基于飞秒激光加工的光纤光镊

杜佳豪, 苑立波

(桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院, 桂林 541000)

0 引 言

光操纵在物理学[1]、细胞生物学[2]以及其他学科[3]的研究中有着不可替代的作用。1993年，Constable A等[4]首次通过光纤捕获粒子。2006年，Liu Z等[5]研制了一种新型光镊并实现了在水中三维捕获酵母细胞。2017年，Ribeiro Rita R等[6]利用离子束刻蚀的方法在多模光纤端制作菲涅尔透镜并实现对细胞的捕获。实现光纤光镊的方法有很多，例如，研磨法[7]，熔融拉锥[5-8]以及高精度微加工[9]等。然而，传统的光纤光镊探针的焦距是固定的且捕获点离光纤端面较近，因此要在光纤上制作长焦距的光纤光镊是一个挑战。

菲涅尔透镜(Fresnel zone plate,FZP)的数值孔径和焦距可以任意调整，因此，在光纤端加工菲涅尔透镜可以任意选择光镊的捕获距离。在制作的光纤探针中，多模光纤和无芯光纤对出射光场进行预调控；经过无芯光纤内的光束扩散，出射光场经过无芯光纤端的FZP结构后形成能捕获粒子的聚焦光场。对该结构模型的出射光场以及光阱力进行了有限元仿真，并且实验验证了理论的正确性。

1 基本原理

按照一定的比例,由透明和不透明的圆环交替排列，构成了菲涅尔波带片。当波长远小于焦距时，菲涅尔波带片表示为

(1)

式中:a为整数;d为焦距;λ为入射光波长。

由于单模光纤以及普通多模光纤的出射光场光斑很小，限制了菲涅尔透镜的加工尺寸。因此，将单模光纤、多模光纤和无芯光纤依次焊接，结构见图1。多模光纤对单模光纤传输的光起到了预扩散的作用并在光纤切割时便于找到焊点，通过无芯光纤的扩束，使光纤端面光斑尺寸变大，从而扩大工作区域。

图1 “三明治”结构光场传播示意图

2 分析与讨论

2.1 理论仿真

2.1.1 出射光场仿真

利用有限元分析方法对“三明治”光纤探针的出射光场进行数值计算。单模光纤的长度为10 μm，多模光纤的长度为250 μm，无芯光纤的长度为110 μm，根据式(1)，设置的入射光波长为980 nm，焦距d为50 μm，由于实际加工系统的精度限制，a取16。 仿真结果见图2。由图2(a)可见，背景折射率为1(空气)时，焦距约为57 μm。图2(b)背景折射率为1.33(水)时，焦距约为80 μm。对比图2(a)和图2(b)，发现同样的菲涅尔圆环结构，在水中的焦距比在空气中的焦距长，且焦点也比在空气中长。图2(c)和图2(d)为在背景折射率分别为1和1.33的情况下在焦点处沿光纤端面横向的电场截线，由图可见，光斑直径大约为1.5 μm。

图2 “三明治”结构光场仿真

2.1.2 光阱力仿真

在计算出射光场的仿真基础上，添加一个小球模型，计算不同条件下小球所受的横向光阱力和轴向光阱力变化曲线见图3。由图3(a)可见，当小球折射率为1.49，小球半径r分别为3.5、5、7.5 μm时，若小球所在位置的两个点关于光轴对称，所受光阱力大小相等，方向相反且指向光轴。当小球的半径越大时，所受的横向光阱力越大。由此可见，粒子的捕获范围与粒子半径成正比关系。随着粒子半径的改变，捕获位置不变。由图3(b)可见，小球折射率一定，改变小球半径，其轴向光阱力始终在数轴的一侧，不能将小球在横向稳定捕获。

同样，当小球的半径为10 μm，折射率分别为1.42，1.49，1.53时，其横向光阱力见图3(c)。由图3(c)可见，小球半径一定，当小球折射率变化时，其捕获范围不变，捕获位置稳定在光轴处。随着小球折射率增大，所受到的光阱力变大。由图3(d)可见，小球半径一定，当小球折射率变化时，其轴向光阱力始终在数轴的一侧，不能将小球在横向稳定捕获。

图3 小球所受光阱力变化曲线

为了能将小球稳定捕获，将光纤探针抬起，与样品池成一定的角度β，见图4(a)。当会聚光束作用到粒子上时，粒子会受到两个力：梯度力和散射力。散射力的方向与光束传播方向一致，梯度力的方向与光束传播方向垂直。由于聚焦光束直径比较大，梯度力较小，很难稳定捕获粒子。将光纤探针与样品池有一定角度时，可使梯度力与散射力在水平方向的分量平衡，从而达到力的平衡。图4(b)为粒子操控实验装置，可以通过调整位移台来调节光纤位置以及光纤与基底的夹角，CCD直接与显示器相连，可以实时监控画面。

图4 光镊捕获实验装置

2.2 实验结果

“三明治”光纤的显微图像见图5，从左到右分别为单模光纤、多模光纤和无芯光纤。椭圆形虚线部分为不同光纤的焊接点，多模光纤的长度为250 μm，无芯光纤的长度为100 μm。

图5 光纤结构的显微镜图像

飞秒激光以其精度高、易控制等优点在微加工领域得到了广泛应用[10-11],在无芯光纤端面上制造FZP，使用配备高重复频率、高脉冲功率Yb:KGW飞秒激光器的飞秒激光系统。其波长为 515 nm，重复频率为 100 kHz。脉冲持续时间为 231 fs。飞秒激光器的功率为0.126 mW，激光功率由电动衰减器控制。来自衰减器的光经扩束器后通过孔径光阑，形成直径与物镜相等的平行光束；光束在分色镜上反射并使用 100X(NA 0.5)物镜聚焦在无芯光纤端面上，来自 FZP 的散射光最终通过物镜由CCD 相机接收，CCD 相机和分色镜之间的滤光片用于阻止其他杂散光的影响。

在无芯光纤端面制作FZP的显微镜图像见图6。光纤端面直径为125 μm。由图6可见，共有8个“白环”和8个“黑环”，最里面的“白环”半径为6.98 μm，理论值为7 μm。最里面和最外面的“黑环”的宽度分别为 2.85 μm和0.91 μm。理论值分别为 2.9 μm和0.89 μm。

图6 无芯光纤端的FZP显微图像

被捕获细胞的运动轨迹见图7。 白色虚线圆圈内是捕获的细胞，白色矩形框内是未捕获的细胞。图7(a)显示被捕获的细胞位于未捕获的左侧。将光纤探针向右缓慢移动，发现被捕获的细胞跟随纤维探针移动到未捕获细胞的右侧(图7(b))。类似地，将光纤探针缓慢向左移动(图7(c，d))，发现被困细胞随着光纤的移动从右向左移动。

3 结 论

在光纤端面制作微透镜，对提高器件的集成度有重要意义。本文提出了一种“三明治”光纤结构，并进行了数值计算。实验利用飞秒激光微加工技术，在无芯光纤端面上制作了焦距为50 μm的菲涅尔透镜，实现了对酵母细胞的操控，证明了理论的可行性。在理论计算的同时发现，不同的多模光纤和无芯光纤的长度组合会影响透镜的聚焦效果。通过大量的数值计算发现，多模光纤长度小于250 μm，无芯光纤长度小于150 μm效果最好。该探针在微流控芯片中具有较好的应用前景。