一种用于细胞操作的单光纤光镊研究

采用一种抛物线形光纤针作为基本器件,设计制作了单光纤光镊系统.用时域有限差分（Finite Difference Time Domain,FDTD）的方法仿真了抛物线型光纤探针的出射场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求出不同介质球半径和折射率情况下,介质球受到的横向和纵向光作用力.实验中此单光纤光镊系统实现了对水中酵母细胞的空间捕获,并且结合两个抛物线形光纤针实现了酵母细胞在两个光势阱中的转移交接.这种单光纤光镊系统结构简单、紧凑,操纵灵活,便于调整.可以适应更多的生物细胞和生物分子的光微操作需求.     

时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

时域有限差分法利用聚焦光脉冲模拟介质球微粒所受单频光阱力

用三维时域有限差分法对光镊装置中介质球微粒所受光阱力情况进行模拟。根据Richards-Wolf矢量场衍射积分公式对消球差会聚透镜像空间中电磁场分布的表示,在总场空间中实现了对聚焦光脉冲的模拟。聚焦光脉冲与介质球微粒的相互作用,通过离散傅里叶变换提取出单频成分,利用计算光阱力的麦克斯韦应力张量公式,计算单频激光对介质球的光阱力。聚焦光脉冲的引入可以使一次计算得到多个频率下的计算结果。对相同的聚焦装置下介质球受不同频率入射光的光阱力情况进行了计算。计算结果表明使用线偏振光作光源时,大数值孔径聚焦透镜和短入射波长有利于介质球的横向操纵;沿光轴方向对介质球进行纵向操纵,需要大数值孔径的物镜和与之相适应的入射波长。     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同...     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果,且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.     

近场光学虚拟光探针的数值分析

虚拟光探针是基于近场光学隐失场干涉原理产生的一种非实体探针，可以应用于近场光学超高密度存储、纳米光刻、近场光学成像、光谱探测、纳米样品的近场光学操作等领域。本研究采用三维时间域有限差分（FDTD）方法对近场光学虚拟光探针的光场分布特性进行了数值模拟计算和比较，分析了孔的形状、大小及偏振态等因素对虚拟光探针光场分布的影响，研究结果表明虚拟光探针的通光效率较普通的纳米孔径光纤探针提高10^2-10^4倍；其光场分布的中间峰的半峰全宽（即虚拟光探针的尺寸）在一定距离范围内基本保持不变，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质的磁撞。优化虚拟光探针的设计参量能有效的抑制虚拟光探针中的旁瓣。文章还给出了应用虚拟探针实现高密度光存储的原理方案。     

基于有限元仿真的硅基纳米光镊结构的设计

针对金属表面等离激元光镊热损耗问题,设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理,设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上,增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象,得到的电场增强倍数高达11.9倍,形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析,并在x、y、z方向上计算分析了直径为25nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.     

基于LP01和LP11模式共存的单光纤光镊实现生物细胞多路捕获和操纵

提出了一种用于生物细胞多路捕获与操纵的单光纤光镊。基于两种不同模式的光纤错位拼接，实现了LP₀₁和LP₁₁模式共存。该光镊的输出光场具有多个聚焦光斑，能够在多个支路上同时捕获和操纵多个生物细胞。仿真和实验结果表明，该光镊能够在三个支路上同时捕获和操纵多个小球藻细胞，在光镊移动速度约为14μm/s时仍能保持捕获稳定。该光镊结构简单，为生物传感和直接检测生物信号提供了更多可能。     

飞秒光镊技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。飞秒光镊在实现粒子微纳操纵的同时还伴随着非线性现象的发生。阐述了飞秒光镊的模型和原理以及系统的各种结构形式,包括单光束梯度力光阱、贝塞耳光阱、双光束光纤光阱和冲击波光阱几种形式,并分析了每种形式的特点。     

聚焦光场俘获微球的FDTD分析

基于动量守恒原理,采用2维时域有限差分方法(2D FDTD)建立了激光场对微米量级微球的作用力模型,讨论了入射高斯光场的波长、束腰半径、微球的折射率和半径等对聚焦光场俘获力的影响.结果表明：位于聚焦光场中特定位置的微球可被俘获,当离轴距离增加,俘获力减小.微球所受到的俘获力与微球的折射率有关,当小于环境折射率时(如汽泡),不能形成俘获,而被推离光场.模拟结果与其他文献中报道的实验结果一致. 关键词： 光镊 俘获力 时域差分有限方法(FDTD) 动量守恒     

动态化学腐蚀法制备大锥角近场光纤探针

基于液压传递原理,设计出一种用动态化学腐蚀法制备大锥角近场光纤探针的装置.实验结果表明,在传统的化学腐蚀法制备光纤探针的过程中,通过控制腐蚀液液面的上升速度,可以有效地控制探针针尖的形状以及锥角的大小.在此基础上,还论述了分步控制光纤与腐蚀液液面的相对位移的方法在大锥角光纤探针的制备中所具有的独特优越性.利用所制备的大锥角近场光纤探针在扫描近场光学显微镜上对直径为200nm的小球进行探测,其力学像证实该探针具有较高的形貌分辨率(约为50nm). 关键词： 动态化学腐蚀法 大锥角 近场光纤探针     

高效、高分辨光纤微探针的制备及检验

提出两种同时满足高分辨、高传光效率的探针模型以及制备方法 :先用自制热拉装置将光纤拉制成过渡区为双曲线或抛物线形的探针 ,然后用 4 0 %氢氟酸进行快速腐蚀 ,使探针孔径变小而保持过渡区域形状和锥度基本不变。所获探针孔径变化范围为 2 0～ 2 0 0 nm,锥度 2 0°～ 6 0°。为检验探针性能 ,将两种探针的出射光分布与用传统热拉法所得到探针进行对比 ;探测了光子扫描隧道显微镜状态下的倏逝波衰减曲线 ;给出了用集光式扫描近场光学显微镜得到的近场光学图像 ;同时 ,验证了探针对剪切力控制的适用性。     

热拉伸和化学腐蚀相结合制备弯曲光纤探针

提出了原子力/光子扫描隧道显微镜(AF/PSTM)系统的关键部分——双功能弯曲光纤探针的制作方法.采用热拉伸与动态、静态两步化学腐蚀相结合的方法制作出AF/PSTM弯曲光纤探针，弯曲角度约为150°，尖端曲率半径优于100nm，锥角范围为60°—90°.将这种双功能弯曲光纤探针应用在新研制的AF/PSTM系统上，同时获得了样品的光学与形貌图像，实现了图像分解. 关键词： 原子力/光子扫描隧道显微镜 光纤探针 热拉伸 化学腐蚀     

Effect of the Taper Shape upon Transmission Efficiency of Fiber Probes for Scanning Near-field Optical Microscopy

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｎｅａｒｆｉｅｌｄｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＮＯＭ）ｈａｓａｔｒａｃｔｅｄｍｕｃｈａｔｅｎｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｕｌｔｒａｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏ...     

Optical Force on a Micro-Sphere by the Laser Beam from a Lensed Optical Fiber Inserted at an Angle

Optical forces acting on a micro-sphere were studied to corroborate the single-beam fiber optic trap. Transverse optical force acted to pull the micro-sphere back to the beam axis, but axial force always acted in the direction away from the optical fiber end because the laser beam from optical fiber could not be strongly focused. A stable two-dimensional optical trapping could be obtained by the weakly focused laser beam from the fiber end inserted at an angle.     

FABRICATION AND APPLICATION OF NEAR-FIELD OPTICAL FIBRE PROBE

In this paper, the fabrication of a large cone angle near-field optical fibre probe, using the two-step chemical etching method and bent probe, is introduced, and the controlling parameters of the coated Cr－Al film at the probe tip are presented. The scanning electron microscopy images display that the tip diameter of the uncoated large cone angle fibre probe obtained is less than 50nm, the cone angle over 90°, and the diameter of light aperture at the coated probe tip is less than 100nm. The measured results of the optical transmission efficiency for various probe tips show that the uncoated straight optical fibre probe, film-coated straight probe and film-coated bent probe are 3×10^-1, 2×10^-3, and 1×10^-4 times that of the flat fibre probe, respectively. In addition, the force images and near-field optical images of a standard sample are acquired using a large cone angle and film-coated bent probe.     

制备扫描近场光学显微镜光纤探针的自动化腐蚀方法

提出了一种制备扫描近场光学显微镜光纤探针的自动化腐蚀方案.该方案利用静态腐蚀过程中光纤所形成的特殊结构,及动态腐蚀过程中光纤在氢氟酸中的移动所带来的新月形弯液面在光纤表面接触位置的变化,通过合理控制腐蚀时间来制备尖端锐利、大锥角或多锥体角等各种结构的探针.设计方案采用计算机控制整个装置实现了探针制备过程的自动化,保持了腐蚀光纤探针实验条件的一致性.实验结果表明,采用此方案可以制备出尖端孔径小于100 nm且锥体角高达70°的光纤探针,且重复性高.此外,该方案的装置结构简单,实现容易.     

静动结合的化学腐蚀法制备近场光学探针的理论分析

理论上分析了静动结合的化学腐蚀法制备探针的具体机理及过程。在静态腐蚀的过程中, 利用流体力学Young-Laplace方程的一级近似解获得了光纤插入到HF酸中形成的新月形高度。在动态腐蚀过程中, 详细分析了当静态腐蚀时间和动态腐蚀时间分别取不同值时, 光纤移动速度对光纤探针结构的影响。利用此法可制备出尖端锐利、大锥角或多锥体等各种结构的光纤探针。这为实验上制备出性能优良的探针, 为拓宽扫描近场光学显微镜的应用范围奠定基础。将上述理论分析的结果与本文实验中所得初步结果进行了比较, 所得结果一致。     

胶粘剂对石英音叉剪切力控距的影响

粘接音叉和光纤探针的胶粘剂对由石英音叉和光纤探针构成剪切力控距体系的品质因数有明显的影响。通过对比不同胶粘剂的物理特性 ,选择了适合于粘接音叉和光纤探针的胶粘剂。研究发现 ,室温快速固化环氧树脂胶粘剂HY 91 4 ,GHJ光学用环氧型胶粘剂 (Opticalepoxy)和 50 2胶能满足实验要求。理论分析指出 ,对于同样的音叉和光纤探针来说 ,胶粘剂的密度和用量是影响音叉 探针体系品质因数的主要因素     

基于拉锥结构的全光纤型内窥OCT探针研究

本文报道了一种基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针. 基于大纤芯多模光纤的低光束发散特性, 使用大纤芯多模光纤代替透镜作为成像元件, 并在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗. 首先利用光学仿真软件(Rsoft)确定探针的最佳结构, 然后通过拉锥、切割以及熔接工艺实现探针制作, 并对探针的出射光束特性与插入损耗进行测量, 最后将该探针与扫频光学相干层析成像主系统联机, 对人体指尖皮肤及鸡气管壁组织进行成像. 该探针直径为250 μm, 不锈钢保护管外径为325 μm, 硬端长度1 cm, 插入损耗约为0.3 dB, 空气中有效成像范围达800 μm. 该探针为内窥光学相干层析成像技术在心血管疾病的应用提供了高紧凑度、高传输效率与高灵活性的选择.