李 紅 ，朱應(yīng)鑫，周雅妮，王海波，董明利，祝連慶

（1.北京信息科技大學(xué) 光電測試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室,北京 100016）

1 引言

光鑷是通過光場與物質(zhì)相互作用的光學(xué)力形成的光學(xué)勢阱，能實(shí)現(xiàn)對物體懸浮固定、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作[1]。由于光捕獲和光操控具有精度高、非接觸和無損傷等特點(diǎn)，光鑷在生命科學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。光纖光鑷能用于微米及亞微米級別的細(xì)胞、亞細(xì)胞研究[5]，還可用于檢測和測量生物大分子如DNA、細(xì)胞膜、聚合蛋白纖維、細(xì)胞骨架的纖維膠[6]，還可以測量分子馬達(dá)蛋白如核糖體、肌球蛋白產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力等[7-8]。

光鑷中光學(xué)勢阱產(chǎn)生的光學(xué)力又稱光阱力，是不均勻光場中光穿過物體發(fā)生散射過程中產(chǎn)生的力。光阱力大小與光場分布以及粒子外形、直徑、折射率等粒子特性相關(guān)。光鑷的光場調(diào)控水平?jīng)Q定了對捕獲粒子的動(dòng)態(tài)操控能力?？臻g光鑷采用高數(shù)值孔徑顯微物鏡實(shí)現(xiàn)聚焦梯度光場，其操控距離有限，調(diào)整空間光路過程也很復(fù)雜。光纖光鑷采用光纖制成探針，具有成本低、易于小型化、集成化的優(yōu)勢。光纖光鑷將操作光路從觀察光路中分離出來，使捕獲操作更加靈活，擴(kuò)大了捕獲粒子的移動(dòng)范圍?？臻g光鑷可通過調(diào)試各類光學(xué)器件與透鏡，實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜場強(qiáng)分布的結(jié)構(gòu)光場，對捕獲粒子進(jìn)行動(dòng)態(tài)多樣化操控。然而，光纖探針加工難度大，難以有效調(diào)整出射光場。因此，目前光纖探針僅能實(shí)現(xiàn)一些簡單結(jié)構(gòu)的梯度光場[9-10]，要真正實(shí)現(xiàn)光鑷的小型化、集成化應(yīng)用，需要提升光纖光鑷的出射光場調(diào)控技術(shù)，從而增強(qiáng)光纖光鑷對微粒的操控能力。

隨著光纖應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對光纖的操控性能需求也越發(fā)多樣[11-12]。為了滿足不同條件下的需要，相關(guān)人員加工出了不同于普通光纖的異型光纖。常見的異型光纖加工方法有改變纖芯和包層的形狀、變換纖芯位置和將包層打孔等。這些異型光纖具有不同于普通光纖的特性，更適合用于特定環(huán)境?；谄尽⒍嘈?、懸掛芯、環(huán)形芯等具有特殊纖芯結(jié)構(gòu)的異型光纖制成的光纖光鑷，有利于調(diào)控出射光場的空間分布，提升光纖光鑷的動(dòng)態(tài)操縱能力。

本文對光纖光鑷系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)對光鑷性能的影響進(jìn)行剖析，匯總了不同結(jié)構(gòu)纖芯情況下，光纖光鑷所采用的探針加工方式、微粒捕獲應(yīng)用特點(diǎn)、以及探針的耦合方法，歸納了多芯、環(huán)形芯等異型光纖制成的光鑷的特點(diǎn)以及它們在采樣、生物標(biāo)志物捕獲和分析等方面的應(yīng)用，并介紹了特種芯光纖光鑷的發(fā)展前景。

2 特種芯光纖光鑷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

常規(guī)光纖中，纖芯設(shè)置在包層中心軸線上，與包層的截面呈同心圓形的結(jié)構(gòu)。為了便于特定環(huán)境下的使用，也有將纖芯和包層的位置和形狀加工形成非同心圓形結(jié)構(gòu)的光纖。相對于常規(guī)光纖，這些光纖被稱為異型光纖。其中纖芯結(jié)構(gòu)有別于普通光纖的異型光纖可稱為特種芯光纖，常見的特種芯光纖橫截面示意圖如圖1 所示。

圖1 常見特種芯光纖橫截面示意圖Fig.1 Cross section diagram of common hetero-core fibers

光纖光鑷系統(tǒng)主要由激光光源、光纖、光纖光鑷探針、樣品池、探針操作平臺、顯微鏡、CCD 等構(gòu)成，如圖2 所示。激光源生成的激光束經(jīng)光纖傳輸至光鑷探針，在探針出射聚焦產(chǎn)生梯度光場對物體進(jìn)行捕獲，通過位移操作平臺移動(dòng)光鑷探針，進(jìn)而捕獲物體的位移。激光器作為光源，對形成光阱的質(zhì)量和整個(gè)光鑷系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有重要影響。不同模式激光具有不同的空間分布，在光纖端出射時(shí)形成不同的出射光斑，并一定程度上決定了梯度光場的分布。除激光模式外，光纖探針外形和光纖內(nèi)部纖芯結(jié)構(gòu)也是影響光纖光鑷調(diào)控能力的主要因素。

圖2 特種芯光纖光鑷系統(tǒng)組成Fig.2 Hetero-core optical fiber tweezers system

光學(xué)勢阱是由高能會聚激光形成的梯度光場在物體中發(fā)生折射、反射、吸收等作用后，使物體受力，并最終在光場焦點(diǎn)附近某處實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定捕獲。光鑷探針尖端會聚一般可分為兩種情形：一種是纖芯中傳輸?shù)募す庠谘心伖鈧?cè)表面發(fā)生全反射，形成激光束，常見于多芯光纖(Multi-Core Fiber,MCF)或環(huán)形芯光纖(Annular-Core Fiber,ACF)等具有對稱纖芯分布的特種芯光鑷，由多光束產(chǎn)生交匯光場；另一種則是光纖端受加工方式影響，產(chǎn)生變形、變細(xì)、截?cái)嗟惹闆r，從而失去束縛激光的能力，使激光從纖芯中逸散到包層，并沿探針外形邊界發(fā)生多次反射，從側(cè)面不斷向尖端會聚，從而產(chǎn)生聚焦光場。采用特種芯光纖的光纖光鑷對不同微粒的捕獲及應(yīng)用如表1 所示。

表1 特種芯光纖光鑷微粒捕獲能力匯總Tab.1 Summary of particle capture abilities of hetero-core optical fiber tweezers

光鑷探針的出射光必須形成大發(fā)散角的聚焦光場才能產(chǎn)生光學(xué)勢阱。光纖探針內(nèi)部的纖芯位置和形態(tài)決定了光纖探針內(nèi)部激光的傳播角度，探針外形通常決定了出射到外界時(shí)激光的角度和發(fā)散角。光纖探針可以加工制作成錐形[9-10]、半球形[14]、拋物線形[21]、圓錐臺形[13,16,20]和棱錐形[15,17]等各種形狀。這些結(jié)構(gòu)使原本發(fā)散的激光在光纖尖端會聚，形成梯度光場。不同的光纖加工方式適用于加工不同形狀，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。不同探針加工方式優(yōu)劣對比如表2 所示。

表2 常用探針加工方法優(yōu)缺點(diǎn)對比[21-24]Tab.2 Comparison of probe processing methods[21-24]

傳輸光纖與光纖光鑷探針間需耦合通光。懸掛芯光纖(Suspended-Core Fiber,SCF)、偏芯光纖(Eccentric-Core Fiber,ECF)、MCF 等特種芯光纖的纖芯較細(xì)且不在光纖軸線，因此，與連接光源的單芯光纖熔接時(shí)難以確定其纖芯的具體位置。采用錯(cuò)芯熔接等耦合方式可以實(shí)現(xiàn)傳輸光纖與光纖光鑷探針之間熔接通光。選擇不同的光纖探針耦合方式有時(shí)能顯著改善光纖探針的性能。MCF中的纖芯之間彼此獨(dú)立，可以通過分別控制纖芯通光功率實(shí)現(xiàn)比一般單光纖光鑷更豐富的功能。Zhang 等將光通入雙芯光纖中的一芯，并采用熔融拉錐法處理雙芯光纖，使光束耦合到雙芯中傳輸，之后在光纖末端出射會聚，以捕獲微粒[25]，如圖3(a)所示。Yuan 等將雙芯光纖與單芯光纖焊接起來，在焊點(diǎn)處進(jìn)行熔融拉錐，這樣在雙芯光纖的內(nèi)部就形成了一個(gè)馬赫曾德爾干涉儀[26]，如圖3(b)所示。利用彎曲耦合區(qū)，能對馬赫曾德爾干涉儀的光程進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)纖芯光功率比的調(diào)控，引起旋轉(zhuǎn)力矩使粒子旋轉(zhuǎn)。Liu等通過錯(cuò)芯拼接單模光纖與階躍多模光纖，通過復(fù)合光纖多模干涉產(chǎn)生全光纖橫向自加速類貝塞爾光束發(fā)生器，可得到不對稱的貝塞爾光束[27]，如圖3(c)所示。運(yùn)用這種類貝塞爾束實(shí)現(xiàn)了微粒的橫向加速度傳輸，為粒子提供了一種新的曲線式輸運(yùn)方法。Zhang 設(shè)計(jì)的中空環(huán)形芯光纖光鑷[13]，由于結(jié)合了微流通道技術(shù)，在光鑷探針與激光器尾纖的熔接中，采用錯(cuò)芯熔接的方式(圖3(d))使光纖探針中空孔留出部分空間，便于將微流泵通道與其連接。Xie 等提出一種單模光纖制備的納米螺軸和空心光子晶體光纖間無透鏡、無反射、自穩(wěn)定和自對準(zhǔn)耦合的方式[28](圖3(e))。提出采用自誘導(dǎo)反作用方法來增強(qiáng)對于納米尺度的介電粒子的光學(xué)力。在這種方法中，來自平面光子晶體腔或金屬膜中的納米孔的反饋增強(qiáng)了粒子上的俘獲力振幅。該耦合系統(tǒng)可用于研究高真空條件下的光力學(xué)效應(yīng)，并為在低壓條件下測試基本物理定律提供了條件，例如波動(dòng)耗散定理及平衡與非平衡布朗運(yùn)動(dòng)。

圖3 特種芯光纖探針耦合結(jié)構(gòu)示意圖。（a）單模光纖直接熔接探針中一芯，耦合后雙芯通光；（b）單模光纖直接熔接雙芯探針，拉錐熔接區(qū)域耦合通光[22]；（c）單模光纖錯(cuò)芯熔接多模探針，干涉產(chǎn)生不對稱類貝塞爾光束[27]；（d）單模錯(cuò)位熔接中空環(huán)形芯光纖探針[13]；（e）單模光纖納米探針耦合中空光子晶體光纖[28]Fig.3 Schematic diagrams of hetero-core optical fiber probe coupling structures.(a) Single-mode fiber direct fusion probe in one core,and the two-core light is achieved after coupling;(b) single-mode fiber direct fusion dual-core probe,taper welding area coupled through light[22];(c) single-mode fiber core-offset splicing multimode probe to generate asymmetric Bessel-like beam by interference[27];(d) single-mode dislocation splicing hollow ring core fiber probe[13];(e) singlemode fiber nanoprobe coupled hollow photonic crystal fiber[28]

3 基于多芯結(jié)構(gòu)的光纖光鑷

普通單模光纖一般是由一根纖芯和包裹纖芯的包層組成，而MCF 的包層中含有多根纖芯，通常呈環(huán)形分布[29-30]。MCF 芯數(shù)一般為雙芯到七芯，最多能達(dá)幾十芯。光纖中高密度的纖芯分布提升了對信號與能量的傳輸能力[31-32]。偏芯光纖中纖芯偏離光纖中心軸線，偏向一側(cè)包層，從而會在該纖芯近包層一側(cè)的光纖表面產(chǎn)生較強(qiáng)的倏逝場[33-34]。倏逝波僅存在于纖芯和包層相接觸的非常薄的一層平面內(nèi)，在外界環(huán)境與纖芯表面的相互作用下，其振幅隨著傳播距離的增大呈指數(shù)式衰減[34]。MCF 的纖芯同樣偏離光纖中心軸線，因此MCF 同樣對外界敏感，能在光纖表面產(chǎn)生相對于普通光纖更強(qiáng)的倏逝場。

根據(jù)海森伯不確定性原理，只有倏逝場才能攜帶超衍射極限分辨的光信息，即要實(shí)現(xiàn)超衍射極限分辨必須利用倏逝波[19，35]。近場光鑷技術(shù)基于近場光學(xué)中倏逝場的特性能實(shí)現(xiàn)對納米級粒子的捕獲。MCF、ACF 等具有近包層纖芯特點(diǎn)的異型光纖可以用于制備近場光纖光鑷[36-37]。Hou 與Liu 將MCF 與近場光鑷相結(jié)合，使用MCF 構(gòu)成近場光鑷[20]。將雙芯光纖研磨成圓錐臺結(jié)構(gòu)，并在光纖的錐體鍍有高反射率的金屬膜，使得經(jīng)光纖端以一定角度入射的光通過纖芯到達(dá)金屬薄膜。來自MCF 不同纖芯相反傳輸?shù)南喔晒獐B加，形成干涉效應(yīng)增強(qiáng)光，通過在光纖與水界面形成倏逝波，實(shí)現(xiàn)對物體的捕獲。這一研究大大改善了新一代全光纖近場光鑷的捕獲能力。

Fooladi 等也提出了一種采用雙芯光纖結(jié)合等離子體制成的近場光鑷[19](圖4(a)，彩圖見期刊電子版)。其具有局部表面等離子共振(Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR)的等離子金屬納米結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)高局部場強(qiáng)梯度，以增強(qiáng)梯度力[38]。

圖4 基于多芯結(jié)構(gòu)光纖光鑷探針結(jié)構(gòu)。（a）等離子體錐形雙芯光纖光鑷橫截面[19]；（b）三芯光學(xué)微手結(jié)構(gòu)與渦旋光場場強(qiáng)分布[38]；（c）四芯光纖端面顯微鏡照片，光纖直徑150 μm 對角纖芯間距65 μm；光纖鑷的截面設(shè)計(jì)；兩收斂光束從加工對角纖芯傳播的三維示意圖，收斂區(qū)域球體代表一個(gè)被捕獲細(xì)胞[15]Fig.4 Probe structure based on multi-core fiber optical tweezers.(a) Cross section of plasma tapered dual-core optical fiber tweezers [19];(b) three-core optical micro-hand structure and vortex field intensity distribution[38];(c) Four-core fiber end face microscope photo,fiber diameter is 150 μm and diagonal core spacing is 65 μm;design of fiber tweezers' cross section;a three-dimensional diagram of two convergent beams propagating from the processing diagonal fiber core.The sphere in the convergent region represents a captured cell[15]

由于等離子體效應(yīng)在空氣和金介質(zhì)中會發(fā)生衰減，在金尖端的界面處能觀察到最大電場[39]。在光纖尖端形成的LSPR 與高電磁場有關(guān)，從而能產(chǎn)生相當(dāng)大的捕獲力。LSPR 是金屬表面自由電子與入射光子相互耦合與集體振蕩產(chǎn)生的一種僅在金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪Ｊ絒40-41]，其強(qiáng)度沿遠(yuǎn)離金屬表面方向呈指數(shù)衰減[42]。與介質(zhì)表面倏逝波相比，LSPR 雖然也是一種倏逝波，但其在金屬表面的近場局域性更強(qiáng)，具有更高的表面電磁場增強(qiáng)因子和垂直方向的電場梯度。因此，LSPR光鑷可以顯著提高倏逝場產(chǎn)生的光學(xué)梯度力，較近場倏逝波光鑷具有更強(qiáng)的捕獲能力。等離子激元光鑷?yán)昧说入x子激元光場增強(qiáng)以及突破衍射極限的能力，從而可實(shí)現(xiàn)亞波長光場的特性，使得光鑷具有更為可觀的勢阱深度以及能夠?qū)⑽矬w捕獲在納米尺度的位置范圍內(nèi)。

Liberale 于2007 年提出了全反射的光纖探針結(jié)構(gòu)[43]。通過研磨拋光光纖端面錐角，使得各個(gè)芯中傳播的光束在光纖邊緣全反射，形成大角度的出射光路。這種光路調(diào)節(jié)方法有效發(fā)揮了多芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，使得光纖光鑷能夠經(jīng)不同纖芯出射不同角度的激光束，形成不對稱交匯光場。環(huán)形分布的MCF，或者多芯結(jié)構(gòu)的ACF 可以重構(gòu)以獲得穩(wěn)定的捕獲裝置。苑立波等將三芯光纖經(jīng)研磨拋光制成圓錐臺形光鑷探針，又稱三芯光學(xué)微手[38](圖4(b))。三芯光學(xué)微手中三個(gè)出射光束不完全會聚，纖芯出射光束先是逐漸聚攏然后發(fā)散出去，產(chǎn)生呈漩渦狀分布的渦旋光場。在光束橫向光場直徑最小處附近，既有足夠的光強(qiáng)梯度捕獲粒子，又具有渦旋分量可使粒子轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，就產(chǎn)生了渦旋光學(xué)勢阱，通過單光纖光鑷操控實(shí)現(xiàn)了橢圓型酵母細(xì)胞旋轉(zhuǎn)。

基于MCF 的光學(xué)捕獲類似傳統(tǒng)顯微鏡光鑷中使用的拉蓋爾-高斯光束捕獲。光場分布上，光纖軸的光強(qiáng)度為零。由于光纖軸上沒有沿光束傳播方向的散射力將粒子推出陷阱，因此光學(xué)勢阱更強(qiáng)。同時(shí)與傳統(tǒng)光鑷聚焦光束相比，光束略有發(fā)散，因此俘獲造成的光學(xué)和熱損傷最小。Anastasiadi 等通過聚焦離子束銑削技術(shù)，銑削四芯光纖中兩對角纖芯形成端面反射鏡[15](圖4(c)，彩圖見期刊電子版)。該種光纖探針能夠?qū)崿F(xiàn)對酵母細(xì)胞的三維捕獲，最大數(shù)值孔徑為1.039，可產(chǎn)生26.45 pN 的最大俘獲力。MCF 的多纖芯結(jié)構(gòu)使光鑷探針加工具有更大的自由度，通過調(diào)節(jié)多激光束角度與功率可提升光纖光鑷的捕獲能力與操控水平。

4 基于環(huán)形芯結(jié)構(gòu)的光纖光鑷

ACF 與MCF 類似，具有高能量傳輸效率。由于ACF 呈對稱分布，有利于光鑷出射光場的聚焦。ACF 的纖芯分布便于制備中心孔，經(jīng)加工的中空環(huán)形芯光纖不影響環(huán)形纖芯中的光傳播[13]。申澤通過彎曲錐形ACF，提出一種利用倏逝場捕獲并運(yùn)輸粒子的單光纖光鑷（圖5，彩圖見期刊電子版）[44-45]。如圖5(a)所示，在該鳥喙形ACF光鑷的彎曲側(cè)面，粒子被光鑷表面的倏逝場捕獲。粒子在側(cè)邊被捕獲后，沿表面逐漸向尖端移動(dòng)，并在尖端實(shí)現(xiàn)三維捕獲。該光鑷可以將光鑷側(cè)邊粒子捕獲后運(yùn)輸?shù)巾敹?，從而擴(kuò)大了光鑷捕獲范圍。經(jīng)側(cè)邊運(yùn)輸?shù)膹?fù)數(shù)粒子將依次靠在頂端細(xì)胞旁，實(shí)現(xiàn)粒子隊(duì)列式捕獲。此外，可以通過頂端散射光場將頂端捕獲粒子彈射出去，實(shí)現(xiàn)粒子“光槍”功能。

圖5 ACF 光纖光鑷結(jié)構(gòu)與工作示意圖。（a）鳥喙形環(huán)形芯光纖探針及微粒受力仿真示意圖[44]；（b）中空環(huán)形芯光纖光鑷[13]；（c）環(huán)形芯光纖截面圖像，帶二氧化硅微球的環(huán)形芯光纖探頭圖像，暗場光漏斗原理圖[14]；（d）基于同軸環(huán)形雙波導(dǎo)的尺寸測量干涉方法示意圖,M1 為纖維端面,M2 為被困微球左側(cè),MS 為微球[45]Fig.5 Structure and operating diagram of optical fiber tweezers with ring core structure.(a) Beak-shaped ring-core optic fiber probe and particle force simulation diagram[44];(b) hollow ring core optical fiber tweezers[13];(c) cross-section image of annular core fiber,image of annular core fiber probe with silica microspheres,and schematic diagram of dark field optical funnel[14];(d) schematic diagram of size measurement interference method based on coaxial ring double waveguide.M1 is the fiber end face,M2 is the left side of the trapped microsphere,and MS is the microsphere[45]

微流控技術(shù)指的是使用微管道(尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米)處理或操縱微小流體(體積為納升到微升)的技術(shù)[46]。傳統(tǒng)光纖型微流控芯片常用普通光纖作為微流芯片的光輸入來輸出波導(dǎo)[47]，用以輔助微流控器件實(shí)現(xiàn)化學(xué)分析、生物合成、藥物輸送等功能[48]。但其不僅存在造價(jià)昂貴、制造困難等問題，而且微流道與光纖分離導(dǎo)致的芯片與光纖的光耦合效率低、樣品與光波導(dǎo)接觸面積有限等問題也限制了光纖型微流控芯片的進(jìn)一步發(fā)展[49]。光鑷一般在液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，結(jié)合微流通道使細(xì)胞具有運(yùn)動(dòng)趨勢，實(shí)現(xiàn)樣本的空間劃分，有利于對大量細(xì)胞的逐個(gè)測量或判別[50]。采用懸掛芯或中空環(huán)形芯光纖光鑷可以通過調(diào)節(jié)光阱力和液體粘滯阻力的合力，實(shí)現(xiàn)微納尺度微粒在液體環(huán)境中的短距離、高精度輸運(yùn)，極大程度地提高了微流操縱粒子的自由度。Zhang Y 等實(shí)現(xiàn)了一種基于中空環(huán)形芯的單光纖光鑷(圖5(b))[13]，通過對ACF 末端側(cè)面進(jìn)行打磨拋光或鍍膜處理，能使光路在側(cè)面發(fā)生全反射，從而出射形成強(qiáng)聚焦光場，最終形成光鑷所需的梯度光場。該光鑷通過錯(cuò)芯熔接使得光纖中空部分留有空隙，能夠與微型機(jī)械泵上的注射器通道連通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對懸掛光纖微流通道內(nèi)部流體的控制。該光鑷對于活體細(xì)胞的動(dòng)態(tài)操縱和精確疾病診斷具有很大的潛力。此外，在ACF 的中央再加入一根纖芯，形成同軸雙波導(dǎo)光纖可以制成“光槍”。通過ACF部分將粒子捕獲，然后給中間的纖芯一束功率比較高的光，借助激光散射力將捕獲的粒子沿光傳播方向發(fā)射出去，可用于靶向藥物的準(zhǔn)確傳遞。

一般光鑷只能捕獲較環(huán)境介質(zhì)折射率更高的粒子，這是由于光鑷捕獲力主要來自梯度力。不均勻光場中，對高折射率粒子，梯度力從低光強(qiáng)指向高光強(qiáng)，而對于低折射率粒子，梯度力方向從高光強(qiáng)指向低光強(qiáng)。因此，在聚焦光場中，光鑷能將高折射率粒子從聚焦場周圍捕獲到焦點(diǎn)附近，低折射率粒子受力相反，無法形成捕獲。Liu 采用紫外固化膠在ACF 末端集成二氧化硅微球?qū)崿F(xiàn)了一種光學(xué)暗阱[14]，其光場強(qiáng)弱分布與普通光阱相反，呈現(xiàn)四周強(qiáng)中心弱，如圖5(c)所示。此方案的光纖探針可用于在高折射率環(huán)境中捕獲低折射率活細(xì)胞或微粒。ACF 中傳播的空心環(huán)形光束，經(jīng)二氧化硅小球折射，匯聚后產(chǎn)生暗場光漏斗，在甘油溶液中成功捕獲酵母活細(xì)胞。該光纖探針制作方法簡單、高效、成本低，為制作光學(xué)暗阱提供了一種結(jié)構(gòu)思路。

除了捕獲、操縱粒子，光纖光鑷也能進(jìn)行微小力、微小位移等高精度測量。Liu 等提出了一種基于同軸雙波導(dǎo)光纖的光纖光鑷測量激光器(圖5(d))[45]。該同軸雙波導(dǎo)光纖具有外環(huán)形芯和中心芯，纖端經(jīng)拋磨拋光成旋轉(zhuǎn)對稱的圓錐臺形。沿外部環(huán)形芯傳輸光束經(jīng)拋光側(cè)面發(fā)生全反射，并在尖端形成光阱用于捕獲微粒，光纖端面和被捕獲顆粒表面的反射光產(chǎn)生雙束干涉，中心芯用于接收干涉信號，從而利用干涉譜的FSR 獲取顆粒尺寸信息。該結(jié)構(gòu)光纖光鑷實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、無創(chuàng)、無標(biāo)簽的微米級顆粒的尺寸測量。

5 基于其他結(jié)構(gòu)的光纖光鑷

傳統(tǒng)光鑷技術(shù)一般采用單束激光聚焦產(chǎn)生，光束強(qiáng)度分布為高斯型，相位分布為均勻分布，偏振分布在光束截面內(nèi)也是均勻的(稱為標(biāo)量偏振光束)。對于結(jié)構(gòu)光束光鑷，可以采用不同相位、不同偏振的結(jié)構(gòu)光束，如具有軌道角動(dòng)量的拉蓋爾-高斯光束、高階貝塞爾光束等。隨著光纖光鑷技術(shù)的發(fā)展，貝塞爾等結(jié)構(gòu)光束逐漸被應(yīng)用于光纖光鑷[51-54]，為光纖光鑷帶來更加豐富的顆粒操控效果。

光場的分布對光鑷至關(guān)重要，不同激光模式有著特定的空間分布[55-56]。Zhang 等通過激發(fā)LP11模式的激光實(shí)現(xiàn)了光纖光鑷對粒子的旋轉(zhuǎn)操控[57]。圖6(a)顯示了LP11模式光束光場分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。LP11模光束兩葉的對稱軸沿橢圓核的短軸分布。拉伸或扭曲橢圓芯光纖時(shí)，LP11模兩葉的光強(qiáng)不會發(fā)生變化。當(dāng)以某個(gè)角度扭轉(zhuǎn)橢圓芯光纖尖端時(shí)，沿橢圓芯長軸的LP11模式將旋轉(zhuǎn)相同角度，此時(shí)被LP11捕獲的酵母細(xì)胞發(fā)生同步旋轉(zhuǎn)。橢圓芯光纖光鑷捕獲及旋轉(zhuǎn)細(xì)胞的操作較其他光纖光鑷方式更加簡單和穩(wěn)定。Lee 首次為激光光束整形提供了一個(gè)集成的全光纖解決方案[16]，如圖6(b)所示，其由三段連續(xù)連接的光纖段組成：單模光纖、從純硅玻璃棒中提取的無芯二氧化硅光纖、以及在光纖末端形成的微透鏡。該裝置基于沿?zé)o芯二氧化硅纖維端的多模干涉產(chǎn)生貝塞爾樣光束，然后使用光纖透鏡聚焦其同心圓圖案。該光束成功地應(yīng)用于多介電粒子的二維光捕獲和縱向傳輸，展現(xiàn)了獨(dú)特的無衍射和自重構(gòu)特性。

圖6 基于其他結(jié)構(gòu)光纖的光鑷探針結(jié)構(gòu)及工作原理。（a）橢圓芯光纖光鑷采用LP11 模式激光旋轉(zhuǎn)酵母細(xì)胞[57]；（b）多模干涉產(chǎn)生類貝塞爾光束原理示意圖;制備全光纖類貝塞爾發(fā)生器及其幾何參數(shù)圖像[16]Fig.6 The structure and working principle of optical tweezers probe based on other core fiber structures.(a) Elliptical core optical fiber tweezers rotating yeast cells by using LP11 mode laser [57];(b) schematic diagram of the principle of Bessellike beam generated by multimode interference;fabricated all-fiber Bessel beam generation and its geometric parameters[16]

6 總結(jié)與展望

近年來，相關(guān)研究者對于光纖種類、加工方法、探針外形、傳輸光源、耦合方式等多個(gè)方面展開研究，目標(biāo)在于提升光纖光鑷的捕獲范圍以及動(dòng)態(tài)操控能力。目前主要通過熱拉伸法、研磨拋光法、化學(xué)刻蝕法等光纖加工技術(shù)，來控制激光在光纖探針尖端的會聚程度，從而產(chǎn)生不同焦距和不同焦斑半徑的聚焦梯度光場。纖芯是光波導(dǎo)的傳輸通道，可將激光束縛在纖芯中通過全反射的方式向前傳播。當(dāng)探針尖端的纖芯受光纖端面加工的影響，被截?cái)嗷虮焕熳兗?xì)時(shí)，就會失去束縛激光的能力。在光鑷探針中，光纖尖端的纖芯角度、纖芯數(shù)量和纖芯失去束縛能力的位置等對出射聚焦光場的大小及位置有著不可忽視的重要影響。

目前通過結(jié)合微流控芯片、近場倏逝波、等離子激元等技術(shù)，大大豐富了光纖光鑷的動(dòng)態(tài)操控能力。多芯、環(huán)形芯等結(jié)構(gòu)的特種芯光纖又提供了可調(diào)控多束激光，在此基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對于耦合方式和探針加工方式進(jìn)行研究，將多激光束的優(yōu)勢利用起來。通過激光束之間的干涉復(fù)合，形成復(fù)雜多變的聚焦光場，從而有效提高光纖光鑷的動(dòng)態(tài)操控能力。