单光纤光镊的研究

1、单光纤光镊的研究1 绪论1.1 概述光学捕获理论则是建立在光的辐射力基础上的。当光辐射场与物体的相互作用时会使物体受到光辐射力的作用。而激光捕获就是利用激光的这一效应实现对微粒的稳定捕捉的。由于光镊是利用光束实现对微粒非机械接触的捕获，而且捕获距离远大于捕获对象的尺度，因此在捕获过程中不会产生机械损伤也不会影响粒子周围的环境。而且在操作过程中，光镊可作为力的传感器实时测量微粒间的相互作用力。这也使得光镊不但是操控微粒同时还是研究微粒静态和动态力学特征的理想工具。但由于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，价格昂贵还有几何尺寸等问题限制了常规光镊作为生物粒子微操纵工具的应用。而新发展的光纤光镊技术能够较

2、好地解决这类问题，它利用光纤出射光场构成光镊，使光阱操纵与光学显微镜分离。从而改善常规光镊仪器所存在的问题。在目前为止，光镊已被广泛应用于对细胞、细胞器和染色体的捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。除此以外，光镊技术还被应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。随着光电器件性能的进一步提高和光镊技术的进步，光镊必将得到越来越广泛的应用。1.2 光镊技术的发展及应用光镊是单光束梯度力势阱的简称，是基于光作用于物体的辐射压力和梯度力相互作用而形成的势阱。1864年，英国数学物理学家麦克斯韦创立了电磁场理论，提出辐射场携带动

3、量，论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式；1901年，俄国物理学家列别捷夫用悬在细丝下的悬体制成扭称实现了光压力的实验测量；1905年，爱恩斯坦提出了光量子的概念，认为光是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子流；1909年，德拜给出了线偏振电磁波作用于均匀球形粒子的辐射压力的理论，但由于光辐射压极其微弱，同时也因没有足够强的光源，所以无法进行实验研究。直到20世纪60年代，激光的发明给辐射压力的研究提供了高强度、高准直度的光源。在1968年，苏联科学家Letokhov提出了利用光场的梯度力来限制原子的想法；1969年，美国贝尔实验室的Ashkin等人首次实现了激光驱动微米粒子，此后

4、他又发现微粒会在横向被吸入光束。在研究了这两种现象后，他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱；1970年，Ashkin等首先提出能利用光压操纵微小粒子的概念，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子越来越小；直到1986年，Ashkin等人采用大数值孔径显微物镜会聚单束激光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。这标志着“单束光梯度力阱”的诞生，简称为“光镊”。（1） 生命科学领域 由于光镊可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵，因此光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面，特别适合于生物大分子、

5、生物细胞的研究，如人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力及对膜体系进行定量研究。Ashkin首先将光镊技术应用到生物领域，实现对病毒和细菌的捕获与操纵。利用光镊技术实现激光诱导细胞融合，下图为骨髓瘤细胞融合过程。图1 骨髓瘤细胞融合K.Svoboda等人在分子水平上观测到动蛋白分子沿微管以8nm的步幅腾跃前进，间隔为1ms量级，从而证明驱动蛋白分子将化学能转变为机械能的元过程是非连续的，这是人类第一次辨认出动蛋白的运动状态。M.Daoa等人讨论了利用光镊对人类血红细胞的受损形状力学研究，下图2为利用光镊进行细胞

6、壁的力学参数测试的实验过程。图2 利用光镊进行细胞壁的力学参数测试（2） 表面科学及凝聚态物理等领域 目前光镊技术在表面科学及凝聚态物理领域也得到了应用与发展。其中以Missawa为代表的日本研究小组设计了一种光镊分时操作装置，使一束光可形成多达8个独立的光阱。利用这一装置对乳胶微粒进行了操作，能有效地控制粒子的流动方向，选择颗粒的大小以及空间图案的排布。除此以外，他们还发现表面结合了极性或非极性功能分子团的聚苯乙烯小球与溶液中的荧光探针分子相互作用，可使后者发射的荧光波长和强度发生发生，从而通过荧光信号可以探知小球表面的化学性质。结合光谱测量技术，光谱可以随意地操纵或固定单个小球的空间位置。

7、因此可以探测单个小球表面结合物发射荧光的细节，从而确定小球表面的分子结构。（3） 微操控及微细加工领域 光镊作为微小位移操纵手段和粒子间微小相互作用力的探针，不仅仅用于生物学领域，也同样适合其他微小粒子的研究，诸如微粒的运动特性、微粒间的相互作用、微粒的排布和纳米器件的组装与检测等。 采用光镊技术还可以实现更为复杂的操作过程。如通过改变两束激光的路径差，可使光阱中的微颗粒发生可控制性旋转、加速及停止等；另外，通过改变两束激光的频率差，也可对光阱中的微结构实施可控及连续性的旋转。Eriksen等人则研究了通过多光束光镊实现对微颗粒的操作问题：采用不规则钻石微粒作为光镊的“手柄”，Sun等人还成功

8、地对粘附在微粒上的生物细胞进行操纵。Gauthier在1997年首次提出将光镊应用于微加工领域，可实现对微小器件的非接触式移动、操纵和组装。光镊方法甚至可用于驱动微型齿轮，从而组成一种微光机电系统。（4） 光子晶体领域光镊在光子晶体研究领域中也有重要应用。光子晶体是近年来应用物理和材料科学的一个重要研究领域，它是介质颗粒周期排列而成的人工材料，能够产生光子带隙，频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播。可以利用光镊对光子晶体进行排列，如图3所示。在制备三维光子晶体的方法中，仍然无法控制晶体生长过程中的缺陷态，利用光镊技术对产生的缺陷进行修复以及对生成的晶体进行修整，就能达到去除缺陷的目的

9、，能够生成大面积无缺陷的三维光子晶体。图3 利用光镊排列光子晶体除此以外，光镊技术在基础物理学、大气物理、重力场和流体场等精密测量领域的应用也正在研究中。为了扩展光镊的应用范围，人们还将它与其它依赖于激光的显微成像技术，如荧光成像、微分干涉衬成像、激光刀、激光共焦扫描、探针扫描等技术相结合。总之，光镊理论和技术的深入研究将有效地促进生命科学、医学、材料科学、物理学、化学及纳米技术等领域的研究与发展，同时也将因此而出现一些新的研究方法和研究领域。1.3 光纤光镊技术基于显微镜的光镊仪器体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小等缺陷限制了普通光镊的应用，使其很难操纵位于狭窄位置的微粒，也不易实现多光镊

10、操纵。这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。光纤光镊系统以其结构简单，价格便宜，捕获范围大等优点越来越受到人们的广泛重视。光纤光镊系统是利用光纤出射的激光束来实现对粒子的微操纵。光纤光镊的光路独立，可使光阱及其操纵与光学显微镜分离，光学显微镜只起观测功能，能够改善常规光镊仪器所存在的弊端。基于光纤光镊仪器结构要简单得多，光纤有空间滤波效应，对光源的传播模没有严格要求，可用带尾纤的二极管激光器，无需外部光学系统，结构特别简单。而更为有利的是：二极管激光器可以快速开关和调制，可满足多种光微操纵实验研究的需求。与基于显微镜的光镊系统相比，光纤形

11、成的光阱操纵灵活，被捕获的生物样品可以自由移动。光镊微操纵简单适用，光纤可以深入到样品室，在样品池里形成光阱，大大提高了光阱捕陷范围，捕陷光学系统从观察光学系统中分离出来，使得在系统中添加激光束计量和光谱仪等测量设备有了较大的自由度。 基于平端面单模光纤光镊技术是利用两支精确准直、相向传播的单模光纤平端面出射的激光束形成平端面光纤光阱的。Constable等人首先利用了这种平端面单模光纤形成的光阱，成功地实现了对尺寸在0.1-10um之间的聚苯乙烯小球和活性酵母的光捕获和光操纵。他们的研究结果表明：对于直径小于1um的粒子，光阱捕获的能力比已有的光镊系统提高了3-5个数量级。Jense-Mcm

12、ullin等人采用腐蚀法加工V型槽，以V型槽作为光纤的准直定位手段，建立了由两根单模捕获光纤和一根多模光谱探测光纤组成的光纤光学捕捉系统。图4 光纤捕捉、探测系统半球形自透镜单模光纤的光镊技术，其主要特点是光纤末端面被精磨成逐渐变细的半球面状，从其末端面出射的激光束具有弱聚焦特性。这种自透镜单模双光纤光阱技术不仅很好地改善了光纤光镊的稳定性，而且提高了光阱捕获区域的范围。图5 基于半球形自透镜单模的光纤光镊2 光镊的原理 光镊实际上是一束强会聚激光形成的特殊光场，物体一旦涉足光场就会自动移向光束中心，这种不由自主的运动犹如物体从空中坠向地面，表现出一种向心“引力”效应。而光镊其实就是具有引力的

13、光学势阱，这个光学势阱如一把镊子，能夹持和操纵微小物体，所以称为光学镊子或简称为光镊。2.1 光镊的基本原理光的本质是电磁波，它具有能量和动量。当光与物质相互作用时会产生动量的传递，而表现为对物体施加一个力，并引起物体位移和速度的改变，这叫做光的力学效应。它主要表现为对物体的压力，所以称之为光压。对于垂直入射的光束作用在完全吸收面上的光的辐射压，采用坡印亭矢量S可表示为：经求时间平均后的：其中，I为光强度。因此，作用在实际物体上的光捕获力F可表示为： 其中，n1为周围介质的折射率；c为光速；P为光功率；Q称为捕获率，是作用在实际物体上力与入射光具有的单位时间动量的比值，为无量纲数，取值0-2，

14、作为光捕获特性的指标使用。该Q值在很大程度上依赖于光学条件，如激光器聚光角、波长、光斑尺寸、偏振光、光束分布图等；微小物体条件（尺寸、形状、折射率）和环境条件（水、空气）等。（1） 梯度力和散射力当一束激光经透镜聚焦后，射入轴上焦点附近的透明介质球，该介质球主要受到两种力的作用，一是来自于粒子对光的反射、散射以及吸收的散射力Fscat，在这些过程中粒子会受到沿着光传播方向的作用力，使得粒子沿着光束的传播方向运动；另一种是来自介质小球中的电偶极距在不均匀电磁场中受到的梯度力Fgrad。它正比于光强的梯度，指向光场强度的最大处。它使得粒子朝向光功率密度最大的点运动。当梯度力大于散射力时，粒子就能在

15、光强度梯度最大处被捕获。因此，光镊是利用微粒与光折射作用产生的梯度力来工作的。如下图6所示，介质球球心处于激光束焦点下方，当轴外光线a、b无损耗地穿过电介质小球上时，被折射使传播方向更平行于光轴，即增大了纵向动量。而由动量守恒原理可知小球会相应的获得负方向的动量，即小球受到的纵向力为拉力。由此可知光束a、b施加在小球上的力为Fa、Fb，其合力趋向于把小球拉向焦点。而这就是光束对处于激光束焦点下方的介质球产生与其传播方向相反的拉力的来源。对于球心处在光束焦点上方和光束焦点右方的小球，可以用类似的力分析得到，光通过小球的折射后，小球将分别受到指向正光轴和向左的梯度力作用，都使小球趋向于光束焦点运动

16、。图6 梯度力和散射力的示意图因此，在单光束梯度力光阱中，球心处于焦点之前、之后或左或右的介质小球，由于激光微束与小球折射作用产生的梯度力，都会使小球趋向于焦点。梯度力阱中任何横向偏离都会导致因横向上梯度力产生回复力，而任何纵向的偏离都会导致纵向梯度力产生回复力。梯度力使小球停止在焦点附近的作用，类似弹簧力，所以在焦点附近的小球将会受到这三维空间的回复力而被稳定地束缚于阱中。逆光束传播的负向梯度力更为重要，它主宰着轴向平衡的稳定性，具有大数值孔径且汇聚角大的场合，可实现大捕获力、大弹簧刚度，进而实现大的捕获范围。（2） 形成光学三维势阱的条件光镊要在三维方向上稳定捕获粒子首要的基本条件就是光强

17、的分布需要有大的光强梯度，使得光梯度力大于散射力，将粒子捕获。另一个条件是粒子的折射率n2大于周围介质的折射率n1。因为如果一个低折射率的粒子处在一高折射率的介质中，即n2<n1时，光线穿过粒子时其折射光线传播方向是与n2>n1时反向的。此时，粒子将被从光场强度高的地方推向光场强度低的地方，显然粒子将被推出光场。在满足这两条件的基础上，微粒能否被稳定地捕获还涉及物理与生物粒子方面的性质，如激光微束的光波长、功率、束腰半径、生物微粒的大小、球半径、极化状态、光汇聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相对折射率、以及球心与光轴的距离和球心与束腰的距离等，这些因素都不同程度地影响着捕获效果。2

18、.2 光阱力的理论计算模型根据粒子半径与激光波长的关系，采用不同的模型来描述激光捕获性能。对于尺寸比波长大得多的Mie散射区的米氏粒子，利用射线光学模型方法进行近似定量计算是成立的；对于尺寸比波长小得多的Rayleigh散射区的瑞利粒子，可采用电磁学模型进行近似定量计算；对于尺寸与波长相近的球状粒子和一些非球状粒子所受光阱力的定量计算，目前还没有一个简单、统一的模型，由于广义洛伦兹和Mie理论能够分析任意粒子尺寸和非平面波入射的情况，可以用于这种情况的分析外，能够较广泛发挥作用的是各种数值方法。当微粒半径远大于光波长时，满足Mie散射条件。一般采用射线光学模型，用光线光学的方法来描述微粒的受力

19、情况。此方法是通过单条光线作用力的叠加得到光阱的作用力。在几何光学范围内光可以被分解为具有强度、方向和极化状态大致相同的一根根光线，它们在同一种介质内沿直线传播或者说没跟光线都可以被看作具有波长为零的平面波的性质。它们在介质交界处的反射、折射和极化的规律遵循菲涅耳公式，在这个范围内衍射可以被忽略。首先考虑功率为P的单根光线，其单位时间的入射功率为n1P/c,以角入射在介质球上的力，如图8所示：图7 单条光线的射线光学模型当微粒半径远小于光波长时，满足Rayleigh散射条件，可采用电磁场模型来研究电磁场中粒子的行为，即用瑞利散射的理论进行近似计算。应用感应电偶极子受洛伦兹力计算梯度力为：应用电

20、偶极子对电磁波的散射理论计算散射力为：其中，<S>为时域平均坡印亭矢量，散射截面Cs为：以上考虑的是瑞利散射的情况，对于金属及吸收光子的瑞利粒子来说，引入复折射率，计算公式仍然成立。由于尺度与波长相近的粒子易被很牢固地捕捉，因此实际中研究的粒子大多数是在这一尺度范围内的，但在此尺度内，缺少与之相匹配的理论，用射线光学方法或者电磁模型方法计算均有较大误差，而广义洛伦兹和Mie理论适用于该尺度内粒子的计算。（1） 理论模型 广义洛伦兹和Mie理论是Gouesbet等人通过大量的计算分析提出的，他们采用该理论分析了任意大小的粒子在高斯光束中所受的辐射力；Harada等人也利用该理论验证他

21、们推导出介质球在瑞利散射情况时介质球辐射压力的理论表达式的有效性。该理论所用坐标系如图9所示，原点位于光束束腰中心处，z轴正方向为光束的传播方向，入射光波电场强度沿x轴方向偏振，粒子几何中心在该坐标系中的位置矢量r=（x，y，z）。图8 几何模型图（2） 辐射压力横截面系数 （1）轴向辐射压（z方向） （2）横向辐射压（x和y方向）y方向的压力横截面系数同理可求出。（3） 辐射压力光对粒子的辐射力被分解成三个横截面上的分量，其形式如下：2.3 根据动量守恒原理的光阱力计算法电荷受电磁场的作用力由洛伦兹力公式表示。以表示作用力密度，有电荷系统受力作用后，它的动量发生变化。由动量守恒定律，电磁场的

22、动量也应该相应的改变。用麦克斯韦方程组把上式右边完全用场量表出，有因此电磁场的动量密度为考虑一目标空间体积为V，包围其外边界的面积为S，则系统的总动量守恒定律可写成：图9 动量流密度张量示意图4 单光纤光镊系统的设计4.1 单光纤光镊系统的基本组成： (1)激光器光源：为了实现对样品精确可靠的无损伤操作，应选择波长、功率、性能都稳定可靠的激光器作为光源。(2)光纤光路耦合与光功率监测：激光能量要求能有效地耦合入用于操纵粒子的光纤探针中，以避免不必要的损耗以及引入高阶模，同时光功率应能实现在线监控。(3)光纤夹持与调节装置：由于光纤光镊系统需要精确的控制光纤针作微米量级的移动、对准与调节，且要球

23、探针在捕获时有很好的稳定性。因此需要一套准确度很高、操纵方便、力学稳定性好的光纤夹持与调节系统。(4)显微观测装置：以显微物镜为核心的光学成像系统是显微观察所必备的装置。(5)实时监测与图像处理系统：单光纤光镊系统要求具有较高的时空分辨率来捕捉和分解瞬息万变的生物粒子的动态过程。所以一个具有实时观察、连续记录和随时可进行参数调整功能的监测与图像处理系统就成为光镊微操纵系统的一个重要组成部分。(6)光阱力测量装置：单光纤光镊作为研究微观粒子特征的有效工具，一项十分重要的功能就是实现微小力的测量。因此，对于不同端面形状的光镊的光阱力进行测量与标定是不可缺少的重要组成部分。图10 单光纤光镊系统的示

24、意图4.2 单光纤光镊系统的设计激光器作为单光纤光镊系统中光阱形成的光源，对形成光阱的质量和整个光镊系统的稳定性都具有十分重要的作用。 1、波长的考虑：由于单光纤光镊系统的一个重要应用领域就是生物学领域，而在其他应用领域对波长的要求都不高，所以波长选择应以生物学应用作为主要设计依据。 而作为单光纤光镊系统的光源，工作在红外波段是比较好的选择，同时这一波段刚好处于光纤的低损耗窗口，适宜在光纤内传输。2、功率的考虑：激光功率的大小要考虑能够产生稳定的捕获操作，这依赖于粒子的个体性质，对于不同种类或同一种类不同条件下制备的样品，其阀值功率不同。另一方面，在满足稳定捕获的前提下，功率应尽量降至最小，以

25、减小光损伤；同时，由于探针深入到样品液中，高功率很容易使探针尖被污染，影响出射光场，甚至使探针完全报废。几毫瓦到几十毫瓦的能量在微米级尺寸上将产生几十到几百皮牛的力，足以克服微米级粒子的重力，所以在实际应用中只需一个小功率激光器就能满足要求。3、光纤耦合方面的考虑：光纤光镊与传统光镊对光源的需求是有差别的，在光纤光镊中光纤除了起到光能量传导作用外，在其尖端还能产生三维光势阱，所以在光源选择方面，应尽量选择与光纤传输性能匹配的光源，而且光源与光纤的耦合应尽量避免使用透镜等空间光路器件，以提高光路的稳定性。带尾纤激光器是个比较好的选择。综上所述，系统中我们选取的光源为波长980nm光纤泵浦激光器，

26、该激光器带有尾纤输出，最大出纤功率120mw。在单光纤光镊系统中，光功率监测是不可或缺的一个部分。而对光纤光镊直接出射光功率的直接检测受到诸如被捕获物的影响、载物台尺寸等诸多因素的限制，因此要在光纤光路部分插入了一个分光比为95:5的光纤分路器，将总光功率分出一部分送给光纤功率计进行间接测量。在光纤光路耦合方面，由于后向反射光对光源功率稳定性的影响，在应用当中应尽量减少光纤活动连接头的使用，所以光纤的连接部分都采用焊接的方式连接。在与光纤功率计连接时，由于只能使用活接头的方式，所以使用了APC型接头方式，以减小后向反射。在单光纤光镊系统中，由于光纤的机械操作与显微观测完全分离，所以光纤的夹持与

27、调节机构需要单独设计。光纤的夹持与调节装置的设计需要考虑的因素：1、根据实际需要，选择合适的操作方式，能够对光纤光镊的位置灵活控制。2、由于单光纤光镊的操作对象多为微米量级的物体，所以光纤调节精度至少为微米量级。3、单光纤光镊系统只能产生PN量级的捕获力，对振动干扰敏感，所以系统的隔振性能与稳定性要好。考虑到以上因素，装置中光纤位移的调节使用了手动精密三维位移平移台，移动部件采用线性滚珠滑轨，每一维行程25mm。光纤角度调节采用三维角度调节转台，转台可360o旋转，最小分辨率0.004o。转台俯仰角度调节范围±5o，最小分辨率0.003o。光线采用不锈钢管封装，安装在三维角度调节转台

28、上。考虑到装置的隔振性能与稳定性，光纤的夹持与调节机构安装时，需固定在光学平台上。图11 光纤的夹持与调节装置实验系统中，显微镜是重要的装置，它不仅提供了的显微观测手段，而且在操作过程也发挥着不可替代的作用。显微镜的选取应保证良好的光学成像质量和机械稳定性，同时还要方便生物样品的操作以及光纤光镊系统的搭建。通过采用倒置式生物显微镜可很好地满足实验要求。 CCD摄像与图像处理系统可以对粒子进行实时观察、连续记录，以便随时对系统进行参数调整。要求CCD摄像系统具有很高的时间和空间分辨率，能够进行静态和动态记录；图像处理系统完成对采集图像的相应处理与分析。此外还可以利用CCD实现光镊纳米级微小位移的

29、测量。通过对CCD所获取目标图像重心的提取可实现目标位置的判定。另外，CCD“虚拟四象限探测器”位移测量法是基于CCD光敏元光积分量随目标位移而变化的机理，从摄取的CCD数字图像提取目标位移信号，该方法很好地改善CCD中心提取方法的一些不足之处。单光纤光镊作为研究微观粒子特性的有效工具，一项十分重要的功能就是实现微小力的测量。为此对不同的端面形状的光镊的光阱力需要进行标定和测量。利用光镊测力有两种方法，一种是测量它在液体中操纵微粒进行匀速运动所能达到的最大速度逃逸速度，速度大于此值时微粒受到的流体粘滞力将大于光阱力，因而微粒将逃逸出光阱。利用这一速度就可以计算出微粒相对周围液体运动时与光阱力相

30、平衡的粘滞阻力，此时的光阱力称为逃逸阱力，是描述光镊捕获性能的重要参数之一。另一种测量方法是基于在一定范围内可将光镊看作一简谐势阱，利用光阱刚度，测量作用在微粒上的外力。常用的光镊标定方法有(1) 外加周期驱动力法；(2)运动轨迹分析法；这两种方法各有特点，第一种方法需要精确知道值，但位移探测器不需要进行严格的标定，因为此方法只关心其位移功率谱的截止频率，而位移量的绝对值对其不产生影响；第二种方法需对位移探测器进行严格的标定，但这种方法不需要知道值。(3) 流体力学法当流体与被光阱捕获的小球以一定的速度相对流动时，由于流体对小球产生粘滞力，使得小球偏离光阱的中心位置。当粘滞力与光阱力相等，小球就停留在某一平衡位置。光镊的力学校准可用流体力学的Stokes公式来进行。其表达式为式中v为小球与流体的相对