物理，化学，微机电系统展开了新的大门。甚至是光学捕获的本身也影响了有趣的新物理的进步。

传统意义上，光学捕获可用传统的透镜光镊实现，但是庞大的器材结构以及高昂的费用成本限制了光学捕获在许多环境中的应用。在这种情形下，光纤光镊出现了。早期光纤光镊采用两根或多根光纤来引导光束，形成足够大的光场强度梯度分布来实现捕获。这需要高精度的微操作仪器来控制多模光纤，所以多光纤光镊的成本仍然过高。然而，在基于光纤端面的微机械技术的发展，Taylor和Hnatovsky用一个单一选择的腐蚀型中空的尖端光纤探针实现了对坚实的玻璃珠在水中的三维捕获，这就是单光纤光镊的诞生。

至今为止，单光纤光镊的结构已经比较成熟，如现在我们已经有了窄抛物线形锥形尖端光纤光镊，反射型光纤光镊，锥形尖端光纤光镊，高指数光纤光镊，双芯光纤光镊，四芯光纤光镊等。

关于多粒子捕获的研究，我们找到一篇使用传统透镜光镊的相关报告，这篇报告中他们发现的问题是：当使用同一批透镜来捕获和观察多粒子，且微粒子的捕获方向是垂直于透镜的视场：当第一个微粒子被捕获后，它会阻碍第二个，第三个甚至更多粒子的捕获，影响了传统光镊的实际应用；因此，有关于进一步研究的相关报告鲜少出现。光纤光镊技术，其操作视野并不依靠于微粒子的捕获方向，Mohanty 和Mohanty提出一对锥形尖端的光纤光镊，可用来实现多粒子的同时捕获，但是有关于捕获原理和性质的进一步研究目前为止并未出现。然而，根据一系列的前人的工作和研究结果，我们综合了理论计算和实验计算，制造了一对锥形尖端的单光纤光镊，这些理论和实验都与常用的理论模型仿真不同。为了分析影响单光纤光镊捕获粒子的数量和捕获特性的因素，我们使用了时域有限差分方法，并使用一对校正了的单光纤光镊校正了单光纤光镊的光捕获力。这些进一步的研究使得在实际的研究领域，使用单光纤光镊是可行的。

2制造光纤锥形尖端

我们在实验中使用的是普通的纤芯直径为3.7um的980nm单模光纤(CL 980 20,NA=0.2, OFS) 。制作锥形尖端，是一个选择性化学腐蚀的过程。这个化学腐蚀的溶液是由48%的氢氟酸，40%的氟化铵以及去离子水，这三种溶液的体积比为1.5:1:1.这里我们选择溴癸烷作为保护的液体层，这对于最后关于光纤尖端的分析是非常重要的。室温下，在溶液中腐蚀60分钟之后，光纤锥形尖端形成了30度的锥角，如图1所示

图1. 用酸腐蚀方法制造的锥形尖端的扫描式电子显微镜图片

3捕获特性的理论分析

在图二所呈现的锥形尖端中，想要得到输出光场的一个解析式是非常困难的；因此，一个数值算法如时域有限差分法，就被用来模拟输出光场的分布和单模光纤的光阱力。

图2.光纤探针的锥形尖端的原理示意图。R是纤芯半径，theta;是锥角，d是光纤尖端和微型粒子中心的距离

根据参考文献[18],[30]和[31]，入射光是二维的，对于TM模式的具有Ex,Ez和Hy分量的单频连续波，捕获力的表达式为

其中S是XOZ平面的边界，ε 0 和ε 1分别是真空介电常数和相对介电常数，micro; 0和 micro; 1分别是真空磁导率和相对磁导率。从等式1和2中可以看出，从Ex,Ez和Hy获得的光捕获力可以施加在边界S上。

3.1.捕获第一个粒子

图三显示的是仿真得出的锥形尖端光纤光镊的出射场。模拟的参数设置有锥角的大小为37度，纤芯直径为3.7微米，纤芯和包层的折射率分别为1.46和1.45，粒子的半径和折射率分别为2.5微米和1.40，媒介折射率为1.33。从图片3可看出光纤尖端的分散场是均匀的，并且靠近腰斑的光强度梯度分布比其他地方要大。

图3.(在线彩色图片)具有37°锥角的探针的出射光场强度分布。（a）（b）分别为没有球状电介质和有一个球状电介质的情况，r为2.5微米n为1.45。

根据等式(1)，图片四表示的是z轴方向上不同位置的横向作用力(F x )的计算值 (z = 2.5 micro;m, 4.5 micro;m, 和6.5 micro;m)，负值的捕获力表明捕获力的方向是沿着z轴的。Z轴起始位置的横向捕获力都是0，这也符合实际的情况。

图4.（在线颜色）沿Z轴不同位置的横向光捕获曲线

轴向光力（）的大小用等式(2)来计算。图表5显示的是施加在不同折射率的微粒子上的轴向光力的对比。生物细胞的折射率大致为1.4，也可以在图中找到对应的曲线，其表示在直径为4微米到15微米的范围内，有明显的负方向的光阱力，可以把粒子拉回光纤尖端的。

图5.（在线颜色）不同折射率的第一个粒子的轴向光阱力。这里的水平轴d已在图片2中定义。

因此，根据图表4和图表5，具有锥形尖端的单光纤光镊可以用来捕获和操纵一个单一的介质球。另外，我们可以得出预测：微型粒子的折射率越小，捕获范围越大（捕获范围指的是施加在Z轴上捕获力的范围）

3.2捕获第二个粒子

轴向捕获力是决定光镊是否能捕获粒子的关键。因此我们主要是讨论了轴向力的特性。图片6表示了第二个粒子的轴向捕获力的仿真结果，且图片6中具有不同折射率的第二个粒子的捕获力的仿真结果，是基于在第一个和第二个粒子的半径一样的假设之上（r 1 = r 2 = 2.5 微米）。根据图片6，第二个粒子在折射率为1.35,1.4和1.45时受到轴向捕获力。捕获力在折射率增长到一个固定值时出现不稳定的情况，比如说1.48.当折射率增长到1.5时，光阱力是大于0的，这说明在这种情况下光纤光镊是不能够捕获第二个粒子的。除此之外，在粒子的折射率从1.35增长到1.5的过程中，光镊的捕获范围逐渐减少，这与捕获第一个粒子时的情况相同。

图6.（在线颜色）具有不同折射率的第二个粒子的轴向捕获力。

图表7表明当两个粒子都被捕获时，输出光场的情况比较复杂。图片8显示的是第二个粒子的横向光捕获力。（z=7.5微米）

图7.（在线颜色）37°锥角的探针的输出光场强度分布。微粒子的半径和折射率分别为2.5微米和1.45。

图8.（在线颜色）第二个粒子的横向光捕获力。微粒子的半径和折射率分别为2.5微米和1.45。

3.3捕获第三个粒子

图片9是第三个粒子的光捕获效应的仿真还有计算结果。从图中可以看出，当第三个粒子的折射率低于1.4时候，光捕获力是仍然存在的，但是当折射率大于1.5时，第三个粒子上只有推力在起作用。比较折射率为1.35和1.4的两条曲线，折射率为1.35的捕获范围要远大于折射率为1.4的捕获范围。所以，仿真结果说明具有锥形尖端的单光纤光镊的捕获范围是与被捕获粒子的折射率成反比的。

图片9（在线颜色）具有不同折射率的第三个粒子的轴向力。

图10.（在线颜色）37°锥角的探针的输出光场强度分布。微粒子的半径和折射率分别为2.5微米和1.45。

图11.（在线颜色）第三个粒子的横向光捕获力。微粒子的半径和折射率分别为2.5微米和1.45。

相似的，根据图10，当三个粒子被捕获时的输出光场比之前更加复杂，图11显示是施加在第三个粒子的横向捕获力（z=12.5）

捕获多粒子。

最后，我们研究了多粒子捕获的特性，仿真结果在图12中表示出来，从图中可以看出纵向条纹代表的是具有不同半径的粒子数量，且当粒子折射率比较小（小于1.5），很明显可以看出光镊可以同时捕获许多粒子。当粒子折射率上升是，被捕获的粒子数量迅速减小。同时可从图中看出粒子尺寸越小，越多的粒子可以被捕获。所以我们得出结论，介质球的折射率在锥形尖端的单光纤光镊的捕获能力中起到了非常重要的作用。

图12.被捕获的具有不同折射率的粒子的数量

图13.（颜色在线）半径为1和5微米的酵母细胞的轴向光捕获力。

此外，我们仿真并计算了不同尺寸的酵母细胞的轴向光捕获力，如半径为2.5微米或者半径为10微米。这些仿真结果显示在图13中。

4实验

我们使用波长为980nm的激光作为光源，并且通过调整激光器的驱动电流，光源的功率是可调的，范围为0到120毫瓦。我们通过普通的反转光学显微镜在水中来观察和操作酵母细胞。光镊的输出光功率是120毫瓦。半径为2.5微米折射率为1.4的酵母细胞被选来作为介质球。

如图片14所示，我们采用了两对单光纤光镊。其中一个用来固定而另一个用来移动微粒。我们使用作为移动工具的光镊来捕获一个细胞并把它移动到固定光镊的捕获范围，然后，我们降低作为移动功能的光镊的输入光功率的输入，用来释放被捕获的细胞。最后，被释放的细胞重新被固定了的光镊捕获。

图14.（颜色在线）用来转移一个粒子的一对锥形尖端的光纤光镊

运用这个方法，我们可以较为容易的在一对单光纤尖端捕获一个甚至多个细胞。关于多粒子捕获的图片在图15中显示。

图15.（颜色在线）多粒子捕获的图片：(a)两个粒子（b）三个粒子

当已经有一个或者更多粒子被捕获以后，捕获力会减小，这说明这种锥形尖端的单光纤光镊会比较难控制施加在第二个和第三个粒子的捕获力。同时也有很多其他因素会时多粒子捕获不稳定。通过以上的仿真曲线，当光镊已经捕获一个甚至多个粒子时，捕获力已经不足以再进行接下来的捕获。仿真结果也与实际情况相符合。

根据斯托克斯定理，移动光镊的输出光场功率对捕获力是可以被校正的，并且结果说明当输入光功率增加到1毫瓦时，光捕获力增加到接近8pN。因此，校正的可移动光镊不仅被用来帮助固定光镊捕获微粒子，同时也被用来校准固定光镊。首先，我们用可移动光镊捕获一个细胞，然后，我们缓慢移动可移动光镊到固定光镊的捕获区域并同时减少激光源的功率。当固定光镊可以捕获被可移动光镊捕获的细胞时，来自固定光镊的捕获力和来自可移动光镊的是相等的。所以，我们可以知道固定光镊的校准以。尖端之间距离与捕获力的关系被显示在图16.不幸的是，捕获范围和捕获力都不足以捕获第三个细胞，这样导致用这种方法测量第三个细胞非常难。第三个细胞的捕获力在图16中被显示。

图16.（颜色在线）不同数量的粒子的捕获力的实验和理论结果

图16也是捕获力的理论仿真结果，在粒子折射率为1.4半径为2.5微米。

图16显示是实验结果和理论结果都有相同的趋势。值得一提的是，在仿真和实验中施加在第二个粒子上的捕获力比第一个粒子要大。原因大概是光场在第一个细胞中被重新聚焦，从而捕获力会增强。

一个关于一对锥形尖端光纤光镊多粒子捕获特性的研究是由理论分析和实验来完成。在仿真这对光纤光镊的捕获特性时，我们使用了时域有限差分方法。结果显示被捕获粒子的数量与粒子折射率和粒子大小有关。除此之外，这对锥形尖端单光纤光镊的捕获力也用实验手段校准，且结果是符合理论计算结果的。

5. 总结与讨论

锥形尖端的单光纤光镊的多捕获功能在生物医学研究领域是非常有效的也是非常有用的。目前，仍然有许多因素都影响着实验结果，比如说微粒的布朗运动，这会抵消掉一部分光捕获力；比如光镊的仿真模型过于理想化，不怎么符合实际的。因此，我们使用的光镊并不是严格的符合理想模型。这些因素导致了实验结果和仿真结果中的误差。在接下来的工作中，我们会继续研究光捕获力和这些因素，包括微粒的形状，折射率，介质球大小，分布状况和输出光场的幅度的关系。

光纤光镊的新发展趋势

摘要

在过去几十年中，光学捕获在对生物标本的无接触捕获和操作中起到了无可替代的作用。近来，光纤光镊作为一种对笨重的光学系统的理想替代品出现。本文对现有的光纤光镊做一个综述，主要是制造方法，光纤光镊的特点以及主要成就。另外，本文也报告了一种新的用导波光聚合方法制造的光纤光镊，并给出了理论和实验特性描述。其结果表式此种光纤光镊在操作酵母菌细胞以及植物细胞的细胞器中是可以应用的。

关键词

化学腐蚀，聚焦离子束，加热拉伸，光纤光镊，光学捕获，抛光，双光子印刷

1.介绍

1970年，A.Ashkin第一次做出了有关于光学捕获的报告，微观粒子因为辐射压力作用而被牢牢地捕获在两束相对传输的光束中。后来，在1986年，A.Ashkin用一个紧聚焦的光束做到了相同的实验现象，并正式命名为光镊，成功的捕获微米甚至纳米级别的粒子。施加在介质粒子上的光力由光子入射粒子表面发生的折射和反射现象引起的动量传递产生。照惯例，总的光力可以分解成两个部分：散射力和梯度力。散射力与电场强度成比例，因此，它负责把粒子推离光束。而梯度力与电场的梯度场强度成比例，这导致了粒子被吸到强度最大的区域。在两束光束相对传播的情况下，两束光束的轴向散射力对达成稳定捕获具有非常重要的作用。然而，在一束光束进行捕获时，梯度力会起更大的作用。只有光强的梯度力变化足够急剧，轴向的梯度

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