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基于渐变多模光纤的单光纤光镊技术研究

发布时间:2020-11-21 08:17
   光镊技术由于具有对被操作微粒非入侵性等特性,从而逐渐被应用于生物和医学研究领域,如细胞,病毒和细菌操作。传统的光镊通常需要使用高数值孔径的显微镜头来聚焦激光光束从而实现微粒捕获。由于其体积庞大且缺乏灵活性,在实际操作微粒时存在局限性。而基于光纤的光学捕获方法的实现使光镊成为了便利、小型化且具有广泛应用的工具。光纤光镊分类包括多光纤光镊、单光纤光镊。相较于需要准直操作的多光纤光镊系统,单光纤光镊操作简单,利于实际制备以及使用。而单光纤光镊又分为单光纤单光镊和单光纤多功能光镊,其中基于单模光纤的单光纤单光镊虽利于制备,造价低廉,但是由于模场直径较小决定了其除非结合特殊效应(如热效应),否则无法实现除捕获外的其他特殊功能;而基于特种光纤的单光纤多功能光镊由于其结构特殊,通过加工光纤端面可以实现除捕获外的其他功能如微粒旋转等,缺点是由于特种光纤造价高昂限制了其产量,导致其应用范围狭窄。而本文的研究工作将光镊与渐变多模光纤相结合,旨在利用其特殊折射率分布以及出射光场具有较大等效模场直径的特点来制备多功能光纤光镊(光学捕获、捕获位置可控调整),为实际研究中光纤光镊的应用提供了便利的手段。本文主要工作如下:提出一种基于渐变多模光纤的新型单光纤光镊,其可使用自由长度(30cm)的渐变多模光纤。这种渐变多模光纤光镊可实现酵母细胞的三维稳定捕获。与具有相同锥角的单模光纤光镊相比,这种渐变多模光纤光镊具有较大的光学捕获力。由于这种渐变多模光纤可使用自由长度,所以其制备过程简单且便于重复;而由于其捕获力较大,所以具有较高的捕获效率。但是上述光镊不能实现非接触式捕获,通过改进光纤光镊探针结构,提出一种基于渐变多模光纤的双功能光纤光镊,其可以实现非接触式捕获,并对被捕获微粒进行多样化操作。通过使用多角度研磨的方法,制备了可以对酵母细胞进行稳定的三维非接触光学捕获的光纤探针。光纤尖端的特殊锥形形状确保了其可进行长距离捕获和非侵入性光学操作,即第一个功能。而通过调节光源尾纤和渐变多模光纤探针尾纤之间的径向偏移,可以实现第二个功能,驱动被捕获的微粒相对于光纤尖端的轴向方向进行可控移动。
【学位单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TN253
【部分图文】:

光镊,微粒,捕获中心,细胞的


有着它们所都不具有的优势,那就是它的操控方式是使用光场操纵微粒,即操作方非接触式的,不会对被操控对象造成机械损伤。正是因为这一优点,光镊在生物和方面有着巨大的优势,特别是在细胞操作方面。其一,光镊系统可操作的微粒的尺常小,达到了微米甚至纳米级别;其二,光镊的操作过程十分温和,其不会对细胞破坏性的损伤,虽然激光辐射过程会产生热量,但是实验中只要选取合适的激光波长开细胞的吸收波长,就可以避免实验中热量对细胞的损伤;最后,由于大多数的细透明的,也就是说光可以透射进入细胞内,对细胞内的微粒进行操作,这是其他的手段所无法实现的[4]。光镊除了作为夹持工具之外,还可以进行传感,进行对微小力的测量。光镊系统束聚焦处为捕获中心,当微粒或细胞偏离捕获中心时,其所受的力正比于偏离捕获的距离,这个原理与弹簧的劲度系数相似。这也就使得在操纵微粒或细胞时,被操子的受力可以被实时监测。所以光镊也可以用于制作光纤探针,用来测量细胞的受况,这对进一步揭示生命科学有着重要的意义。

示意图,双光纤,示意图


图1.2双光纤光镊系统示意图

双光纤,飞秒激光,熔融石,生物光子


图 1.3 用双光纤光镊系统实现对血红细胞的拉伸[18]图 1.4 用双光纤光镊系统实现对血红细胞的旋转[19]Bragheri 等人介绍了他们对光流控芯片的设计和优化,其能和受控拉伸。制备方法是通过飞秒激光微机械加工在熔融石光波导和微流体通道。该工作中采用的新制造程序,使芯片从而使被捕获的细胞图像的质量得到改善。飞秒激光微机械技术,可被应用于多功能集成生物光子器件的开发,该器件
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本文编号:2892787

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