一、光鑷以及光纖光鑷概述

光鑷，即單光束梯度力光阱，是利用光的動(dòng)量的改變來實(shí)現(xiàn)微粒的捕獲與操縱的工具。自1986年A．Ashkin首次實(shí)現(xiàn)一束強(qiáng)聚焦激光穩(wěn)定俘獲生物粒子至今，光鑷技術(shù)的發(fā)明已歷經(jīng)20余年，并在物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光鑷無接觸、無損傷、可以測量皮牛量級力的特點(diǎn)更是使其成為生命科學(xué)青睞的理想工具。作為微操作、微測量的重要工具，光鑷在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，技術(shù)本身也在不斷發(fā)展，各種光鑷設(shè)備相繼出現(xiàn)，如干涉光鑷、掃描光鑷、全息光鑷、電子光鑷、光纖光鑷等。

一般光鑷設(shè)備都是基于顯微鏡搭建，即利用大數(shù)值孔徑顯微物鏡形成強(qiáng)會(huì)聚光束，光阱光源通過附加光學(xué)配件耦合到顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)中；操縱微粒時(shí)，光阱俘獲樣品不動(dòng)，通過載物平臺的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)樣品池運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到相對運(yùn)動(dòng)的目的。這樣實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)在于，設(shè)備體積大、自由度較低，因而使得光鑷在靈活使用的角度受到限制。

光纖輕便、低廉、靈活，并已作為信息傳遞的媒介廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域；光纖亦可以傳輸激光，光纖傳輸激光在短程內(nèi)損耗很低，出射的激光光場仍然呈現(xiàn)一定特性分布。1993年，A．Constable利用雙光纖發(fā)出的半導(dǎo)體激光實(shí)現(xiàn)了光阱中微粒的束縛，人們開始注意到利用光纖實(shí)現(xiàn)光學(xué)勢阱的獨(dú)特之處。將光纖引入光鑷系統(tǒng)代替顯微物鏡形成會(huì)聚光束，同時(shí)捕獲并牽引微粒運(yùn)動(dòng)代替樣品池的運(yùn)動(dòng)，大大提高了操作的自由度與靈活度。普通單模光纖芯徑約10微米，與很多生物細(xì)胞和大分子的尺度相當(dāng)，使得光纖光鑷仍然可以廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域；同時(shí)，單模光纖本身的限模作用，也使獲得某一特定模式的出射光成為可能。作為傳統(tǒng)光鑷的一個(gè)有益補(bǔ)充，光纖光鑷技術(shù)的研究和應(yīng)用正越來越受到人們的關(guān)注。

二、光纖光鑷工作原理及優(yōu)勢

光纖光鑷是指用光纖代替顯微物鏡形成會(huì)聚光束，用光纖頭出射具有高度光強(qiáng)梯度分布的光束來捕獲粒子的光鑷。

與傳統(tǒng)的光鑷不同，光纖光鑷不需要擴(kuò)束鏡對激光束擴(kuò)束，也不需要顯微物鏡對激光束聚焦，捕獲系統(tǒng)的光路與光學(xué)成像光路相互獨(dú)立，且結(jié)構(gòu)比較簡單，光纖頭通過機(jī)械裝置控制，可以插入樣品溶液中對粒子進(jìn)行近距離的操縱，適合用于生物活體組織、渾濁溶液等傳光性不好的環(huán)境中。缺點(diǎn)是操作時(shí)光纖頭需要浸入樣品溶液，會(huì)對樣品造成污染，而且會(huì)影響光纖頭的使用壽命。另外光纖頭通過機(jī)械裝置控制，不能通過空間光調(diào)制器或者光束轉(zhuǎn)折器來控制光阱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行靈活操控。

    光纖光鑷端口的兩種結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。

圖1 光纖光鑷端口的兩種形狀：（a）平端面；（b）錐形自透鏡端面

平端面光纖光鑷的光纖頭端面是與光纖垂直的平面，Constable等人利用這種平端面光纖光鑷首次成功地捕獲了尺寸在 0.1-10μm 范圍內(nèi)的聚苯乙烯小球和酵母菌細(xì)胞。對于尺寸小于 1μm 的粒子，其橫向捕獲能力比傳統(tǒng)的光鑷系統(tǒng)提高3-5個(gè)數(shù)量級，但是軸向捕獲能力比較弱，捕獲時(shí)需要使用兩根光纖相對照射。錐形自透鏡端面光纖光鑷的光纖頭端面經(jīng)過精細(xì)打磨，形成逐漸變細(xì)的半球狀或錐形，從該端面出射的激光束有一定的聚焦效果，改善了平端面光纖光鑷軸向捕獲力較差的問題。

Taguchi等人利用單根圓錐形頭的單模光纖成功地捕獲聚苯乙烯小球和酵母菌細(xì)胞。Masahiro等人利用三根錐形的光纖頭實(shí)現(xiàn)了對桿形物體的旋轉(zhuǎn)。通過改變?nèi)齻€(gè)光纖頭不同的輸出功率，可以任意控制桿形物體的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，如下圖2所示。

圖2 三根錐形光纖光鑷對感性物體的旋轉(zhuǎn)

三、YOEC定制光纖在光纖光鑷中的應(yīng)用實(shí)例

圖3是YOEC三芯單模光纖的端面實(shí)物照片，圖4是利用錐形的三芯光纖捕獲酵母細(xì)胞的示意圖。

    圖3 YOEC定制的三芯光纖實(shí)物圖           圖4錐形三芯光纖捕獲酵母細(xì)胞示意圖

四、YOEC多芯和定制光纖在光纖光鑷應(yīng)用中的優(yōu)勢

    1. 可以根據(jù)客戶需要定制任意多芯及任意排列方式的光纖產(chǎn)品；

2.可以根據(jù)客戶系統(tǒng)應(yīng)用的光源波長定制任意折射率的纖芯；

3.纖芯和光纖的包層等幾何尺寸可根據(jù)客戶的要求靈活調(diào)整；

4.可根據(jù)客戶的應(yīng)用需求提供不同種類性能的光纖內(nèi)、外涂層材料，具有尺寸豐富的各種拉絲磨具，可滿足客戶各種涂層直徑的實(shí)際需求；

5.YOEC玻璃冷熱加工設(shè)備實(shí)施齊全，具有MCVD和FCVD兩種芯棒制備工藝，和功能齊全的特種光纖拉絲塔及配套裝置，大大的拓展了定制光纖的種類；

6.YOEC儲(chǔ)備有國內(nèi)外不同廠家、型號規(guī)格齊全的各類石英管材可供產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用，大大的提高了設(shè)計(jì)的靈活性和縮短了產(chǎn)品的交貨期；

7.定制產(chǎn)品完善的過程信息記錄和穩(wěn)定的制造工藝保證了批次內(nèi)和批次間產(chǎn)品的重復(fù)穩(wěn)定性。

五、總結(jié)

隨著光鑷、光纖光鑷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用面的不斷深入拓展，目前，國際市場上已有公司推出成熟光鑷系統(tǒng)產(chǎn)品；越來越多的國內(nèi)學(xué)者開始慢慢了解、投身這一領(lǐng)域。但是不管是發(fā)展較為成熟的國外市場還是剛剛起步的國內(nèi)市場，光鑷產(chǎn)品的商業(yè)推廣都還存在一些問題。長盈通光電技術(shù)有限公司有能力有意愿展開和各高校、研究所、公司的廣泛合作，為擴(kuò)展光纖在光纖光鑷行業(yè)的廣泛應(yīng)用提供配套和支持。