光鑷技術(shù)由于具有對(duì)被操作微粒非入侵性等特性,從而逐漸被應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域,如細(xì)胞,病毒和細(xì)菌操作。傳統(tǒng)的光鑷通常需要使用高數(shù)值孔徑的顯微鏡頭來聚焦激光光束從而實(shí)現(xiàn)微粒捕獲。由于其體積龐大且缺乏靈活性,在實(shí)際操作微粒時(shí)存在局限性。而基于光纖的光學(xué)捕獲方法的實(shí)現(xiàn)使光鑷成為了便利、小型化且具有廣泛應(yīng)用的工具。光纖光鑷分類包括多光纖光鑷、單光纖光鑷。相較于需要準(zhǔn)直操作的多光纖光鑷系統(tǒng),單光纖光鑷操作簡(jiǎn)單,利于實(shí)際制備以及使用。而單光纖光鑷又分為單光纖單光鑷和單光纖多功能光鑷,其中基于單模光纖的單光纖單光鑷雖利于制備,造價(jià)低廉,但是由于模場(chǎng)直徑較小決定了其除非結(jié)合特殊效應(yīng)(如熱效應(yīng)),否則無法實(shí)現(xiàn)除捕獲外的其他特殊功能;而基于特種光纖的單光纖多功能光鑷由于其結(jié)構(gòu)特殊,通過加工光纖端面可以實(shí)現(xiàn)除捕獲外的其他功能如微粒旋轉(zhuǎn)等,缺點(diǎn)是由于特種光纖造價(jià)高昂限制了其產(chǎn)量,導(dǎo)致其應(yīng)用范圍狹窄。而本文的研究工作將光鑷與漸變多模光纖相結(jié)合,旨在利用其特殊折射率分布以及出射光場(chǎng)具有較大等效模場(chǎng)直徑的特點(diǎn)來制備多功能光纖光鑷(光學(xué)捕獲、捕獲位置可控調(diào)整),為實(shí)際研究中光纖光鑷的應(yīng)用提供了便利的手段。本文主要工作如下:提出一種基于漸變多模光纖的新型單光纖光鑷,其可使用自由長(zhǎng)度(30cm)的漸變多模光纖。這種漸變多模光纖光鑷可實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞的三維穩(wěn)定捕獲。與具有相同錐角的單模光纖光鑷相比,這種漸變多模光纖光鑷具有較大的光學(xué)捕獲力。由于這種漸變多模光纖可使用自由長(zhǎng)度,所以其制備過程簡(jiǎn)單且便于重復(fù);而由于其捕獲力較大,所以具有較高的捕獲效率。但是上述光鑷不能實(shí)現(xiàn)非接觸式捕獲,通過改進(jìn)光纖光鑷探針結(jié)構(gòu),提出一種基于漸變多模光纖的雙功能光纖光鑷,其可以實(shí)現(xiàn)非接觸式捕獲,并對(duì)被捕獲微粒進(jìn)行多樣化操作。通過使用多角度研磨的方法,制備了可以對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行穩(wěn)定的三維非接觸光學(xué)捕獲的光纖探針。光纖尖端的特殊錐形形狀確保了其可進(jìn)行長(zhǎng)距離捕獲和非侵入性光學(xué)操作,即第一個(gè)功能。而通過調(diào)節(jié)光源尾纖和漸變多模光纖探針尾纖之間的徑向偏移,可以實(shí)現(xiàn)第二個(gè)功能,驅(qū)動(dòng)被捕獲的微粒相對(duì)于光纖尖端的軸向方向進(jìn)行可控移動(dòng)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN253
【部分圖文】：

有著它們所都不具有的優(yōu)勢(shì)，那就是它的操控方式是使用光場(chǎng)操縱微粒，即操作方非接觸式的，不會(huì)對(duì)被操控對(duì)象造成機(jī)械損傷。正是因?yàn)檫@一優(yōu)點(diǎn)，光鑷在生物和方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，特別是在細(xì)胞操作方面。其一，光鑷系統(tǒng)可操作的微粒的尺常小，達(dá)到了微米甚至納米級(jí)別；其二，光鑷的操作過程十分溫和，其不會(huì)對(duì)細(xì)胞破壞性的損傷，雖然激光輻射過程會(huì)產(chǎn)生熱量，但是實(shí)驗(yàn)中只要選取合適的激光波長(zhǎng)開細(xì)胞的吸收波長(zhǎng)，就可以避免實(shí)驗(yàn)中熱量對(duì)細(xì)胞的損傷；最后，由于大多數(shù)的細(xì)透明的，也就是說光可以透射進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的微粒進(jìn)行操作，這是其他的手段所無法實(shí)現(xiàn)的[4]。光鑷除了作為夾持工具之外，還可以進(jìn)行傳感，進(jìn)行對(duì)微小力的測(cè)量。光鑷系統(tǒng)束聚焦處為捕獲中心，當(dāng)微粒或細(xì)胞偏離捕獲中心時(shí)，其所受的力正比于偏離捕獲的距離，這個(gè)原理與彈簧的勁度系數(shù)相似。這也就使得在操縱微�；蚣�(xì)胞時(shí)，被操子的受力可以被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。所以光鑷也可以用于制作光纖探針，用來測(cè)量細(xì)胞的受況，這對(duì)進(jìn)一步揭示生命科學(xué)有著重要的意義。

圖1.2雙光纖光鑷系統(tǒng)示意圖

圖 1.3 用雙光纖光鑷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)血紅細(xì)胞的拉伸[18]圖 1.4 用雙光纖光鑷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)血紅細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)[19]Bragheri 等人介紹了他們對(duì)光流控芯片的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其能和受控拉伸。制備方法是通過飛秒激光微機(jī)械加工在熔融石光波導(dǎo)和微流體通道。該工作中采用的新制造程序，使芯片從而使被捕獲的細(xì)胞圖像的質(zhì)量得到改善。飛秒激光微機(jī)械技術(shù)，可被應(yīng)用于多功能集成生物光子器件的開發(fā)，該器件
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