摘 要

光纤探针的制备是一种光纤端面处理技术，主要用于扫描近场显微镜、微粒的光学捕获与操控（即光纤光镊）、表面粗糙度测量，拉曼光谱仪等。实验上制备光纤探针的主要方法有熔拉法、化学腐蚀法（静态和动态）、管腐蚀法、熔拉-腐蚀法等，考虑到制备成本以及可重复性等因素，本文便采用了静态化学腐蚀法和管腐蚀法。

本文围绕影响静态化学腐蚀法制备的探针的二次锥角大小的因素展开探究，着重研究了腐蚀时间、环境温度对二次锥角的影响，发现腐蚀时间越长、环境温度越高，探针的二次锥角越大；以及探针二次锥角大小的分布情况，腐蚀110分钟时，探针二次锥角大小主要分布在60度±5度的范围内。并且对探针在捕获酵母细胞的应用方面作了简要的探究，发现了探针锥角与捕获效率之间的关系，探针二次锥角越大，捕获效率越低。管腐蚀法也有涉猎，探究利用管腐蚀法制备出受环境影响较小的平滑的探针的技术要领，总结出一套完备的管腐蚀法制备方案：腐蚀150分钟，光纤插入腐蚀液液面以下2毫米（不包含剥掉涂覆层的那一部分）。

关键词：光纤探针，静态化学腐蚀法，管腐蚀法，光纤光镊

Abstract

The fabrication of optical fiber tips is a processing technology for tips end. It mainly used for optical scanning near-field microscopy, particle trapping and manipulating (fiber optical tweezers), the surface roughness measuring, Raman spectrometer and so on. The mainly fabricated method of tips are melt-pulling, chemical etching (include static and dynamic), tube etching, melt-pulling and chemical etching methods. Considered the fabrication cost and repeatability, we use the static etching and tube etching methods for tips fabrication.

In this thesis, we have in-depth discussion and research about the tips fabrication by static etching. We explore the impact of etching time and experiment temperature for the second taper. The longer the etching time and the higher the temperature, the larger cone angle of second taper. We also find the distribution of the taper angles, the angles of the second taper is about 60︒±5︒when the etching time is 110min. We also explore the application of optical fiber tip by trapping the yeast and we find the relation between the taper angle and the trapping efficient. Meanwhile, we introduce the tube etching for tip fabrication and we explore the main point of tube etching for smooth tip fabrication which aren’t impacted by the environment. And we finally sum up a reasonable scheme for tip fabrication by tube etching: the dipped optical fiber is 2mm (the part whose coating is stripped don’t contain) while the etching time is 150min.

Key words: Optical fiber tips, static chemical etching, tube etching, optical tweezers

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究的目的和意义 1

1.1.1光纤探针的研究意义 1

1.1.2选题的意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.3制作方法 3

1.4本文工作内容 4

第2章 静态腐蚀法 5

2.1腐蚀原理 5

2.2实验装置 6

2.3探针二次锥角与时间的关系 7

2.4探针二次锥角与温度的关系 9

2.5腐蚀相同时间时探针二次锥角的分布 10

2.6小结 10

第3章 二次锥角的探针在细胞捕获上的应用 11

3.1捕获原理 11

3.2捕获装置 12

3.3捕获实验 12

3.4光纤探针作捕获的优点 14

3.5小结 15

第4章 管腐蚀法 16

4.1腐蚀原理 16

4.2实验装置 17

4.3实验过程及结果分析 17

4.4管腐蚀法的优点 20

4.5小结 21

第5章 总结 22

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

从微米到纳米，纵观现代科技发展研究方向，小型化、微型化已经在不知不觉中成为了研究的趋势。虽然这给人类的生活工作带来了极大的方便，但对相应的操作的要求也变得越来越高。电子显微镜很好的解决了人类眼睛不能分辨分子等微纳米级别的物体的问题，但仍没有很好的办法来操纵它们，而只是能够看到是没有用的，要想能够走的更远，研究的更加深入，便需要想办法制作一种能够操纵微小分子的工具。于是，探针便应运而生了。

1.1研究的目的和意义

1.1.1光纤探针的研究意义

科技的发展带动人类的进步，微观世界也是人类必须探究的领域之一。现在，显微镜已经变得为大众所熟知，甚至一些好一点的小学里的小学生都已经开始学习使用显微镜。但显微镜只是让我们看到了微观世界，对微观世界的改造一直是值得研究的课题。

光纤探针的产生，很好的解决了这一问题。当光纤探针通入一束高度汇聚的光时，便产生了光镊，又被称为单光束梯度力光阱，是基于光的辐射压力来实现对微粒的捕获和操纵的^[1]。光压概念最早是由德国科学家开普勒提出来的，他通过观察彗星，提出彗星的尾巴背向太阳是由于太阳辐射产生的光压造成的。之后麦克斯韦从经典理论上进行分析，用光的电磁波理论证明了光压的存在。

1960年，西奥多·梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，这对光镊技术的发展起到了极大的推动作用。相比较于普通光源，激光具有更强的方向性、单色性和亮度，能在光与介质相互作用时表现出较强的光压。激光的这些属性仿佛是为光镊技术量身打造的一般，这也使得激光在光镊技术中拥有了不可或缺的地位。1970年，Ashkin最先报道了水中乳胶微球在高斯激光束中沿水平方向运动的观察结果^[2]。1971年，Ashkin利用了相对照射的高汇聚激光光束实现了对粒子的光挟持^[3]。1986年，Ashkin等人利用单束强汇聚激光形成的梯度力光阱在水溶液中成功地完成了对介质微粒的稳定捕获^[4]，而且证明了这种光阱可以实现无损伤地操纵活体物质，这种光阱就是光镊。