特种芯光纤光镊技术研究进展

李 红 ，朱应鑫，周雅妮，王海波，董明利，祝连庆

（1.北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室,北京 100192；2.北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室,北京 100016）

1 引言

光镊是通过光场与物质相互作用的光学力形成的光学势阱，能实现对物体悬浮固定、移动、旋转等操作[1]。由于光捕获和光操控具有精度高、非接触和无损伤等特点，光镊在生命科学、材料化学等领域得到了广泛的应用[2-4]。光纤光镊能用于微米及亚微米级别的细胞、亚细胞研究[5]，还可用于检测和测量生物大分子如DNA、细胞膜、聚合蛋白纤维、细胞骨架的纤维胶[6]，还可以测量分子马达蛋白如核糖体、肌球蛋白产生的驱动力等[7-8]。

光镊中光学势阱产生的光学力又称光阱力，是不均匀光场中光穿过物体发生散射过程中产生的力。光阱力大小与光场分布以及粒子外形、直径、折射率等粒子特性相关。光镊的光场调控水平决定了对捕获粒子的动态操控能力。空间光镊采用高数值孔径显微物镜实现聚焦梯度光场，其操控距离有限，调整空间光路过程也很复杂。光纤光镊采用光纤制成探针，具有成本低、易于小型化、集成化的优势。光纤光镊将操作光路从观察光路中分离出来，使捕获操作更加灵活，扩大了捕获粒子的移动范围。空间光镊可通过调试各类光学器件与透镜，实现具有复杂场强分布的结构光场，对捕获粒子进行动态多样化操控。然而，光纤探针加工难度大，难以有效调整出射光场。因此，目前光纤探针仅能实现一些简单结构的梯度光场[9-10]，要真正实现光镊的小型化、集成化应用，需要提升光纤光镊的出射光场调控技术，从而增强光纤光镊对微粒的操控能力。

随着光纤应用领域的不断扩展，对光纤的操控性能需求也越发多样[11-12]。为了满足不同条件下的需要，相关人员加工出了不同于普通光纤的异型光纤。常见的异型光纤加工方法有改变纤芯和包层的形状、变换纤芯位置和将包层打孔等。这些异型光纤具有不同于普通光纤的特性，更适合用于特定环境。基于偏芯、多芯、悬挂芯、环形芯等具有特殊纤芯结构的异型光纤制成的光纤光镊，有利于调控出射光场的空间分布，提升光纤光镊的动态操纵能力。

本文对光纤光镊系统组成及关键技术对光镊性能的影响进行剖析，汇总了不同结构纤芯情况下，光纤光镊所采用的探针加工方式、微粒捕获应用特点、以及探针的耦合方法，归纳了多芯、环形芯等异型光纤制成的光镊的特点以及它们在采样、生物标志物捕获和分析等方面的应用，并介绍了特种芯光纤光镊的发展前景。

2 特种芯光纤光镊系统关键技术

常规光纤中，纤芯设置在包层中心轴线上，与包层的截面呈同心圆形的结构。为了便于特定环境下的使用，也有将纤芯和包层的位置和形状加工形成非同心圆形结构的光纤。相对于常规光纤，这些光纤被称为异型光纤。其中纤芯结构有别于普通光纤的异型光纤可称为特种芯光纤，常见的特种芯光纤横截面示意图如图1 所示。

图1 常见特种芯光纤横截面示意图Fig.1 Cross section diagram of common hetero-core fibers

光纤光镊系统主要由激光光源、光纤、光纤光镊探针、样品池、探针操作平台、显微镜、CCD 等构成，如图2 所示。激光源生成的激光束经光纤传输至光镊探针，在探针出射聚焦产生梯度光场对物体进行捕获，通过位移操作平台移动光镊探针，进而捕获物体的位移。激光器作为光源，对形成光阱的质量和整个光镊系统的稳定性都具有重要影响。不同模式激光具有不同的空间分布，在光纤端出射时形成不同的出射光斑，并一定程度上决定了梯度光场的分布。除激光模式外，光纤探针外形和光纤内部纤芯结构也是影响光纤光镊调控能力的主要因素。

图2 特种芯光纤光镊系统组成Fig.2 Hetero-core optical fiber tweezers system

光学势阱是由高能会聚激光形成的梯度光场在物体中发生折射、反射、吸收等作用后，使物体受力，并最终在光场焦点附近某处实现稳定捕获。光镊探针尖端会聚一般可分为两种情形：一种是纤芯中传输的激光在研磨抛光侧表面发生全反射，形成激光束，常见于多芯光纤(Multi-Core Fiber,MCF)或环形芯光纤(Annular-Core Fiber,ACF)等具有对称纤芯分布的特种芯光镊，由多光束产生交汇光场；另一种则是光纤端受加工方式影响，产生变形、变细、截断等情况，从而失去束缚激光的能力，使激光从纤芯中逸散到包层，并沿探针外形边界发生多次反射，从侧面不断向尖端会聚，从而产生聚焦光场。采用特种芯光纤的光纤光镊对不同微粒的捕获及应用如表1 所示。

表1 特种芯光纤光镊微粒捕获能力汇总Tab.1 Summary of particle capture abilities of hetero-core optical fiber tweezers

光镊探针的出射光必须形成大发散角的聚焦光场才能产生光学势阱。光纤探针内部的纤芯位置和形态决定了光纤探针内部激光的传播角度，探针外形通常决定了出射到外界时激光的角度和发散角。光纤探针可以加工制作成锥形[9-10]、半球形[14]、抛物线形[21]、圆锥台形[13,16,20]和棱锥形[15,17]等各种形状。这些结构使原本发散的激光在光纤尖端会聚，形成梯度光场。不同的光纤加工方式适用于加工不同形状，具有各自的优缺点。不同探针加工方式优劣对比如表2 所示。

表2 常用探针加工方法优缺点对比[21-24]Tab.2 Comparison of probe processing methods[21-24]

传输光纤与光纤光镊探针间需耦合通光。悬挂芯光纤(Suspended-Core Fiber,SCF)、偏芯光纤(Eccentric-Core Fiber,ECF)、MCF 等特种芯光纤的纤芯较细且不在光纤轴线，因此，与连接光源的单芯光纤熔接时难以确定其纤芯的具体位置。采用错芯熔接等耦合方式可以实现传输光纤与光纤光镊探针之间熔接通光。选择不同的光纤探针耦合方式有时能显著改善光纤探针的性能。MCF中的纤芯之间彼此独立，可以通过分别控制纤芯通光功率实现比一般单光纤光镊更丰富的功能。Zhang 等将光通入双芯光纤中的一芯，并采用熔融拉锥法处理双芯光纤，使光束耦合到双芯中传输，之后在光纤末端出射会聚，以捕获微粒[25]，如图3(a)所示。Yuan 等将双芯光纤与单芯光纤焊接起来，在焊点处进行熔融拉锥，这样在双芯光纤的内部就形成了一个马赫曾德尔干涉仪[26]，如图3(b)所示。利用弯曲耦合区，能对马赫曾德尔干涉仪的光程进行调整，从而实现对两个纤芯光功率比的调控，引起旋转力矩使粒子旋转。Liu等通过错芯拼接单模光纤与阶跃多模光纤，通过复合光纤多模干涉产生全光纤横向自加速类贝塞尔光束发生器，可得到不对称的贝塞尔光束[27]，如图3(c)所示。运用这种类贝塞尔束实现了微粒的横向加速度传输，为粒子提供了一种新的曲线式输运方法。Zhang 设计的中空环形芯光纤光镊[13]，由于结合了微流通道技术，在光镊探针与激光器尾纤的熔接中，采用错芯熔接的方式(图3(d))使光纤探针中空孔留出部分空间，便于将微流泵通道与其连接。Xie 等提出一种单模光纤制备的纳米螺轴和空心光子晶体光纤间无透镜、无反射、自稳定和自对准耦合的方式[28](图3(e))。提出采用自诱导反作用方法来增强对于纳米尺度的介电粒子的光学力。在这种方法中，来自平面光子晶体腔或金属膜中的纳米孔的反馈增强了粒子上的俘获力振幅。该耦合系统可用于研究高真空条件下的光力学效应，并为在低压条件下测试基本物理定律提供了条件，例如波动耗散定理及平衡与非平衡布朗运动。

图3 特种芯光纤探针耦合结构示意图。（a）单模光纤直接熔接探针中一芯，耦合后双芯通光；（b）单模光纤直接熔接双芯探针，拉锥熔接区域耦合通光[22]；（c）单模光纤错芯熔接多模探针，干涉产生不对称类贝塞尔光束[27]；（d）单模错位熔接中空环形芯光纤探针[13]；（e）单模光纤纳米探针耦合中空光子晶体光纤[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 基于多芯结构的光纤光镊

普通单模光纤一般是由一根纤芯和包裹纤芯的包层组成，而MCF 的包层中含有多根纤芯，通常呈环形分布[29-30]。MCF 芯数一般为双芯到七芯，最多能达几十芯。光纤中高密度的纤芯分布提升了对信号与能量的传输能力[31-32]。偏芯光纤中纤芯偏离光纤中心轴线，偏向一侧包层，从而会在该纤芯近包层一侧的光纤表面产生较强的倏逝场[33-34]。倏逝波仅存在于纤芯和包层相接触的非常薄的一层平面内，在外界环境与纤芯表面的相互作用下，其振幅随着传播距离的增大呈指数式衰减[34]。MCF 的纤芯同样偏离光纤中心轴线，因此MCF 同样对外界敏感，能在光纤表面产生相对于普通光纤更强的倏逝场。

根据海森伯不确定性原理，只有倏逝场才能携带超衍射极限分辨的光信息，即要实现超衍射极限分辨必须利用倏逝波[19，35]。近场光镊技术基于近场光学中倏逝场的特性能实现对纳米级粒子的捕获。MCF、ACF 等具有近包层纤芯特点的异型光纤可以用于制备近场光纤光镊[36-37]。Hou 与Liu 将MCF 与近场光镊相结合，使用MCF 构成近场光镊[20]。将双芯光纤研磨成圆锥台结构，并在光纤的锥体镀有高反射率的金属膜，使得经光纤端以一定角度入射的光通过纤芯到达金属薄膜。来自MCF 不同纤芯相反传输的相干光叠加，形成干涉效应增强光，通过在光纤与水界面形成倏逝波，实现对物体的捕获。这一研究大大改善了新一代全光纤近场光镊的捕获能力。

Fooladi 等也提出了一种采用双芯光纤结合等离子体制成的近场光镊[19](图4(a)，彩图见期刊电子版)。其具有局部表面等离子共振(Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR)的等离子金属纳米结构，能实现高局部场强梯度，以增强梯度力[38]。

图4 基于多芯结构光纤光镊探针结构。（a）等离子体锥形双芯光纤光镊横截面[19]；（b）三芯光学微手结构与涡旋光场场强分布[38]；（c）四芯光纤端面显微镜照片，光纤直径150 μm 对角纤芯间距65 μm；光纤镊的截面设计；两收敛光束从加工对角纤芯传播的三维示意图，收敛区域球体代表一个被捕获细胞[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]

由于等离子体效应在空气和金介质中会发生衰减，在金尖端的界面处能观察到最大电场[39]。在光纤尖端形成的LSPR 与高电磁场有关，从而能产生相当大的捕获力。LSPR 是金属表面自由电子与入射光子相互耦合与集体振荡产生的一种仅在金属表面传播的电磁波模式[40-41]，其强度沿远离金属表面方向呈指数衰减[42]。与介质表面倏逝波相比，LSPR 虽然也是一种倏逝波，但其在金属表面的近场局域性更强，具有更高的表面电磁场增强因子和垂直方向的电场梯度。因此，LSPR光镊可以显著提高倏逝场产生的光学梯度力，较近场倏逝波光镊具有更强的捕获能力。等离子激元光镊利用了等离子激元光场增强以及突破衍射极限的能力，从而可实现亚波长光场的特性，使得光镊具有更为可观的势阱深度以及能够将物体捕获在纳米尺度的位置范围内。

Liberale 于2007 年提出了全反射的光纤探针结构[43]。通过研磨抛光光纤端面锥角，使得各个芯中传播的光束在光纤边缘全反射，形成大角度的出射光路。这种光路调节方法有效发挥了多芯结构的优势，使得光纤光镊能够经不同纤芯出射不同角度的激光束，形成不对称交汇光场。环形分布的MCF，或者多芯结构的ACF 可以重构以获得稳定的捕获装置。苑立波等将三芯光纤经研磨抛光制成圆锥台形光镊探针，又称三芯光学微手[38](图4(b))。三芯光学微手中三个出射光束不完全会聚，纤芯出射光束先是逐渐聚拢然后发散出去，产生呈漩涡状分布的涡旋光场。在光束横向光场直径最小处附近，既有足够的光强梯度捕获粒子，又具有涡旋分量可使粒子转动。因此，就产生了涡旋光学势阱，通过单光纤光镊操控实现了椭圆型酵母细胞旋转。

基于MCF 的光学捕获类似传统显微镜光镊中使用的拉盖尔-高斯光束捕获。光场分布上，光纤轴的光强度为零。由于光纤轴上没有沿光束传播方向的散射力将粒子推出陷阱，因此光学势阱更强。同时与传统光镊聚焦光束相比，光束略有发散，因此俘获造成的光学和热损伤最小。Anastasiadi 等通过聚焦离子束铣削技术，铣削四芯光纤中两对角纤芯形成端面反射镜[15](图4(c)，彩图见期刊电子版)。该种光纤探针能够实现对酵母细胞的三维捕获，最大数值孔径为1.039，可产生26.45 pN 的最大俘获力。MCF 的多纤芯结构使光镊探针加工具有更大的自由度，通过调节多激光束角度与功率可提升光纤光镊的捕获能力与操控水平。

4 基于环形芯结构的光纤光镊

ACF 与MCF 类似，具有高能量传输效率。由于ACF 呈对称分布，有利于光镊出射光场的聚焦。ACF 的纤芯分布便于制备中心孔，经加工的中空环形芯光纤不影响环形纤芯中的光传播[13]。申泽通过弯曲锥形ACF，提出一种利用倏逝场捕获并运输粒子的单光纤光镊（图5，彩图见期刊电子版）[44-45]。如图5(a)所示，在该鸟喙形ACF光镊的弯曲侧面，粒子被光镊表面的倏逝场捕获。粒子在侧边被捕获后，沿表面逐渐向尖端移动，并在尖端实现三维捕获。该光镊可以将光镊侧边粒子捕获后运输到顶端，从而扩大了光镊捕获范围。经侧边运输的复数粒子将依次靠在顶端细胞旁，实现粒子队列式捕获。此外，可以通过顶端散射光场将顶端捕获粒子弹射出去，实现粒子“光枪”功能。

图5 ACF 光纤光镊结构与工作示意图。（a）鸟喙形环形芯光纤探针及微粒受力仿真示意图[44]；（b）中空环形芯光纤光镊[13]；（c）环形芯光纤截面图像，带二氧化硅微球的环形芯光纤探头图像，暗场光漏斗原理图[14]；（d）基于同轴环形双波导的尺寸测量干涉方法示意图,M1 为纤维端面,M2 为被困微球左侧,MS 为微球[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]

微流控技术指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到微升)的技术[46]。传统光纤型微流控芯片常用普通光纤作为微流芯片的光输入来输出波导[47]，用以辅助微流控器件实现化学分析、生物合成、药物输送等功能[48]。但其不仅存在造价昂贵、制造困难等问题，而且微流道与光纤分离导致的芯片与光纤的光耦合效率低、样品与光波导接触面积有限等问题也限制了光纤型微流控芯片的进一步发展[49]。光镊一般在液体环境中实现，结合微流通道使细胞具有运动趋势，实现样本的空间划分，有利于对大量细胞的逐个测量或判别[50]。采用悬挂芯或中空环形芯光纤光镊可以通过调节光阱力和液体粘滞阻力的合力，实现微纳尺度微粒在液体环境中的短距离、高精度输运，极大程度地提高了微流操纵粒子的自由度。Zhang Y 等实现了一种基于中空环形芯的单光纤光镊(图5(b))[13]，通过对ACF 末端侧面进行打磨抛光或镀膜处理，能使光路在侧面发生全反射，从而出射形成强聚焦光场，最终形成光镊所需的梯度光场。该光镊通过错芯熔接使得光纤中空部分留有空隙，能够与微型机械泵上的注射器通道连通，进而实现对悬挂光纤微流通道内部流体的控制。该光镊对于活体细胞的动态操纵和精确疾病诊断具有很大的潜力。此外，在ACF 的中央再加入一根纤芯，形成同轴双波导光纤可以制成“光枪”。通过ACF部分将粒子捕获，然后给中间的纤芯一束功率比较高的光，借助激光散射力将捕获的粒子沿光传播方向发射出去，可用于靶向药物的准确传递。

一般光镊只能捕获较环境介质折射率更高的粒子，这是由于光镊捕获力主要来自梯度力。不均匀光场中，对高折射率粒子，梯度力从低光强指向高光强，而对于低折射率粒子，梯度力方向从高光强指向低光强。因此，在聚焦光场中，光镊能将高折射率粒子从聚焦场周围捕获到焦点附近，低折射率粒子受力相反，无法形成捕获。Liu 采用紫外固化胶在ACF 末端集成二氧化硅微球实现了一种光学暗阱[14]，其光场强弱分布与普通光阱相反，呈现四周强中心弱，如图5(c)所示。此方案的光纤探针可用于在高折射率环境中捕获低折射率活细胞或微粒。ACF 中传播的空心环形光束，经二氧化硅小球折射，汇聚后产生暗场光漏斗，在甘油溶液中成功捕获酵母活细胞。该光纤探针制作方法简单、高效、成本低，为制作光学暗阱提供了一种结构思路。

除了捕获、操纵粒子，光纤光镊也能进行微小力、微小位移等高精度测量。Liu 等提出了一种基于同轴双波导光纤的光纤光镊测量激光器(图5(d))[45]。该同轴双波导光纤具有外环形芯和中心芯，纤端经抛磨抛光成旋转对称的圆锥台形。沿外部环形芯传输光束经抛光侧面发生全反射，并在尖端形成光阱用于捕获微粒，光纤端面和被捕获颗粒表面的反射光产生双束干涉，中心芯用于接收干涉信号，从而利用干涉谱的FSR 获取颗粒尺寸信息。该结构光纤光镊实现了实时、动态、无创、无标签的微米级颗粒的尺寸测量。

5 基于其他结构的光纤光镊

传统光镊技术一般采用单束激光聚焦产生，光束强度分布为高斯型，相位分布为均匀分布，偏振分布在光束截面内也是均匀的(称为标量偏振光束)。对于结构光束光镊，可以采用不同相位、不同偏振的结构光束，如具有轨道角动量的拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔光束等。随着光纤光镊技术的发展，贝塞尔等结构光束逐渐被应用于光纤光镊[51-54]，为光纤光镊带来更加丰富的颗粒操控效果。

光场的分布对光镊至关重要，不同激光模式有着特定的空间分布[55-56]。Zhang 等通过激发LP11模式的激光实现了光纤光镊对粒子的旋转操控[57]。图6(a)显示了LP11模式光束光场分布的实验结果。LP11模光束两叶的对称轴沿椭圆核的短轴分布。拉伸或扭曲椭圆芯光纤时，LP11模两叶的光强不会发生变化。当以某个角度扭转椭圆芯光纤尖端时，沿椭圆芯长轴的LP11模式将旋转相同角度，此时被LP11捕获的酵母细胞发生同步旋转。椭圆芯光纤光镊捕获及旋转细胞的操作较其他光纤光镊方式更加简单和稳定。Lee 首次为激光光束整形提供了一个集成的全光纤解决方案[16]，如图6(b)所示，其由三段连续连接的光纤段组成：单模光纤、从纯硅玻璃棒中提取的无芯二氧化硅光纤、以及在光纤末端形成的微透镜。该装置基于沿无芯二氧化硅纤维端的多模干涉产生贝塞尔样光束，然后使用光纤透镜聚焦其同心圆图案。该光束成功地应用于多介电粒子的二维光捕获和纵向传输，展现了独特的无衍射和自重构特性。

图6 基于其他结构光纤的光镊探针结构及工作原理。（a）椭圆芯光纤光镊采用LP11 模式激光旋转酵母细胞[57]；（b）多模干涉产生类贝塞尔光束原理示意图;制备全光纤类贝塞尔发生器及其几何参数图像[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 总结与展望

近年来，相关研究者对于光纤种类、加工方法、探针外形、传输光源、耦合方式等多个方面展开研究，目标在于提升光纤光镊的捕获范围以及动态操控能力。目前主要通过热拉伸法、研磨抛光法、化学刻蚀法等光纤加工技术，来控制激光在光纤探针尖端的会聚程度，从而产生不同焦距和不同焦斑半径的聚焦梯度光场。纤芯是光波导的传输通道，可将激光束缚在纤芯中通过全反射的方式向前传播。当探针尖端的纤芯受光纤端面加工的影响，被截断或被拉伸变细时，就会失去束缚激光的能力。在光镊探针中，光纤尖端的纤芯角度、纤芯数量和纤芯失去束缚能力的位置等对出射聚焦光场的大小及位置有着不可忽视的重要影响。

目前通过结合微流控芯片、近场倏逝波、等离子激元等技术，大大丰富了光纤光镊的动态操控能力。多芯、环形芯等结构的特种芯光纤又提供了可调控多束激光，在此基础上，需要进一步对于耦合方式和探针加工方式进行研究，将多激光束的优势利用起来。通过激光束之间的干涉复合，形成复杂多变的聚焦光场，从而有效提高光纤光镊的动态操控能力。