摘 要

光镊，又被称为单光束梯度力光阱，是一种基于激光的辐射压力来捕获与操纵单个或者多个微小粒子及细胞的技术。其大致原理是用激光形成三维的梯度力势阱，将作用范围内的微小粒子束缚在光场中，此时移动光束就能使微小粒子随之移动。在这篇论文中主要介绍的内容有光镊的基本原理和发展历史、光纤光镊的特点及光纤探针的制备方法以及静态腐蚀法制备光纤探针的速率和影响锥角大小的因素。本设计通过实验测量了静态腐蚀法制备光纤探针的腐蚀速率，得到了不同温度的腐蚀速率，还设计了控制变量的对比实验探究了静态腐蚀法制备光纤探针的锥角大小的影响因素，总结了需要排除的无关变量。最后通过捕获实验对制备的探针进行检测，对不同参数下制备的探针的性能进行比较，得到了制备探针性能最好的一组参数。

关键词：细胞；光梯度力；光纤光镊；静态腐蚀法

Abstract

Optical tweezers, also known as the single beam gradient force optical trap, are a technique to capture and manipulate single or multiple tiny particles and cells based on the radiation pressure of the laser. The general principle is to use a laser to form a three-dimensional gradient force potential trap, which bound the tiny particles in the scope of action to the field of light, when the moving beam can move the tiny particles. The main contents of this paper are the basic principle and development history of optical tweezers, the characteristics of optical tweezers and the preparation methods of optical fiber probes, the rate of optical fiber probe prepared by static corrosion method and the factors affecting the size of cone angle. The corrosion rate of the optical fiber probe prepared by static corrosion method was measured by the experiment. The corrosion rate of different temperature was obtained. The contrast experiment of control variables was designed to investigate the influence factors of the cone angle size of the optical fiber probe prepared by the static corrosion method, and the independent variables needed to be excluded were summarized. Finally, the probe was detected by the capture experiment, and the performance of the probe prepared under different parameters was compared, and a group of parameters of the best performance of the preparation of the probe was obtained.

Key words: cell; optical gradient force; optical fiber tweezers; static etching method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 光镊的发展历史 1

1.2 光镊的工作原理 3

1.3 研究的目的和意义 5

1.4 论文的主要内容 5

第2章 光纤探针的制备原理 7

2.1 光纤探针的几种制备方法 7

2.2 静态腐蚀法原理 8

2.3 可能的影响因素 9

2.4 拟采用的技术方案及措施 9

第3章 静态腐蚀法制备光纤探针实验 11

3.1 实验的准备工作 11

3.2 光纤探针的腐蚀速率 11

3.3光纤探针锥角大小的影响因素 15

3.3.1 温度对锥角大小影响 15

3.3.2 腐蚀时间对二次锥角大小影响 17

3.3.3 封闭液种类对锥角大小影响 18

第4章 捕获实验 21

第5章 结论与感想 23

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 光镊的发展历史

早在20世纪70年代，就有科学家发现激光能使微粒发生位移，通过理论计算后得到了激光的作用力能推动直径几微米左右的粒子的结论。后来，利用单光束捕获粒子的理论假设被提出，其思路为利用轴向散射力来平衡粒子所受的重力，达到使目标微粒悬浮的目的。真正意义上的传统光镊首次出现在1986年。美国科学家阿希金经过数年的理论研究后，终于利用大数值孔径显微镜形成了高度会聚的单光束梯度力光阱，也就是所说的光镊^[1]。该光镊可以捕获直径从10μm到25nm的微小颗粒，且不同于之前的悬浮光阱的是其光场梯度力足够大，不仅能在横向的水平面上将粒子束缚在光轴中心，还能在轴向上控制粒子的高度，最终将粒子限制在光场中坐标固定的一点，就像用镊子牢牢地夹住了粒子一样，这也是后来科学家们形象地将其命名为光镊的原因。

传统的光镊系统使用扩束器和光强调节器对激光进行调节，调节后的激光直接进入光路，在大数值孔径的高倍显微镜的作用下会聚在很小的一点，构成能捕获微小粒子的单光束梯度力光阱。利用显微镜的目镜，可以直接观察光阱内被捕获的粒子，后来加入了CCD照相系统，可以一边移动光镊一边对现象进行观测。最开始的光镊系统受限于显微镜，体积较大，而且搭建的成本高昂，并不适合大规模使用。

在光镊技术诞生初期，也就是20世纪90年代，科学家们并没有认识到这项新兴技术的重要性。当时不仅在国内，整个国际上的知名实验室都只有寥寥几个在进行相关课题的研究。30年来，由于光镊技术在纳米级操控的优秀表现以及与其他光学技术良好的兼容性，渐渐地引起了人们的重视。在后续的技术开发中，不仅搭载了成像系统，还在光源上进行了改良，使光镊系统满足了更多的研究需要。

如今光镊技术从最初的简单的单光镊发展出了许多不同种类，有全息光镊、分时扫描光镊、特殊光束光镊、光致旋转、光致粒子分选等^[2]。

全息光镊能利用光学衍射元件调制高斯光束波前，产生特定的三维光强分布，最终实现自由的操纵控制多个微粒^[3]。数字全息光镊技术运用了计算机、调制器等设备对光场进行调制，将全息技术和光镊技术巧妙地结合了起来，提升了光镊捕获多粒子的能力。随着全息技术的不断成熟，现在能很容易地调制出需要的光束，这进一步地推动了全息光镊的应用进程。

分时扫描光镊利用光束偏转器来控制单光束在焦平面上快速地来回扫描，产生多个光阱，这样就可以同时捕获多粒子^[4]。由于分时扫描光镊对光源采用了分时复用，可以降低对激光器的光功率要求，从而降低光镊系统的成本。但是这种方法一次可捕获的粒子数目相对较少，而且产生的光阱都分布在焦平面上，不能形成三维的排列。

光纤光镊是光镊的一种。光纤光镊利用单模光纤出射的激光束来实现对生物粒子的微操纵，使光镊系统和光学显微镜分离开来，只需要在观测时单独使用显微镜^[5]。这是因为光纤光镊采用光纤探针代替了高数值孔径的光学显微镜，不仅可以对激光起会聚作用，还能对模式进行筛选，这就将很大一部分前置光路从光镊系统中脱离出去，极大地减少了仪器数量。光纤光镊不仅操作灵活、成本低，还能根据不同场合的不同需求来设计不同的光镊系统，在光路构建、仪器尺寸选择上具有相当大的优势。

特殊光束光镊是使用非高斯光束作为光源的光镊。最初科学家们发现光镊的光源不仅可以使用常见的高斯光束，还可以使用贝塞尔光束，这样的光镊轴向捕获力更大，捕获现象更加稳定。后来又有许多特殊光束被应用在光镊中，例如使用光学漩涡为光源可以将角动量传递给粒子，使粒子做圆周运动；使用飞秒激光脉冲序列作为光源，可以研究过程较快的生物细胞反应。

利用近场探针或全内反射形成的隐失场来操纵粒子的扫描近场光镊^[6]不仅可以操控纳米级尺寸的微粒，还能与近场拉曼光谱技术结合产生新的应用。在扫描近场光镊技术的基础上发展的扫描近场光学显微术使用细小的光纤探针来代替传统的镜头，其分辨率可以超过衍射极限^[7]。

在这个过程中，光镊性能的提升不仅体现在可捕获粒子的直径从微米变成了纳米，还从一次只能捕获一个粒子进步到了一次可捕获多个粒子，能对粒子进行的操控方式也从简单的一维运动变成了复杂的三维和旋转运动。由于近代科学渐渐向微型化发展，研究对象从微米级转向纳米级，对仪器设备精确度和功能的要求越来越高，正是科学研究领域的需求推动了光镊技术的发展。

光镊技术的特点在于可以捕获并操控直径为数十微米到数十纳米的粒子，而且操控方式为非接触性操控，不会对粒子施加很大的压力造成破坏。光镊的捕获力为皮牛顿级，这允许了人们控制粒子克服粘滞阻力以一定速率进行移动，有助于研究粒子的运动规律。正是因为光镊的这些特点使光镊在生物学、医学以及物理学等众多领域得到了广泛的应用。这是因为生物大分子、生物细胞的大小刚好属于光镊的捕获范围，且光镊避免了直接接触，不会对细胞产生机械损伤^[8]。还可以通过选择合适的波长避开细胞对光的吸收波长，将产生的热效应降到最低^[5]，所以说光镊相于对传统的力学仪器来说，具有对细胞损伤小、操作精准的优点。由于光镊不仅可以操控粒子进行运动，还能调整光功率来改变捕获力的大小，所以科学家们可以使用光镊技术观察微观下细胞的运动规律以及研究应力对细胞的影响。

目前科学家们利用光镊技术所取得的成就主要有：证明了布朗运动的能量均分定理和解决了金刚石的氮—空位色心的操控问题^[9]。前者是爱因斯坦在1907年的预言，他认为布朗微粒的能量分布仍然符合均分定理，但是由于粒子的运动速度太快难以捕捉到有效信息。直到光镊的问世解决了粒子速度的测量问题，这个定理才最终得以证明。后者是近年困惑科学家们的一个难题，只有捕获了纳米级的色心微粒才能将具有独特稳定性的金刚石氮—空位色心运用到量子计算机中去，而光镊的出现正好解决了科学家们的燃眉之急。

1.2 光镊的工作原理

光镊中的微粒受到的光阱力是分为散射力和梯度力两种的。散射力是光辐射到物体上时动量的传递造成的力学效应^[10]：当光经过物体发生折射等现象时，会损失一定的动量P，物体则会获得一个与之相反的动量-P，在这个动量的作用下，物体的运动状态会发生改变。梯度力是当粒子位于非均匀分布的光场中时作用在粒子上的力，其大小与光强的梯度成正比，方向指向光场中光强最大的一点。因此在没有外力影响的情况下，粒子会渐渐运动到光强密度最大的那一点，如果粒子受到的梯度力大于散射力，粒子就会被禁锢在光阱内；当粒子受到的梯度力小于散射力时，就会沿着光轴远离光阱。

在最开始的理论研究中，科学家们试图利用散射力来平衡粒子受到的重力，从而使粒子悬浮起来，这样就能在人为的操控下与周围的液体环境脱离，达到捕获的目的。后来阿希金等人巧妙地利用透镜将激光高度会聚起来，将激光器发出的高斯光束汇聚在一点，形成一个三维的梯度力光阱，就能将粒子束缚在焦点附近。

在不同分布的光场中，粒子的受力情况也不同，会导致它们的在光场的作用下做出不同的运动。下面对几种光场中粒子所受的光阱力进行分析：

(1)非均匀分布的平行光

图1.1 非均匀光场的受力分析图

F₁

F₂

1

2

设1和2为两束平行的入射光，它们的光强大小分别为I₁和I₂，物体受到的力分别为F₁和F₂，当两束光光强大小相等时，所受的力F₁和F₂的大小相等，那么物体受到的合力就是一个沿光轴的推力。如果光强I₁大于I₂，F₁也会大于F₂，物体会向左运动；反之，物体会向右运动，这两种情况物体都是往光强大的方向靠近。所以，位于非均匀分布的光场中的粒子总会受到一个向光强最大处运动的力。

(2)聚焦的高斯光束

图1.2 聚焦的高斯光束的受力分析图

F₂

F₁

1

2

通常情况下实验室中的光镊系统所使用的光源是聚焦的高斯光束，图中所示的是光束经过粒子折射后会聚在粒子内部的一种情况，也就是说，所捕获的粒子对培养液的相对折射率必须大于1，如果发生了全反射，粒子只会受到光场的散射力，沿着光传播的方向被推开，渐渐远离光阱。当相对折射率必须大于1的粒子处于光镊的辐射光场中时，由于光强在垂直光轴的平面内呈高斯分布，光轴处的光场强度最高，因此粒子所受的梯度力是指向光轴的，粒子在横向上受到的合力是指向光轴的。在轴向上，光线在焦点处汇聚，焦点处光强密度最大，粒子会在梯度力的作用下向焦点运动，最终被束缚在焦点附近。如果光线聚焦的程度够高，在焦点处的光斑直径与粒子直径相差倍数不大的话，就能精确地操控粒子，使粒子受控做三维移动和旋转运动，这就是光镊的工作原理。

用于科研的光镊系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测传感部分和传统光学显微镜组成^[11]。搭建光镊系统时首先要对激光光源进行调焦、准直等调试，然后根据需要设计和构建扩束滤波光路，使激光的波长、直径和发散角达到要求。光镊的三维移动靠移动控制环节来实现，在构建光路和移动光镊操纵粒子运动时都需要用到。位移检测传感部分可以检测位移大小和对粒子的运动进行观测。使用光学显微镜可以观察粒子的运动状态，以此判断粒子是否被捕获，还可以通过连接相机来测量粒子的形状、大小等信息。

本文研究的光纤光镊使用具有一定锥角的光纤探针来代替传统光镊系统的大数值孔径显微镜，能极大地简化光路，方便操作。研究光纤光镊的好处在于，光纤光镊在实际中应用的方面较广，而且实验装置容易在实验室中搭建。光纤光镊主要利用的是辐射光场的光压作用，其大小与光纤探针的锥角大小直接相关，捕获时使用的探针锥角越大，光镊捕获粒子的能力就越强，所以光纤光镊技术的关键就是光纤探针的制备。事实上，光纤探针的制备方法是研究光纤光镊时的重点目标，要想得到性能更好的光纤探针，就要找到更优良的制备方法。

1.3 研究的目的和意义

静态腐蚀法最早由特纳提出，是化学腐蚀法制备光纤探针最基本的方法^[12]。研究静态腐蚀法制备光纤探针的目的是为制备光学和物理性能更好的光纤探针打下理论基础，为相关方向的研究提供经验。一方面随着光纤探针性能的提高，人们将能够使用光镊捕获更小的微粒，操控的精度也将越来越高，能进行的研究也就更多。另一方面，一项技术的成熟往往会降低成本，这有利于提高光镊技术的普及程度，在生活中得到更多的应用，为人们带来便利。例如，使用光镊研究应力对细胞的影响、使用光镊进行细胞核移植等微观手术、利用光镊制造纳米级材料等等。

本次课题对个人的意义在于，不仅可以接触到光纤方面的研究，还能自己动手实验进行光纤探针的制备，对制备光纤探针的有关方面进行了解。在这个过程中，查阅文献资料可以开阔的课外视野、增长见识；撰写报告可以积累学习工作的经验，有助于培养严谨和认真的态度；进行实验可以锻炼动手能力，还可以知道实验室中的一些操作常识和药品的使用保存方法。

1.4 论文的主要内容

本论文的五个部分主要讲述了光镊的原理、制备光纤探针的方法和影响因素、使用静态化学腐蚀法制备光纤探针和通过捕获实验对光纤探针进行检测。

第一部分主要介绍了光镊的发展历史、工作原理和这项技术的特点。光镊作为新兴技术，很多方面还有待发展：首先，传统光镊虽然满足了捕获粒子尺度上的需求，但它的结构太复杂笨重，需要进行改良；其次，光镊技术能与其他光学技术有机地结合起来，有开发的潜力；最后，光镊技术由于能非接触地捕获纳米级的粒子，在生物医学和微观物理学领域有很好的应用前景。以上几点说明了光镊技术拥有研究和开发的价值，这也正是本次研究的背景和动力所在。

第二部分叙述了常见的一些制备用于光纤光镊的光纤探针的方法，有化学腐蚀法、熔融拉伸法、机械研磨法，还有一些在此基础上改良的动静结合的化学腐蚀法、腐蚀熔拉结合法等，这些方法在技术成本、产品性能上各自有其特点，适合不同的应用场合。

第三部分详细记录了静态腐蚀实验的过程，包括了实验步骤和对现象的讨论。实验是考虑了静态腐蚀法制备光纤探针的影响因素后分别设计的，对腐蚀液成分、腐蚀时间、腐蚀温度等变量都进行了3组以上的实验，探讨了对腐蚀结果有影响的因素和需要注意的无关变量。

第四部分讲述的是通过捕获实验对实验制备得到的光纤探针进行检测。一般来说，光纤探针的锥角越大，锥面越平滑，其捕获粒子的效果越好。所以使用制备得的光纤探针进行捕获实验可以根据捕获的效果来判断其形态好坏，总结出静态腐蚀法制备光纤探针效果最好的一组参数。

最后是对本次设计的总结和感想，对前面的工作进行了一个简单的概括，发表了一些个人感想。

第2章 光纤探针的制备原理

2.1 光纤探针的几种制备方法

光纤探针是光纤光镊系统的关键，光纤探针的锥角大小、锥面平滑度都会影响光场的大小分布，从而影响粒子受到的梯度力。要想构建捕获性能良好的光镊系统，就离不开成熟高效的光纤探针制备技术。目前比较成熟的光纤探针的制备方法有熔融拉锥法、化学腐蚀法、机械研磨法等^[13]，不同的制备方法得到的光纤探针在形态上有明显差别。

熔拉法是用CO₂激光器对仪器上固定好的光纤进行加热， 然后先控制电机的电压用较小的力形成锥面，然后加大电压使光纤快速断开并形成均匀光滑的锥面的方法。熔拉法制备光纤探针的过程易控制，制得的探针表面光滑，锥角较大，是实际中应用比较广泛的一种方法。