CN110927879A - 一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于光纤光镊的纳米射流扫描探针。其特征是：它由同轴双芯光纤光镊和微球透镜组成。同轴双芯光纤的纤端通过精密研磨加工，形成旋转对称的反射圆锥台，环形光束经过圆锥台反射聚焦，稳定捕获微球透镜，中间芯出射的高斯光束经过微球透镜压缩后形成纳米光学射流。通过对中间芯和环形芯内功率的调整，可使微球透镜在光纤轴向扫描，实现纳米光学射流的扫描。本发明可用于纳米分辨率的光学探测，可广泛用于超分辨的荧光探测和成像领域。

Description

一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针，可用于超分辨率的纳米扫描照明、荧光成像等领域，属于纳米光学检测技术领域。
(二)背景技术
在过去的几十年中，人们一直在尝试不同的方法去克服由于阿贝衍射极限导致在光学显微成像上的限制。包括扫描近场光学显微镜、受激发射损耗显微镜、超材料超透镜显微镜、固体浸没透镜显微镜和超振荡透镜显微镜等在内的几种超分辨率光学成像技术已经成功实现。尽管他们具有很好的性能，但是其价格昂贵，前期准备时间长，探测方法繁琐。
基于微球透镜的光学纳米射流技术是通过光束照射在一个介质微球上，在微球的一端光束被压缩到小于衍射极限的尺寸的一项技术。由于被压缩光斑的束腰直径在纳米量级，所以具有纳米量级的空间分辨率，并且具有很高的能量密度。因此其在超分辨率成像(KRIVITSKY,Leonid A.,et al.Locomotion of microspheres for super-resolutionimaging.Scientific reports,2013,3:3501.)、纳米荧光增强(LECLER,Sylvain,etal.Photonic jet driven non-linear optics:example of two-photon fluorescenceenhancement by dielectric microspheres.Optics express,2007,15.8:4935-4942.)、拉曼散射增强(US2013/0308127A1)等技术领域具有广泛的应用。
由于这类光学纳米射流技术通常使用的是微米量级的标准介质球，对用光镊***来说，这类介质微球恰好是能够稳定捕获、操纵的尺寸范围。因此结合光镊和光学纳米射流这两项技术能够实现更丰富的应用场景。例如，使用空间光调制器，实现全息光镊，然后通过对微粒的操纵移动，实现粒子的3D扫描，另一束光照亮小球，生成光学纳米射流，实现超分辨率显微成像(BOWMAN,Richard；GIBSON,Graham；PADGETT,Miles.Particle trackingstereomicroscopy in optical tweezers:control of trap shape.Optics express,2010,18.11:11785-11790.)。2010年，Romanin Fardel等人采用光镊和光学纳米射流技术结合，实现了超分辨率的纳米刻蚀加工(FARDEL,Romain,et al.Nanoscale ablationthrough optically trapped microspheres.Applied Physics A,2010,101.1:41-46.)。
但是上述的光镊和光学纳米射流技术结合的***均是基于空间光镊***。空间光镊***用到很多的精密的光学器件，结构复杂，光路体积较大，并且成本高昂。本发明提出一种基于光纤光镊的纳米光学射流探针，由于基于的是光纤光镊，其具有极高的操作灵活性，并且光纤光镊***的成本相对于空间光镊***来说要低廉很多。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作方便的基于光纤光镊的光学纳米射流扫描探针。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针。它由同轴双芯光纤光镊和微球透镜组成。同轴双芯光纤的纤端通过精密研磨加工，形成旋转对称的反射圆锥台，环形光束经过圆锥台反射聚焦，稳定捕获微球透镜；中间芯出射的高斯光经过微球透镜压缩后形成纳米光学射流；通过对中间芯和环形芯内功率的调整，可使微球透镜在光纤轴向扫描，实现纳米光学射流的扫描。
所述的同轴双波波导光纤的中间芯可以是单层波导结构，提供作为标准粒子轴向位置调整的动力光，同时动力光也可以作为纳米光学射流的生成光；中间芯也可以是双层波导结构，内层纤芯用于传输单模的纳米光学射流生成光，外层纤芯用于传输微球透镜轴向位置调整的动力光。
所述的微球透镜微透明介质球，折射率大于待测环境的折射率，直径在1微米到20微米之间。
所述的微球透镜的折射率可以是均匀的，也可以是梯度分布的。
对比在先技术，本发明至少具备以下几点显著的优点：
(1)结合光纤光镊的小体积和灵活性，使得纳米光学射流探针更灵活，方便。
(2)捕获操纵的微球透镜的大小和折射率不同，对应着纳米光学射流的尺寸也不同，也就是扫描探针的分辨率的变化。即可通过替换捕获微球透镜来改变扫描探针的空间分辨率。
(3)结合了同轴双芯光纤光镊对微球透镜的捕获和z轴扫描功能，实现了纳米光子射流探针的扫描应用。
(四)附图说明
图1是同轴双芯光纤的端面示意图。
图2是同轴双芯光纤的光路耦合原理图。
图3是同轴双芯光纤端的对称反射锥台结构图(沿光纤轴向剖面图)。
图4是光纤端对称反射锥台结构制备方法示意图。
图5是对称反射锥台结构对环形芯内传输的环形光束的反射聚焦仿真结果图。
图6是不同直径的微球透镜在光纤轴向不同位置处受到的光力的变化曲线。
图7是基于光纤光镊的纳米光学射流的生成原理示意图。
图8是直径为10μm，折射率为1.6的均匀介质的微球透镜对中间芯光束的压缩，生成纳米光学射流的仿真结果图。
图9是直径为10μm，折射率为1.8的均匀介质的微球透镜对中间芯光束的压缩，生成纳米光学射流的仿真结果图。
图10是直径为10μm，不同折射率分布的微球透镜在光纤轴向不同位置处受到的光力的曲线。
图11是直径为10μm，折射率从1.8-1.6沿着光纤径向线形分布的微球透镜对中间芯光束的压缩，生成纳米光学射流的仿真结果图。
图12是直径为10μm，折射率从1.8-1.6沿着光纤径向高斯分布的微球透镜对中间芯光束的压缩，生成纳米光学射流的仿真结果图。
图13是中间芯具有双层波导结构的同轴双芯光纤端面示意图。
图14是基于光纤光镊的纳米射流探针扫描原理图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：基于同轴双芯光纤的光镊功能。
如图1(a)所示的是本发明使用的同轴双芯光纤1，该光纤具有一个中间纤芯1-2和一个同轴分布的环形纤芯1-1。环形芯1-1用于传输捕获光束，中间芯1-2用于传输扫描调整动力光束和纳米光学射流生成光束，图1(b)所示的是该光纤的剖面折射率分布。该光纤的光路连接方法如图2所示，将同轴双芯光纤1侧面抛磨至环形芯处，将单模光纤2侧面抛磨至纤芯处，再将两个光纤的侧抛面对准贴合，实现单模光纤2纤芯中的传输光束3-1向同轴双芯光纤1的环形芯中的耦合。最后将同轴双芯光纤1和单模光纤2焊接，实现单模光纤2和同轴双芯光纤1的中间芯的光路连接。
如图3所示，为了实现环形芯1-1中传输的捕获光束5的反射聚焦，采用精密研磨的方法，在同轴双芯光纤1的纤端制备一个对称的圆锥台结构4。为了实现环形芯1-1中的捕获光束5在传输到圆锥台表面时发生全反射，该圆锥台结构的底角为α需满足：α≥arc sin(n3/n2)，其中n3为光纤所处环境折射率，n1为环形芯1-1的折射率。
光纤端圆锥台结构4采用精密研磨的方式制备，如图4所示。具体步骤为：
步骤1：将端面切割平整的同轴双芯光纤1放置在光纤夹具6上，调整光纤与研磨台7的法线之间的夹角至α。
步骤2：在研磨台7上放置3μm的粗砂纸，然后同时旋转光纤夹具6和研磨台7，对光纤端进行圆锥台结构的粗磨。
步骤3：待圆锥台的研磨形状和预设形状相近时，更换1μm的细砂纸进行精密抛光。
步骤4：最后，停止研磨，从光纤夹具6上取下同轴双芯光纤1，经过超声波清洗机清洗，去除碎屑和杂质后用干燥空气吹干，备用。
为了解释本发明的微粒捕获功能，下面结合仿真结果对其进以充分说明。以圆锥台底角参数为69度为例，图5是通过有限元分析方法仿真得到的圆锥台对环形光束的反射聚焦光场分布，可以看到环形光束经过圆锥台反射后又明显的聚焦效果，这对应于较大的数值孔径，能够有效捕获微球透镜。图6是通过仿真计算得到折射率为1.6，直径分别为3μm,10μm和16μm的微球的轴向捕获力，曲线和Fz＝0的交点处即为该直径微球在光纤轴向上的稳定捕获位置。由此可以看出本发明所提的光纤光镊结构能实现几微米到几十微米直径的微球的稳定捕获，这为稳定的光学纳米射流的生成提供了基础。
实施例2：基于不同折射率分布介质微球透镜的纳米光学射流探针；
实施例1中解释说明了本发明中的微球捕获功能，但本发明核心是要提出一种基于该光镊的纳米光学射流探针。下面将结合附图和仿真结果说明这一功能。如图7所示，环形聚焦捕获光束5稳定捕获高折射率的电介质微球透镜8，同轴双芯光纤1的中间芯1-2传输532nm的纳米光学射流生成光束9，该光束出射光纤端面后以高斯光束传输至微球透镜8后，经过微球透镜8的压缩，形成亚波长量级的纳米光学射流10。
图8和图9所示的是直径为10μm，折射率分别为1.6和1.8的微球透镜8，在中间芯光束的照明下，生成纳米光学射流的仿真结果，二者的FWHM分别为1.47λ和1.02λ对比二者，可以看出折射率为1.8的微球透镜对光束的压缩效果更显著，已经突破衍射极限。但是对本发明的光捕获来说，仿真结果显示折射率为1.8的微球透镜在光纤轴向上只有推力而没有拉力作用，如图10中的虚线所示，因此难以稳定捕获。所以对于折射率均匀分布的微球透镜来说，尽管折射率越大，其生成的纳米光学射流的尺寸越小，但是当折射率大于1.8时，已无法稳定捕获微球透镜。
为了实现更小的纳米光学射流尺寸，本发明提出使用折射率梯度分布的微球透镜来做光束压缩介质。如图11(a)所示的是直径为10μm,折射率在径向上满足从1.6到1.8线性分布的微球，其对中间芯光束的压缩效果如图11(b)和(c)所示，生成纳米光学射流的FWHM为0.82λ，相比于折射率为1.6和1.8的均匀微球透镜而言，其对光束的压缩效果得到了显著的优化。
进一步地，如图12(a)所示，采取的微球的折射率在半径方向上满足从1.6到1.8的高斯分布，其对中间芯光束的压缩效果如图12(b)和(c)所示，生成纳米光学射流的FWHM为0.77λ，压缩效果得到了进一步优化。值得注意的是，对这两种梯度折射率分布的微球来说，仿真结果显示聚焦的环形光束对其有显著而稳定的捕获效果，如图10所示。
由此实施例可以看出，本发明能够通过稳定捕获的微球透镜8，对中间芯1-2输出的高斯光束进行光束尺寸压缩，突破衍射极限，实现亚波长量级的光学探针，该探针能在超分辨成像、单分子探测等领域广泛应用。
实施例3：z轴扫描超分辨探针
如图13(a)所示，本发明提及的同轴双芯光纤11的中间芯可以是双层纤芯结构，其折射率分布如图13(b)所示。图14所示的是基于光纤光镊的纳米射流探针扫描原理图，同样地，环形芯11-1传输捕获光束5，经过圆锥台结构4反射聚焦后，能够稳定捕获介质微球透镜8。其中纤芯结构11-3用于传输单模的操纵光12，如980nm，当聚焦的980nm的环形光束5将微球透镜8稳定捕获后，可以通过调整纤芯结构11-3中的980nm光束12的功率大小来调节微球所受辐射推力的大小，从而实现微球透镜8在光纤轴向上的稳定扫描。中间芯的内层纤芯11-2用于传输短波长的单模光束9，如532nm，用于纳米光学射流探针10的生成。由此，通过控制微球透镜8在光纤轴向上的扫描，来控制所生成的纳米光学射流探针10的轴向扫描。本发明可结合二维的纳米高精度位移台，实现三维的超分辨扫描探测，具有十分重要的应用价值。

Claims (4)

1.一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针。其特征是：它由同轴双芯光纤光镊和微球透镜组成。同轴双芯光纤的纤端通过精密研磨加工，形成旋转对称的反射圆锥台，环形光束经过圆锥台反射聚焦，稳定捕获微球透镜；中间芯出射的高斯光经过微球透镜压缩后形成纳米光学射流；通过对中间芯和环形芯内功率的调整，可使微球透镜在光纤轴向扫描，实现纳米光学射流的扫描。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针，其特征是：所述的同轴双波波导光纤的中间芯可以是单层波导结构，提供作为标准粒子轴向位置调整的动力光，同时动力光也可以作为纳米光学射流的生成光；中间芯也可以是双层波导结构，内层纤芯用于传输单模的纳米光学射流生成光，外层纤芯用于传输微球透镜轴向位置调整的动力光。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针，其特征是：所述的微球透镜微透明介质球，折射率大于待测环境的折射率，直径在1微米到20微米之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光镊的纳米光学射流扫描探针，其特征是：所述的微球透镜的折射率可以是均匀的，也可以是梯度分布的。
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