基于中空环形芯光纤的单光纤光镊技术研究

发布时间：2020-06-12 18:33

【摘要】：光镊是操纵包括活体细胞在内的微小物体的强大工具。与传统的透镜式光镊相比,光纤光镊具有结构简单、成本低、操作方便等优点。近年来,基于光纤的光镊已经实现了粒子的捕获、移动、旋转和输运,这些技术被广泛应用在细胞分析、疾病诊断、药物递送等过程中。灵活地操纵流体中的细胞,并进一步将其输送到指定位置的能力已被证明是至关重要的。因此,迫切需要一种便于细胞操作和无菌传输的便携式方案。本文研究一种基于中空环形芯光纤的单光纤光镊,完成对酵母菌和聚苯乙烯小球的捕获和操纵,并利用集成到光纤内部的微流通道实现了被捕获粒子的无菌输运,适用于稀有活细胞的选择性操纵和输运,对医学测试和细胞分析具有重要意义。其光纤光镊探针可植入微流体平台,为可不受衬底上传输路径限制的可选的光流控技术提供解决方案,同时降低制造难度和成本。本文对光镊技术的背景意义、发展历程以及研究现状进行了简要回顾和总结。着重梳理光纤光镊的发展及现状,包括多光纤光镊,单光纤光镊和新型光纤光镊。对基于光辐射压光镊的机理进行剖析,并分析了环形芯光纤的传输特性。根据中空环形芯光纤的结构参数,对环形波导进行了模式分析,设计了基于中空环形芯光纤光镊探针,并对光纤光镊探针的出射光场进行了仿真和分析。最后利用基于有限元法的光阱力计算方法,得到了轴向光阱力和横向光阱力的分布情况,并详细讨论了在光纤光镊探针捕获范围内微球的折射率和直径对光阱力的影响。本文设计了基于中空环形芯光纤的单光纤光镊,制作并搭建了单光纤光镊实验系统。在实验中,完成对酵母菌和不同大小的聚苯乙烯小球的三维捕获及操纵。连通光纤内通道和注射器后,利用微型注射泵控制流体速度和方向,对作用在被捕获微粒上的液体粘滞力实现调节和控制。调节激光功率控制光阱力的大小。通过调节激光功率和流速,实现了聚苯乙烯小球的输运。同时,利用光纤微流通道实现了将聚苯乙烯小球从原液体环境中无菌转运到新的液体环境中,这可应用到稀有少量细胞的分类中,拓宽光纤光镊的应用领域。
【图文】：

非生物吸收峰波段的激光器、显微镜及空间光路、样品池、象限光电二极管以及 CCD图像采集。图1.1 传统透镜式光镊系统装置示意图传统光镊的核心是利用高数值孔径的物镜对线偏振高斯激光束进行聚焦，形成具有捕获能力的光阱。在传统透镜式光镊装置示意图中，L、M、DM、LED 和 QPD 分别表示透镜、反射镜、二向色镜、显微镜照明灯和象限光电二极管。红光和黑光分别显示显

扫描全息光镊系统结构图
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253

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