微米級(jí)錐形光纖的近場(chǎng)光鑷

趙 宇, 楊德超, 陳 浩, 張安富, 張文棟, 薛晨陽(yáng), 閆樹(shù)斌

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院, 山西 太原 030051)

引言

20世紀(jì)初期，開(kāi)普勒提出的光輻射壓力得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1970年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的A.Ashkin等人[1]首次利用高數(shù)值孔徑(NA=1.25)的物鏡會(huì)聚激光束產(chǎn)生的光輻射壓力實(shí)現(xiàn)了對(duì)微粒的三維捕獲。光操縱(光鑷)技術(shù)是基于光的力學(xué)效應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲和操縱的，可以對(duì)微粒進(jìn)行無(wú)損傷、無(wú)接觸、無(wú)侵害的操縱，克服了傳統(tǒng)機(jī)械操作的缺陷，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、生物化學(xué)領(lǐng)域。

1992年，Kawata等人[2]利用高折射率棱鏡全反射產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)對(duì)微粒進(jìn)行操縱，粒徑為6.8 μm的介電微球在倏逝場(chǎng)的作用下沿著棱鏡的表面運(yùn)動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)奠定了近場(chǎng)光學(xué)微操縱的研究基礎(chǔ)。不同于傳統(tǒng)光鑷，近場(chǎng)光鑷技術(shù)是基于近場(chǎng)光學(xué)中倏逝場(chǎng)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(nèi)，不受光學(xué)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(chǎng)光學(xué)理論的不斷發(fā)展，延伸出了基于倏逝場(chǎng)多種類(lèi)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(chǎn)生局域的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)微粒的穩(wěn)定捕獲；2004年，Min Gu等人[4]利用大數(shù)值孔徑的物鏡對(duì)環(huán)形光束進(jìn)行會(huì)聚，在玻璃-溶液界面發(fā)生全反射，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)直徑為2 μm微球的捕獲，而且對(duì)紅細(xì)胞進(jìn)行了拉伸、折疊和旋轉(zhuǎn)等操作。2008年，Murugan等人[5]利用微米級(jí)光纖光鑷實(shí)現(xiàn)了對(duì)直徑為10 μm的聚苯乙烯微球的捕獲。微米級(jí)光纖光鑷是利用錐形光纖表面的倏逝場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲和操縱?；谖⒚准?jí)錐形光纖的近場(chǎng)光鑷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，在單微粒操縱研究中有廣闊的應(yīng)用前景。

本文使用錐腰直徑為2 μm的錐形光纖，實(shí)現(xiàn)微納光纖光鑷對(duì)微球的捕獲和操縱。同時(shí)，測(cè)試了在設(shè)定條件下，微球沿著光纖中光束傳播方向運(yùn)動(dòng)的速率，為后續(xù)近場(chǎng)光鑷技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 光纖表面倏逝場(chǎng)強(qiáng)度

如圖1所示，在光纖表面微球主要受到2個(gè)力的作用：梯度力和散射力。梯度力來(lái)自微球中電偶極矩在不均勻電磁場(chǎng)中受到的力，它正比于光強(qiáng)梯度的平方，指向光場(chǎng)強(qiáng)度的最大處，使微球被穩(wěn)定俘獲到光纖表面。散射力為光在散射過(guò)程中與光子交換動(dòng)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(yùn)動(dòng)[6]。因此，為實(shí)現(xiàn)微球的穩(wěn)定捕獲，必須有足夠強(qiáng)的倏逝場(chǎng)。

圖1 微球在錐區(qū)受力情況簡(jiǎn)圖Fig.1 Analysis diagram of microspheres on tapered area

光纖中通入為高斯光，在柱坐標(biāo)系下，基模高斯光束沿Z軸的表達(dá)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(dāng)高斯光束與光纖Z軸夾角為θ，經(jīng)柱坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的變換：

(4)

在不考慮相位的條件下，基模高斯光束的表達(dá)式為

(5)

(6)

式中，p為入射光功率。

(7)

光波由光密介質(zhì)(n1)進(jìn)入光疏介質(zhì)(n2)時(shí)，在界面上會(huì)發(fā)生全反射，倏逝場(chǎng)的表達(dá)式為[8]

(8)

因?yàn)橹挥型干涔庠诮缑嫔希訣2=T·E1，T是振幅的透射率。因此可以得到光纖包層外倏逝場(chǎng)的表達(dá)式為[9]

(9)

則光強(qiáng)分布為

(10)

仿真參數(shù)：激光功率0.5 W；波長(zhǎng)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(shè)為86°。

從圖2中可以明顯看出，光纖表面的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增加，逐漸減小。Z=1 000 nm處的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度比Z=10 nm處的強(qiáng)度減小了約40倍。但是，在實(shí)驗(yàn)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(gè)錐區(qū)浸沒(méi)在液體中。

圖2 距離光纖表面不同位置處倏逝場(chǎng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

搭建如圖3所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：帶尾纖激光器(p=1 W，中心波長(zhǎng)1 064 nm)的輸出與偏振控制器(FPC560)相連。選用波長(zhǎng)為1 064 nm的激光，是因?yàn)檫@個(gè)波長(zhǎng)對(duì)生物體來(lái)說(shuō)是透明的，吸收很少，不會(huì)因?yàn)闊嵝?yīng)使生物體受損[10]。利用光纖拉錐機(jī)，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(jì)相連，來(lái)監(jiān)測(cè)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(qū)所在的槽型結(jié)構(gòu)中，在上方用CCD觀察系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)錐區(qū)微球的運(yùn)動(dòng)情況。同時(shí)，為避免液體的蒸發(fā)和外界環(huán)境的影響，在槽型結(jié)構(gòu)上加蓋載玻片，構(gòu)建密閉的環(huán)境。

圖3 光纖光鑷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of fiber optical tweezers experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在圖4中，打開(kāi)激光器時(shí)可以看到顆粒穩(wěn)定懸浮在光纖附近。然而，在t=2 s關(guān)斷激光器，從圖5可以明顯看到微球逐漸離開(kāi)光纖，而且距離越遠(yuǎn)，微球運(yùn)動(dòng)的速度越快。這表明，光纖通光時(shí)，錐區(qū)產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)對(duì)微球有梯度力的作用，使微球在光纖附近處于平衡狀態(tài)。當(dāng)光纖不通光，倏逝場(chǎng)消失時(shí)，微球的平衡狀態(tài)被打破，進(jìn)而隨著液體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

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

圖5 激光關(guān)斷后，微球逐漸遠(yuǎn)離光纖Fig.5 When laser turns off, microspheres move away from fiber

在光場(chǎng)作用下，不僅可以觀察到倏逝場(chǎng)對(duì)微球力的作用，還能實(shí)現(xiàn)微球的捕獲和操縱。在圖6中，光纖通光時(shí)，微球在錐區(qū)倏逝場(chǎng)的作用下被吸引到光纖表面，同時(shí)微球受到散射力的作用，沿著光束的傳播方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度約為5.3 μm/s。由于光纖表面各處的平滑度以及場(chǎng)強(qiáng)不同，因此微球的運(yùn)動(dòng)速度不同。

圖6 激光開(kāi)通，微球沿光纖表面運(yùn)動(dòng)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(qū)直徑必須足夠小，本實(shí)驗(yàn)使用錐腰直徑為2 μm。然而，光纖錐區(qū)直徑符合要求時(shí)，還要確保微球受到錐形光纖表面倏逝場(chǎng)的作用，而非透射光的影響。因此，需要對(duì)拉錐后的光纖進(jìn)行挑選。

如圖7所示，2個(gè)拉伸長(zhǎng)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(qū)彎曲，通光后，可以看到錐區(qū)有大量的透射光，透射光對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的影響比較大，不適合應(yīng)用在近場(chǎng)光鑷的實(shí)驗(yàn)中。圖7(b)，光纖錐區(qū)沒(méi)有彎曲，通光后，可以看到錐區(qū)基本無(wú)透射光出現(xiàn)，適合應(yīng)用在近場(chǎng)光鑷的實(shí)驗(yàn)中。

圖7 不同光纖錐區(qū)對(duì)比圖Fig.7 Comparison chart of different tapered fibers

實(shí)驗(yàn)中，為使聚苯乙烯微球均勻、穩(wěn)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(duì)微球的作用主要包括以下過(guò)程: 1) 微球的潤(rùn)濕。表面活性劑可以作為潤(rùn)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(guò)對(duì)微球的特性吸附，改變微球表面的電荷狀態(tài)，使微球帶上同種電荷，從而使它們相互排斥而分散開(kāi)來(lái)，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?cè)诠饫w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(shí)間，不僅微球的聚集現(xiàn)象消失，并且粘附在光纖上的微球數(shù)量明顯減少，有利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。

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

3 結(jié)論

本文利用MATLAB軟件分析了光纖表面的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度分布。實(shí)驗(yàn)中，利用錐腰直徑2 μm的錐形光纖錐區(qū)的倏逝場(chǎng)，對(duì)直徑3 μm的聚苯乙烯微球進(jìn)行了捕獲和操縱。錐區(qū)倏逝場(chǎng)不僅使微球可以在光纖附近處于平衡狀態(tài)，而且可以捕獲微球并使其沿著光束的傳播方向運(yùn)動(dòng)，微球沿光纖的運(yùn)動(dòng)速度約為5.3 μm/s。微納光纖光鑷對(duì)單微球的亞接觸、無(wú)損傷操縱在生物傳感以及生物醫(yī)學(xué)中(靶向給藥)擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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