摘 要

光纤探针由于其对于粒子和生物细胞操作中存在非接触性、非破坏性等明显优势，为生物工程尤其是光捕获和近场扫描领域提供了有力的工具。传统的光镊受限于依赖高数值孔径的显微镜镜头来聚焦激光光束从而完成粒子捕获，因此会由于其设备过于巨大且复杂而缺乏灵活性，从而在实际应用中容易受到各种实际条件的制约，无法大范围应用。而利用光纤制作的光纤探针则没有上述限制，其便利性和小型化使得其具有传统光镊无法比拟的巨大优势。

光纤光镊又分为单光纤光镊和多光纤光镊。其中多光纤光镊有着需要多台高精度的微处理器来控制多光纤的明显缺点，这也意味着光镊的成本增加。为了解决这一问题，单光纤光镊应运而生。单光纤光镊工作距离大，系统组成简单，只需一个微操作器即可捕获微粒子。虽然也有着对微粒子的操作不是非接触的缺点，但是总体瑕不掩瑜。单光纤光镊又分为多模光纤光镊和单模光纤光镊，单模光纤光镊虽然成本低廉，易于制备，但是其模场直径较小因而无法实现除捕获外其他特殊功能。因而本课题提出一种多模光纤探针的制备与应用。

本课题首先用静态腐蚀法制备可用于光捕获的多模光纤探针。静态腐蚀法制备光纤探针的基本原理，是依靠氢氟酸腐蚀液与光纤主要成分二氧化硅之间各向同性的化学反应，在光纤与腐蚀液的交界面上逐渐形成角锥形光纤探针。角锥的几何结构和表面光滑度会极大地影响输出光场。并分析多模光纤探针的出射场，以及微粒在此出射场中的受力与运动。再详述多模光纤探针对酵母菌的捕获和操控过程，计算捕获力和酵母菌的逃逸速度。最后，本文利用多模光纤探针构建了酵母检测与操作系统，成功地利用光纤探针系统实现了酵母菌的稳定检测，为光纤探针在生物领域上对细胞进行捕获和操纵方面打下了良好的基础。

关键词：光学镊子；静态腐蚀法；多模光纤；酵母菌捕获

Abstract

Optical fiber seals offer powerful tools for bio-engineering, especially in the field of light absorption and field scanning, because of its advantages of non-contact and non-destructive particles and biological Cell operations. traditional optical tweezers are limited to focusing the laser beam by relying on the microscope lens with high numerical aperture, to take the particle Complete. Due its large and complex equipment therefore lacks flexibility, so it is easy, to be limited and not widely used by various practical conditions in practical application can. The Fibre base of glass fibres, however, does not have such restrictions by the Its convenience and miniaturization has great advantages over traditional optical tweezers.

Fiber optical tweezers are divided into single fiber optical tweezers and multi fiber optical tweezers. Among them, multi fiber optical tweezers have the obvious disadvantages of requiring multiple high-precision microprocessors to control multi fiber, which also means that the cost of optical tweezers increases. In order to solve this problem, single fiber optical tweezers came into being. The single fiber optical tweezers have a large working distance and a simple system composition. Only one micromanipulator is needed to capture the particles. Although the operation of the particles is not non-contact, but the overall flaws are not hidden. The single-mode fiber optical tweezers can be divided into multimode fiber optical tweezers and single-mode fiber optical tweezers. Although the cost of single-mode fiber optical tweezers is low and it is easy to prepare, the mode field diameter of single-mode fiber optical tweezers is small, so it can not achieve other special functions besides capture. Therefore, the preparation and application of a multimode fiber probe is proposed.

In this paper, the static etching method is used to prepare multimode fiber probes for optical capture. Based on the isotropic chemical reaction between HF etching solution and silicon dioxide, an angle tapered optical fiber probe is gradually formed at the interface between the fiber and etching solution. The geometrical structure and surface smoothness of the corner cone will greatly affect the output light field. The output field of multimode fiber probe and the force and motion of particles in the output field are analyzed. Then, the process of capturing and controlling yeast by multimode fiber probe is described in detail, and the capture force and escape velocity of yeast are calculated. Finally, a yeast detection and operation system is constructed by using multimode fiber probe. The stable detection of yeast is successfully realized by using the fiber probe system, which lays a good foundation for the fiber probe to capture and manipulate cells in the biological field.

Key Words：Optical tweezers; Static corrosion method; Multi-mode fiber; Yeast capture

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究意义及背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 单光纤光镊 2

1.4 光纤探针 3

1.5 基于多模光纤的探针式单光纤光镊 4

1.6 本文的主要工作及内容安排 5

第2章 光镊的基本原理 6

2.1 光的辐射压力 6

2.2 梯度力和散射力 7

2.3 光阱 7

2.4 光作用力的计算 8

2.4.1 米氏粒子的计算 8

2.4.2 瑞利粒子的计算 9

2.4.3 中间粒子的计算 9

2.5 本章小结 10

第3章 光纤探针的制备与应用 11

3.1 光纤探针的制备原理及步骤 11

3.2 酵母菌捕获实验 13

3.3 本章小结 14

第4章 总结与展望 15

4.1 总结 15

4.2 展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 研究意义及背景

随着科学技术的不断发展，人们对于世界的认识越来越微型化，细节化，对于微观世界的探索自然离不开能够在微观世界使用的工具的帮助，而光镊技术正是在微观世界操作必不可少的一项关键技术，它的出现对于许多科学领域，特别是细胞生物学和物理学领域方面，产生了极其重要的影响。

光镊技术，顾名思义，是一项利用光的辐射压力对于微型离子进行捕获和控制等操作的技术。而其核心，就是对于光压的应用。光压(light pressure)是指光辐射对物体表面施加的压力。它的起源可追溯到1619年之后根据光粒子理论的学说天文学家开普勒提出了经典理论，即光照射物体时会对物体产生压力，并且用这个理论来解释为什么彗星会在运行过程中一直背离太阳。1746年，法国科学家杜费和德麦兰菲试图测量光的压力，但却并未实现。在1873年，电磁理论的奠基人麦克斯韦首先证明了光压力的存在，但是关于光压力的测量却由于技术原因并一直没有得到实现。但直到1899年，伟大的俄罗斯物理学家门捷列夫才首次观测到光对固体的压力，并在1901年观测到光的压力效应，并测量出了光的压力。光压实验证明了光具有动量，1923年，美国物理学家康普顿和中国物理学家吴有训利用X射线通过物体时会向各方向散射的特点进一步证明了光具有动量，同时也说明光与物质相互作用时系统满足动量守恒。

随着20世纪60年代激光的发明，在使用高方向性和高亮度的激光器作为光源时，光压力对于物体的作用变得更为明显。在1970年，Ashkin首次提出了利用光产生的辐射压力加速液体中悬浮粒子的实验结果^[1]。同年又与Dziedzic提出了用两个对向激光束实现光学悬浮的新技术^[2]，并于1986年最终发明了可以操纵原子、分子和生物细胞的光镊^[3]。这一技术为研究微观世界尤其是纳米世界开辟了崭新的道路，同时他本人也因此在2018年获得诺贝尔物理学奖。