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(tài)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(shù)值孔徑(NA=1.25)的物鏡會聚激光束產(chǎn)生的光輻射壓力實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)機械操作的缺陷，已經(jīng)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(chǎn)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(tǒng)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(nèi)，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(fā)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(chǎn)生局域的場增強效應，實現(xiàn)微粒的穩(wěn)定捕獲；2004年，Min Gu等人[4]利用大數(shù)值孔徑的物鏡對環(huán)形光束進行會聚，在玻璃-溶液界面發(fā)生全反射，不僅實現(xiàn)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(zhuǎn)等操作。2008年，Murugan等人[5]利用微米級光纖光鑷實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xù)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(wěn)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(xiàn)微球的穩(wěn)定捕獲，必須有足夠強的倏逝場。

圖1 微球在錐區(qū)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(jīng)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(zhì)(n1)進入光疏介質(zhì)(n2)時，在界面上會發(fā)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(shù)：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(qū)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(tǒng)

搭建如圖3所示的實驗系統(tǒng)：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(jiān)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(qū)所在的槽型結(jié)構(gòu)中，在上方用CCD觀察系統(tǒng)來實時觀測錐區(qū)微球的運動情況。同時，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 光纖光鑷實驗系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of fiber optical tweezers experimental system

2.2 實驗結(jié)果與討論

在圖4中，打開激光器時可以看到顆粒穩(wěn)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(qū)產(chǎn)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(tài)。當光纖不通光，倏逝場消失時，微球的平衡狀態(tài)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(tài)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(xiàn)微球的捕獲和操縱。在圖6中，光纖通光時，微球在錐區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)彎曲，通光后，可以看到錐區(qū)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(qū)沒有彎曲，通光后，可以看到錐區(qū)基本無透射光出現(xiàn)，適合應用在近場光鑷的實驗中。

圖7 不同光纖錐區(qū)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(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(tài)，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(xiàn)象消失，并且粘附在光纖上的微球數(shù)量明顯減少，有利于實驗現(xiàn)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(jié)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(qū)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(qū)倏逝場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(yī)學中(靶向給藥)擁有廣闊的應用前景。

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