采用超連續(xù)譜激光的雙光束光纖光阱實(shí)驗(yàn)

胡孔云，肖光宗*，張 瑩，陳鑫麟，謝元平

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119)

采用超連續(xù)譜激光的雙光束光纖光阱實(shí)驗(yàn)

胡孔云1,2，肖光宗1,2*，張 瑩1，陳鑫麟1，謝元平1

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119)

以超連續(xù)譜激光器作為捕獲光源，首次提出并搭建了超連續(xù)譜雙光束光纖光阱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯微球的捕獲和操控。通過(guò)改變光纖端面間隔和調(diào)整捕獲光功率的方式精確控制微球的位置，采用CCD圖像分析方法實(shí)現(xiàn)了微球位置的精確測(cè)量。對(duì)微球受限布朗運(yùn)動(dòng)下的位置變化進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算得到功率譜，與理論功率譜函數(shù)擬合后求出了其光阱剛度。結(jié)果表明，捕獲光束的功率為28 mW時(shí)，光阱剛度達(dá)到1.3×10-6N/m，高于相同實(shí)驗(yàn)條件下單波長(zhǎng)光纖光阱的剛度。與傳統(tǒng)采用單色光作為捕獲光源的光鑷系統(tǒng)不同，超連續(xù)譜雙光束光阱系統(tǒng)利用其寬譜優(yōu)勢(shì)，通過(guò)研究被捕獲微粒的散射光譜信息可獲取其尺寸、折射率等物理特征參數(shù)。

超連續(xù)譜；光纖光阱；光阱剛度；操控

1 引 言

光鑷是根據(jù)光的力學(xué)效應(yīng)設(shè)計(jì)出的一種無(wú)接觸無(wú)損傷的操控微粒和活性細(xì)胞的技術(shù)，又被稱(chēng)為光阱。由于其具有捕獲和處理非接觸微觀對(duì)象的獨(dú)特能力，在過(guò)去的二十多年里，它在生物科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的有著眾多應(yīng)用[1]。

早期光鑷系統(tǒng)采用單波長(zhǎng)激光器作為捕獲光源。單波長(zhǎng)激光器具有良好的空間相干性和時(shí)間相干性，空間相干性保證捕獲光束的能量聚焦，實(shí)現(xiàn)光阱大梯度力，但捕獲光源類(lèi)型單一。隨著近幾年非線性光學(xué)飛速發(fā)展，尤其是超連續(xù)譜光源的成功研制[2]，使得超連續(xù)譜激光具有高的空間相干性同時(shí)還兼有很寬的光譜范圍(低時(shí)間相干性)。超連續(xù)譜激光器的產(chǎn)生對(duì)光鑷發(fā)展有重大意義，一方面超連續(xù)譜激光良好的空間相干性可以實(shí)現(xiàn)光阱大梯度力用以粒子的捕獲；另一方面可直接測(cè)量被捕獲粒子的彈性散射光譜，結(jié)合光的力學(xué)效應(yīng)與光譜學(xué)分析可以有助于實(shí)現(xiàn)測(cè)量微小粒子信息[3-5]。2005年，賓夕法尼亞州立大學(xué)的Peng Li等人首次利用超連續(xù)譜激光搭建了單光束超連續(xù)譜光鑷系統(tǒng)，并基于粒子在光阱中的散射譜得出粒子的折射率和尺寸信息[6]。隨后，其他研究者依據(jù)捕獲粒子散射成功分析了空氣中氣溶膠粒子的特性[7-9]，顯示超連續(xù)譜光鑷對(duì)獲取粒子的物理特性越來(lái)越重要。目前超連續(xù)譜光鑷一般是由一個(gè)倒置的顯微鏡改裝而成，激光束經(jīng)擴(kuò)束器進(jìn)入倒置生物顯微鏡系統(tǒng)，被高NA值的顯微物鏡會(huì)聚后得到滿足三維捕獲要求的強(qiáng)會(huì)聚高斯光束，從而在焦點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的穩(wěn)定捕獲。但是單光束光鑷系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)被捕獲粒子的微操控不夠靈敏等一些問(wèn)題。現(xiàn)有的單波長(zhǎng)光纖光阱采用光纖代替物鏡聚焦光束[10-12]，采用光纖結(jié)構(gòu)的光阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈敏。1993年，Kim等人嘗試將纖組裝在一個(gè)微型芯片上，實(shí)現(xiàn)光阱的微型化[13]。

本文結(jié)合單光束超連續(xù)譜光鑷和光纖光鑷各自的優(yōu)勢(shì)將光纖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超連續(xù)譜光阱中，以超連續(xù)譜激光器作為捕獲光源，提出并搭建了超連續(xù)譜雙光束光纖光阱新結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。既可以利用捕獲光的寬光譜優(yōu)勢(shì)對(duì)粒子特征進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)粒子的物理屬性的測(cè)量；也有利于粒子的精確微操控；光纖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活，符合寬譜光阱的小型化與集成化發(fā)展趨勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

搭建超連續(xù)譜雙光束光纖光阱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為捕獲和成像兩個(gè)部分，捕獲部分由超連續(xù)譜激光器、50/50耦合器、光纖衰減器、位移臺(tái)、等構(gòu)成，捕獲室裝有聚丙乙烯球的溶液。激光器發(fā)出激光通過(guò)光纖進(jìn)入50/50耦合器分成所需的兩束捕獲光束，捕獲光束分別經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減器到達(dá)捕獲室，傳輸光纖分別固定在三維位移臺(tái)上。衰減器控制捕獲光束的功率，微球在捕獲室內(nèi)被捕獲。成像部分由LED、 物鏡、CCD和計(jì)算機(jī)組成，LED發(fā)出均勻的光照在捕獲室內(nèi)部，通過(guò)10倍物鏡將捕獲室內(nèi)的光阱中心成像在與計(jì)算機(jī)連接的CCD上。50/50耦合器的另一輸入端的端口C可以接入功率計(jì)或者光譜儀來(lái)測(cè)量捕獲微球時(shí)反射光功率和反射光譜。

圖2是捕獲光束光功率為28 mW時(shí)兩束捕獲光束的功率譜。如圖所示，捕獲光束的波長(zhǎng)從700 nm到1 400 nm，且在帶寬范圍內(nèi)光功率譜比較平穩(wěn)，有利于探究影響被捕獲粒子散射特性的因子。

圖2 光纖輸出端捕獲光束光譜圖 Fig.2 Spectrogram of the captured beam from the output end of the optical fiber

3 超連續(xù)譜雙光束光纖光阱捕獲實(shí)驗(yàn)

3.1 微球的捕獲與操縱

超連續(xù)譜雙光束光纖光阱系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)粒子的捕獲。圖3所示是光阱系統(tǒng)捕獲直徑為10 μm的微球。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，捕獲室內(nèi)被捕獲微球的散射現(xiàn)象很明顯, 當(dāng)捕獲光束功率為9 mW時(shí)，視野中清晰呈現(xiàn)粒子的大小，隨著捕獲光束功率越大，散射越強(qiáng)烈。

圖3 直徑為10 μm小球被光阱捕獲 Fig.3 A 10-μm polymer microsphere is trapped by the optical tweezer

微球在捕獲室內(nèi)被光阱穩(wěn)定捕獲時(shí)，圖1中的光阱系統(tǒng)可以通過(guò)兩種方式對(duì)微球的位置進(jìn)行微操控。

圖4 移動(dòng)光纖改變光阱中心微球所處位置 Fig.4 A position change of microspheres in the optical trap center by moving optical fiber

第一種方式是調(diào)節(jié)位于捕獲室兩端的三維位移臺(tái)改變傳輸光纖的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)微球的微操控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同時(shí)移動(dòng)捕獲室兩端的捕獲光束，改變光阱中心位置，光阱中心的微球也隨著移動(dòng)。如圖4所示，圖4(a)中微球在O1點(diǎn)被捕獲。圖4(b)是沿XY正方向移動(dòng)光纖，微球移動(dòng)到O2點(diǎn)，并且相對(duì)光纖位置保持不變；圖4(c)沿XY負(fù)方向移動(dòng)光纖，微球隨光纖移動(dòng)到O3點(diǎn)。光阱中捕獲的粒子位置通過(guò)光纖可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、精確操控。

第二種方式是利用光阱系統(tǒng)中光纖衰減器控制捕獲光束的光功率來(lái)實(shí)現(xiàn)微球位置移動(dòng)。當(dāng)其中一束捕獲光束光功率改變時(shí)，光阱中心則偏向功率弱的捕獲光束一端。如圖 5(a)所示,當(dāng)捕獲光束功率相等時(shí)，微球被穩(wěn)定地捕獲在兩根光纖中間O1點(diǎn)位置。圖5(b)中，減小A輸入端捕獲光束功率，則微球沿光纖軸線方向移動(dòng)，功率停止減弱，則小球靜止在O2點(diǎn)。到達(dá)M點(diǎn)后，慢慢增大A端捕獲光束功率，則小球沿軸線方向往B端移動(dòng)，圖5(c)是停止增大A段功率則小球停在O3點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，若捕獲室兩端的光纖被固定，則可通過(guò)調(diào)節(jié)捕獲光束功率差實(shí)現(xiàn)微球位置的微操縱。

圖5 調(diào)整光束光功率改變光阱中心微球位置 Fig.5 A position change of microspheres in the optical trap center by adjusting the power of the light beam

3.2 光阱剛度標(biāo)定

光鑷系統(tǒng)不僅是操縱微粒定位的工具，其另一個(gè)重要功能是進(jìn)行微小力測(cè)量。理論和實(shí)驗(yàn)表明光阱可以近似看成簡(jiǎn)諧勢(shì)阱，粒子在光阱內(nèi)偏移阱中心的位移x與粒子受到的光阱力成正比。即：

(1)

比例系數(shù)kx為光阱剛度。因此光阱剛度的標(biāo)定是衡量光阱性能的重要指標(biāo)。光阱剛度的標(biāo)定方法很多種，文章中用功率譜法進(jìn)行超連續(xù)譜雙光束光纖光鑷系統(tǒng)的光阱剛度標(biāo)定[14-15]。

功率譜法是基于粒子的熱運(yùn)動(dòng)分析。被光阱捕獲粒子作受到簡(jiǎn)諧勢(shì)場(chǎng)限制的熱運(yùn)動(dòng)，粒子的熱運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

式中，γ=6πηa，在低Reynolds數(shù)下，微米級(jí)大小粒子類(lèi)似于過(guò)阻尼振子[16]，慣性力相對(duì)于粘滯阻力可以忽略不計(jì)。對(duì)式(2)做傅里葉變換得到：

(3)

則雙向功率譜為：

(4)

式中，fc=kx/2πγ，且〈Frandom(t)x〉=0。Frandom(t)自相關(guān)函數(shù)為：

(5)

因?yàn)殡S機(jī)力對(duì)微米小球的作用是瞬時(shí)和完全獨(dú)立。功率譜函數(shù)可以簡(jiǎn)化為：

(6)

因此實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，利用CCD對(duì)捕獲粒子的圖像進(jìn)行采集，CCD圖像采集速率為15 frame/s。利用灰度特性對(duì)被光阱捕獲的微粒的位置迸行大量的測(cè)量[17]，得到微粒位置隨時(shí)間變化的關(guān)系，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算功率譜，然后與理論的功率譜函數(shù)進(jìn)行擬合，就可以得到fc，并進(jìn)而得到光阱剛度kx。在一定范圍內(nèi)，光阱剛度值隨著功率成線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，捕獲光束的光功率為28 mW時(shí)，利用MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)得出功率譜如圖6所示。測(cè)得此時(shí)的光阱剛度為1.3×10-6N/m，誤差在±0.15×10-6N/m以?xún)?nèi)。文獻(xiàn)[17-19]中提到的單波長(zhǎng)光纖光阱剛度只達(dá)到10-7N/m量級(jí)，而超連續(xù)雙光束光纖光阱的剛度高于相同實(shí)驗(yàn)條件下單波長(zhǎng)光纖光阱的剛度[18-20]。

圖6 功率譜及其擬合曲線 Fig.6 Theoretical power spectrum and fitting curve of experimental power spectrum

4 結(jié) 論

搭建了基于超連續(xù)譜光源的雙光束光纖光阱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了寬光譜光源對(duì)于微米級(jí)粒子的捕獲，通過(guò)利用三維位移臺(tái)移動(dòng)光纖和改變捕獲光束的光功率兩種方式對(duì)被捕獲粒子進(jìn)行了精確操控。根據(jù)微球在布朗運(yùn)動(dòng)下的位置變化進(jìn)行傅里葉變換得到功率譜，對(duì)功率譜進(jìn)行擬合后求出了其光阱剛度，達(dá)到10-6N/m量級(jí)，高于同實(shí)驗(yàn)條件下單波長(zhǎng)光纖光阱的光阱剛度。

與傳統(tǒng)的超連續(xù)譜光鑷相比，雙光束光纖結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜光阱采用光纖結(jié)構(gòu)，不再需要高倍物鏡進(jìn)行光場(chǎng)聚焦來(lái)產(chǎn)生捕獲粒子所需的梯度力，可以使得整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，小型化。超連續(xù)譜光源具有獨(dú)特的譜寬優(yōu)勢(shì)，利用小球在光阱中散射譜，我們可以探究微球的本身的粒子信息。超連續(xù)譜光阱系統(tǒng)在生物學(xué)和分散體系等領(lǐng)域的研究中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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Double-beam fiber optical trap experiments based on supercontinuum laser

HU Kong-yun1,2, XIAO Guang-zong1,2*, ZHANG Ying1, CHEN Xin-lin1, XIE Yuan-ping1

(1.CollegeofOptoelectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073,China；2.StateKeyLaboratoryofTransientOpticsandPhotonics,X′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences，Xi′an710119,China)

The experimental system of dual-beam fiber optical trap is proposed and built for the first time which can realize the trapping and manipulation of polystyrene microspheres by taking the supercontinuum laser as the trapping light source. The position of the microsphere is manipulated by changing the relative position of the two optical fiber end faces and output power of the fibers. The CCD image analysis method is used to measure the position of the microsphere. The power spectrum is calculated by Fourier transform of the position variation of the confined Brown motion. After fitting the theoretical power spectrum function, the optical trap stiffness is obtained. The results show that when the power of the captured beam is 28 mW, the optical trap stiffness can reach 1.3×10-6N/m, which is higher than that of the single wavelength optical trap under the same experimental conditions. By taking advantage of the wide spectrum of the dual-beam optical trap system, the physical parameters such as the size and refractive index can be obtained by studying the scattering spectrum information of the captured particles which is different from the traditional use of monochromatic light as the captured light of the optical tweezers.

supercontinuum;fiber optical trap;stiffness of optical trap;manipulation

2017-01-13；

2017-03-16

瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(No.SKLST201507) Supported by Open Research Fund of State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics(No.SKLST201507)

2095-1531(2017)03-0370-06

TP394.1； TH691.9

A

10.3788/CO.20171003.0370

胡孔云(1991—)，男，安徽池州人，碩士研究生，2014年于安徽工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光電檢測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail:hukongyun1@sina.com

肖光宗(1983—)，男，湖北襄陽(yáng)人，博士，講師，2005年于武漢大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年、2011年于國(guó)防科技大學(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事光電慣性技術(shù)方面的研究。E-mail:xiaoguangzong@nudt.edu.cn

*Correspondingauthor,E-mail:xiaoguangzong@nudt.edu.cn