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面向实用化的片上光阱传感单元
资料介绍
提出并实现了一种片式光阱传感单元.利用基片上的V型槽保证双光纤光阱的对准,利用压电元件振动使微球与基片脱离,实现了空气环境中对10μm微球的捕获,捕获后的微球位置稳定性达到0.12μm.在此基础上,设计制作了可预置少量微球的封闭微型腔,实现了光阱传感结构的微型化和集成化,解决了光阱中单微球的高效可重复起振难题,为实现实用化的光阱传感器奠定了基础.
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| 1577640431面向实用化的片上光阱传感单元.pdf | 1M |
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2
期
光
子
学
报
第
卷第
Vol．47 No．2
February 2018
2018
2
年
月
ACTA PHOTONICA SINICA
doi: 10．3788 /gzxb20184702．0206001
面向实用化的片上光阱传感单元
1
2
1
1
1
， ， ， ，
葛晓佳 沈瑜 苏鹤鸣 佘玄 胡慧珠
( 1
，
浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室 杭州
310027)
( 2 ， 310023)
浙江科技学院 理学院 杭州
: ． V ，
要 提出并实现了一种片式光阱传感单元 利用基片上的 型槽保证双光纤光阱的对准 利用压电
摘
，
元件振动使微球与基片脱离 实现了空气环境中对
10 m ， 0．
μ 微球的捕获 捕获后的微球位置稳定性达到
12 m．
μ
， ，
在此基础上 设计制作了可预置少量微球的封闭微型腔 实现了光阱传感结构的微型化和集成
， ，
化 解决了光阱中单微球的高效可重复起振难题 为实现实用化的光阱传感器奠定了基础
．
:
;
;
;
;
关键词 光纤光阱 悬浮微球 封闭微型腔 静态稳定性 重复起振
: O439
: A : 1004-4213( 2018) 02-0206001-7
文章编号
中图分类号
文献标识码
Practical Sensing Chip Based on Optical Trap
1
2
1
1
1
GE Xiao-jia ，SHEN Yu ，SU He-ming ，SHE Xuan ，HU Hui-zhu
( 1 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation，College of Optical Science and Engineering，
Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)
( 2 School of Science，Zhejiang University of Science ＆ Technology，Hangzhou 310023，China)
Abstract: A chip of fiber optical trap was investigated，using the V-grooved SiO platform to align the fibers
2
and the piezoelectric components to break the constraints between particles and the substrate． After successfully
trapping the particle with 10 m diameter in the air，the axial fluctuation of the particle reaches to the
μ
submicron scale ( 0．12 m) ． Furthermore，combined with the micromachining technology，this paper realizes a
μ
sealed micro-cavity to contain few particles that not merely achieves integration into lab-on-a-chip environments
but also implements the reproducible launching of a single particle，promoting the application for engineering of
optical trap sensing technique．
Key words: Fiber optical trap; Levitating particle; Sealed micro-cavity; Static stability test; Reproducible
launching
OCIS Codes: 020．7010; 060．2310; 120．4640; 130．3120
0
引言
， 、 ， 、 、
光阱作为一种重要的研究工具 提供了方便 无接触式的操控和测量技术 被广泛运用于物理 生物 化
［1］
． ， ， ，
学等科学研究领域 光阱不仅能悬浮微球 还能控制其移动 有些光阱系统甚至可以同时控制多个微球 并
， ．
且能与强大的分析技术相集成 是精密测量领域的研究热点 当前传统的基于自由空间中单光束梯度力的商
， ， ， 、
业型光阱通常使用体积较大的光学系统 相比之下 光纤光阱更容易集成于小尺寸的基片上 其简单 高效
、
［2］
．1970 ，Ashkin
年
低成本和实用化的特点更贴近实际应用的需求
最早提出利用高数值孔径的物镜聚焦激光
［3］
，
束形成光阱 实现对微球的捕获
．20 ，A． Constable
年后
，
等首次提出双光纤光阱 使用毛细管来支撑和固定
， ， ． ，
两根相对的光纤的位置 以保证其对准 形成稳定的捕获区 此后 很多研究学者探索了各种不同的光纤光阱
［4-6］
［7］
［8］
［9-10］
，
结构 如使用具有特殊结构的光纤
，
，
，
．
等 光
使用光纤阵列
结合特殊的光学元件
使用非高斯光束
:
基金项目 国家自然科学基金
( Nos．11304282，10947104) ， ( No．2016XZZX004-01)
中央高校基本科研业务费专项资金
资助
－
( 1993 ) ， ，
:
第一作者 葛晓佳
，
女 硕士研究生 主要研究方向为光镊技术及其在光学传感方面的应用
．Email: gexiaojia@ zju．edu．cn
－
( 1979 ) ， ， ， ， 。Email: huhuizhu2000@ zju．edu．cn
男 教授 博士 主要研究方向为光学惯性导航及精密测量
( ) :
导师 通讯作者 胡慧珠
: 2017-09-26;
: 2017-11-14
录用日期
收稿日期
http: www．photon．ac．cn
∥
0206001-1
光
子
学
报
， ，
纤光阱也同样应用于很多领域 如与微流控技术相结合 在聚二甲基硅氧烷
( Polydimethylsiloxane，PDMS)
集
［11］
［12］
;
;
利用单个细胞测量喇曼光
成芯片上安装垂直于微流通道的双光纤
光学捕获和操控微小的玻璃棒
［13］
［14］
［15］
;
． ，
操控固体和液体气溶胶 等 此外 双光纤光阱同时存在多个不同位置的稳定捕获点
，
这为其应用
谱
．
带来巨大的潜能
［16］
2005 ，Jensen-McMullin
年
， ，
等提出了四光纤的光阱结构 装置中的其中两根单模光纤共线对准 间距
130～170 m， ， ， ，
μ 用来捕获微球 另一根单模光纤用于照明 第四根多模光纤用来进行光学探测 该装置实现了
、 、 、 ， ．
在液体环境下对微球的捕获 动作控制 位置传感 荧光探测等 是多功能集成捕获平台的重要里程碑 近年
［17-19］
， ， ， 、
来 光纤光阱已经展现出了巨大的潜力 利用被光阱悬浮的微球 可以实现力 加速度等信号的传感
，
目
8
［20］
［21］
10
，
．
前相关的研究已经实现了高达
的机械品质因数
甚至超过了最先进的纳米机械设备
浙江大学已
［22］
［23］
，
．
进行光阱刚度的标定等 但是上述研究中均使
经实现了液浮式光阱加速度传感器
并利用残余重力法
， ， ．
用大量微球进行捕获 实验过程中需要反复补充 这在工程应用中显然是无法适用的 光阱传感单元的集成
［19］
( reproducible launching)
．
化和单微球的高效可重复捕获
是实现一个实用化光阱传感器的关键问题
本文就
， ，
这一问题 提出并实现了一种新型的光阱传感单元 在空气环境下实现了基于双光纤光阱结构的片式传感单
． V ，
元 基片上的 型槽保证双光纤光阱的对准 压电元件振动使微球挣脱与基片之间的范德瓦尔斯力脱离基
， ， ，
片 进入双光纤光阱的捕获区域 利用光阱力将其捕获并且稳定悬浮 通过静态稳定性测试得到捕获后的微
0．12 m．
μ
． ，
此装置真正实现了空气光阱传感单元的片上集成 在此基础上与微加工技术结合
球位置稳定性达
( 5 ) ， ，
制作出容纳少量微球 小于 个 的封闭微型腔 将微球束缚在限定的区域内 实现了对单个微球的重复起
， ， ， ，
振 克服了在实验中反复补充大量微球的问题 封装后可重复使用 提高了片式传感单元的工程适用性 并且
， ．
利用封闭腔可以减小外界空气扰动对微球的影响 这对于需要高精度测量的领域具有重要的应用价值 本文
［24］
，
提出的片式光阱传感单元的设计方法 可以直接应用于基于光阱的真空高精度力学测量
、
室温下的量子
［25-26］
［27］
［28-29］
、
，
．
等研究中
光力学
涨落定理的检验
以及光学反馈和腔冷却
1
光力传感测量原理
， ，
传统的空间光阱使用单激光束聚焦来捕获束腰附近的微球 而在双光纤光阱中 两根光纤相距一段距离
， ．
并且同轴对准 两束相向传播的激光束从两根光纤中发出用以捕获微球 光阱力源于激光束和样品的动量交
， ， ， ． :
换 激光束通过样品时 通过光与样品的相互作用 导致样品受到力的约束 这个力可以分解成两种 散射力
F ， ;
它使样品获得与激光传播方向相同的动量 梯度力
s
F ， ，
它源于光场梯度的存在 使样品沿着光强最大的
g
［30］
，
如式
( 1) 、( 2)
．
所示
地方移动
2
n P
1
－
+
T [ cos ( 2 2 ) Rcos 2 ]
θ
γ
θ
+ －
1 Rcos 2
θ
=
F
( 1)
s
2
+ +
1 R 2Rcos 2
{
}
c
γ
2
n P
1
－
+
T [ sin ( 2 2 ) Rsin 2 ]
θ
γ
θ
－
Rsin 2
θ
=
F
( 2)
g
2
+ +
1 R 2Rcos 2
{
}
c
γ
P
式中 为入射光功率
，n P /c
1
，
为介质中每秒的入射光动量 θ 和 γ 分别为入射角和折射角
，R
T
和 分别是介质
．
表面的菲涅尔反射和折射系数
，
由两束对射激光产生的散射力相互抵消 梯度
， ，
力与微球重力相平衡 此时微球被稳定捕获 通过改
．
变两边的光功率可以改变微球的位置 如图
1( a)
所
， ，
示 对于双光纤构成的光阱而言 当两束激光光功率
=
P
P
，
．
， P
时 微球位于中点位置 改变功率大小 使
1
1
2
1
(
)
＜P ，
2
，
则微球受到右侧光束的光阱力增大 粒子向左
图
光功率与微粒位移关系示意图 虚线表示中点位置
Fig．1 Schematic diagram of the relationship between optical
power and the displacement of particle( the dotted line
representing the midpoint)
(
偏移 图
1( b) ) ， ( 1( c) ) ．
反之亦然 图
(
当微球位于中点位置时 图
1( a) ) ，
若外界有加
， ， x，
速度 微球将产生位移 假设位移量为 线性系数
(
) k，
光阱刚度 为 微球的质量为
m， ，
由于光阱力在一定范围内是线性的 系统加速度可以表示为
0206001-2
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