采用超連續(xù)譜激光的雙光束光纖光阱實驗

胡孔云，肖光宗*，張 瑩，陳鑫麟，謝元平

(1.國防科學技術(shù)大學 光電科學與工程學院，湖南 長沙 410073；2.中國科學院 西安光學精密機械研究所 瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710119)

采用超連續(xù)譜激光的雙光束光纖光阱實驗

胡孔云1,2，肖光宗1,2*，張 瑩1，陳鑫麟1，謝元平1

(1.國防科學技術(shù)大學 光電科學與工程學院，湖南 長沙 410073；2.中國科學院 西安光學精密機械研究所 瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710119)

以超連續(xù)譜激光器作為捕獲光源，首次提出并搭建了超連續(xù)譜雙光束光纖光阱實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了聚苯乙烯微球的捕獲和操控。通過改變光纖端面間隔和調(diào)整捕獲光功率的方式精確控制微球的位置，采用CCD圖像分析方法實現(xiàn)了微球位置的精確測量。對微球受限布朗運動下的位置變化進行傅里葉變換，計算得到功率譜，與理論功率譜函數(shù)擬合后求出了其光阱剛度。結(jié)果表明，捕獲光束的功率為28 mW時，光阱剛度達到1.3×10-6N/m，高于相同實驗條件下單波長光纖光阱的剛度。與傳統(tǒng)采用單色光作為捕獲光源的光鑷系統(tǒng)不同，超連續(xù)譜雙光束光阱系統(tǒng)利用其寬譜優(yōu)勢，通過研究被捕獲微粒的散射光譜信息可獲取其尺寸、折射率等物理特征參數(shù)。

超連續(xù)譜；光纖光阱；光阱剛度；操控

1 引 言

光鑷是根據(jù)光的力學效應(yīng)設(shè)計出的一種無接觸無損傷的操控微粒和活性細胞的技術(shù)，又被稱為光阱。由于其具有捕獲和處理非接觸微觀對象的獨特能力，在過去的二十多年里，它在生物科學、材料科學等領(lǐng)域的有著眾多應(yīng)用[1]。

早期光鑷系統(tǒng)采用單波長激光器作為捕獲光源。單波長激光器具有良好的空間相干性和時間相干性，空間相干性保證捕獲光束的能量聚焦，實現(xiàn)光阱大梯度力，但捕獲光源類型單一。隨著近幾年非線性光學飛速發(fā)展，尤其是超連續(xù)譜光源的成功研制[2]，使得超連續(xù)譜激光具有高的空間相干性同時還兼有很寬的光譜范圍(低時間相干性)。超連續(xù)譜激光器的產(chǎn)生對光鑷發(fā)展有重大意義，一方面超連續(xù)譜激光良好的空間相干性可以實現(xiàn)光阱大梯度力用以粒子的捕獲；另一方面可直接測量被捕獲粒子的彈性散射光譜，結(jié)合光的力學效應(yīng)與光譜學分析可以有助于實現(xiàn)測量微小粒子信息[3-5]。2005年，賓夕法尼亞州立大學的Peng Li等人首次利用超連續(xù)譜激光搭建了單光束超連續(xù)譜光鑷系統(tǒng)，并基于粒子在光阱中的散射譜得出粒子的折射率和尺寸信息[6]。隨后，其他研究者依據(jù)捕獲粒子散射成功分析了空氣中氣溶膠粒子的特性[7-9]，顯示超連續(xù)譜光鑷對獲取粒子的物理特性越來越重要。目前超連續(xù)譜光鑷一般是由一個倒置的顯微鏡改裝而成，激光束經(jīng)擴束器進入倒置生物顯微鏡系統(tǒng)，被高NA值的顯微物鏡會聚后得到滿足三維捕獲要求的強會聚高斯光束，從而在焦點附近實現(xiàn)對微粒的穩(wěn)定捕獲。但是單光束光鑷系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對被捕獲粒子的微操控不夠靈敏等一些問題。現(xiàn)有的單波長光纖光阱采用光纖代替物鏡聚焦光束[10-12]，采用光纖結(jié)構(gòu)的光阱結(jié)構(gòu)簡單，操作靈敏。1993年，Kim等人嘗試將纖組裝在一個微型芯片上，實現(xiàn)光阱的微型化[13]。

本文結(jié)合單光束超連續(xù)譜光鑷和光纖光鑷各自的優(yōu)勢將光纖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超連續(xù)譜光阱中，以超連續(xù)譜激光器作為捕獲光源，提出并搭建了超連續(xù)譜雙光束光纖光阱新結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)。既可以利用捕獲光的寬光譜優(yōu)勢對粒子特征進行分析實現(xiàn)粒子的物理屬性的測量；也有利于粒子的精確微操控；光纖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活，符合寬譜光阱的小型化與集成化發(fā)展趨勢。

2 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 實驗裝置示意圖 Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

搭建超連續(xù)譜雙光束光纖光阱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)分為捕獲和成像兩個部分，捕獲部分由超連續(xù)譜激光器、50/50耦合器、光纖衰減器、位移臺、等構(gòu)成，捕獲室裝有聚丙乙烯球的溶液。激光器發(fā)出激光通過光纖進入50/50耦合器分成所需的兩束捕獲光束，捕獲光束分別經(jīng)過一個衰減器到達捕獲室，傳輸光纖分別固定在三維位移臺上。衰減器控制捕獲光束的功率，微球在捕獲室內(nèi)被捕獲。成像部分由LED、 物鏡、CCD和計算機組成，LED發(fā)出均勻的光照在捕獲室內(nèi)部，通過10倍物鏡將捕獲室內(nèi)的光阱中心成像在與計算機連接的CCD上。50/50耦合器的另一輸入端的端口C可以接入功率計或者光譜儀來測量捕獲微球時反射光功率和反射光譜。

圖2是捕獲光束光功率為28 mW時兩束捕獲光束的功率譜。如圖所示，捕獲光束的波長從700 nm到1 400 nm，且在帶寬范圍內(nèi)光功率譜比較平穩(wěn)，有利于探究影響被捕獲粒子散射特性的因子。

圖2 光纖輸出端捕獲光束光譜圖 Fig.2 Spectrogram of the captured beam from the output end of the optical fiber

3 超連續(xù)譜雙光束光纖光阱捕獲實驗

3.1 微球的捕獲與操縱

超連續(xù)譜雙光束光纖光阱系統(tǒng)成功實現(xiàn)了微米級粒子的捕獲。圖3所示是光阱系統(tǒng)捕獲直徑為10 μm的微球。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，捕獲室內(nèi)被捕獲微球的散射現(xiàn)象很明顯, 當捕獲光束功率為9 mW時，視野中清晰呈現(xiàn)粒子的大小，隨著捕獲光束功率越大，散射越強烈。

圖3 直徑為10 μm小球被光阱捕獲 Fig.3 A 10-μm polymer microsphere is trapped by the optical tweezer

微球在捕獲室內(nèi)被光阱穩(wěn)定捕獲時，圖1中的光阱系統(tǒng)可以通過兩種方式對微球的位置進行微操控。

圖4 移動光纖改變光阱中心微球所處位置 Fig.4 A position change of microspheres in the optical trap center by moving optical fiber

第一種方式是調(diào)節(jié)位于捕獲室兩端的三維位移臺改變傳輸光纖的相對位置，實現(xiàn)對微球的微操控。實驗結(jié)果表明，同時移動捕獲室兩端的捕獲光束，改變光阱中心位置，光阱中心的微球也隨著移動。如圖4所示，圖4(a)中微球在O1點被捕獲。圖4(b)是沿XY正方向移動光纖，微球移動到O2點，并且相對光纖位置保持不變；圖4(c)沿XY負方向移動光纖，微球隨光纖移動到O3點。光阱中捕獲的粒子位置通過光纖可以實現(xiàn)簡單、精確操控。

第二種方式是利用光阱系統(tǒng)中光纖衰減器控制捕獲光束的光功率來實現(xiàn)微球位置移動。當其中一束捕獲光束光功率改變時，光阱中心則偏向功率弱的捕獲光束一端。如圖 5(a)所示,當捕獲光束功率相等時，微球被穩(wěn)定地捕獲在兩根光纖中間O1點位置。圖5(b)中，減小A輸入端捕獲光束功率，則微球沿光纖軸線方向移動，功率停止減弱，則小球靜止在O2點。到達M點后，慢慢增大A端捕獲光束功率，則小球沿軸線方向往B端移動，圖5(c)是停止增大A段功率則小球停在O3點。實際應(yīng)用中，若捕獲室兩端的光纖被固定，則可通過調(diào)節(jié)捕獲光束功率差實現(xiàn)微球位置的微操縱。

圖5 調(diào)整光束光功率改變光阱中心微球位置 Fig.5 A position change of microspheres in the optical trap center by adjusting the power of the light beam

3.2 光阱剛度標定

光鑷系統(tǒng)不僅是操縱微粒定位的工具，其另一個重要功能是進行微小力測量。理論和實驗表明光阱可以近似看成簡諧勢阱，粒子在光阱內(nèi)偏移阱中心的位移x與粒子受到的光阱力成正比。即：

(1)

比例系數(shù)kx為光阱剛度。因此光阱剛度的標定是衡量光阱性能的重要指標。光阱剛度的標定方法很多種，文章中用功率譜法進行超連續(xù)譜雙光束光纖光鑷系統(tǒng)的光阱剛度標定[14-15]。

功率譜法是基于粒子的熱運動分析。被光阱捕獲粒子作受到簡諧勢場限制的熱運動，粒子的熱運動方程為：

(2)

式中，γ=6πηa，在低Reynolds數(shù)下，微米級大小粒子類似于過阻尼振子[16]，慣性力相對于粘滯阻力可以忽略不計。對式(2)做傅里葉變換得到：

(3)

則雙向功率譜為：

(4)

式中，fc=kx/2πγ，且〈Frandom(t)x〉=0。Frandom(t)自相關(guān)函數(shù)為：

(5)

因為隨機力對微米小球的作用是瞬時和完全獨立。功率譜函數(shù)可以簡化為：

(6)

因此實驗測量時，利用CCD對捕獲粒子的圖像進行采集，CCD圖像采集速率為15 frame/s。利用灰度特性對被光阱捕獲的微粒的位置迸行大量的測量[17]，得到微粒位置隨時間變化的關(guān)系，并對結(jié)果進行傅里葉變換計算功率譜，然后與理論的功率譜函數(shù)進行擬合，就可以得到fc，并進而得到光阱剛度kx。在一定范圍內(nèi)，光阱剛度值隨著功率成線性關(guān)系。實驗結(jié)果表明，捕獲光束的光功率為28 mW時，利用MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)得出功率譜如圖6所示。測得此時的光阱剛度為1.3×10-6N/m，誤差在±0.15×10-6N/m以內(nèi)。文獻[17-19]中提到的單波長光纖光阱剛度只達到10-7N/m量級，而超連續(xù)雙光束光纖光阱的剛度高于相同實驗條件下單波長光纖光阱的剛度[18-20]。

圖6 功率譜及其擬合曲線 Fig.6 Theoretical power spectrum and fitting curve of experimental power spectrum

4 結(jié) 論

搭建了基于超連續(xù)譜光源的雙光束光纖光阱系統(tǒng)，實現(xiàn)了寬光譜光源對于微米級粒子的捕獲，通過利用三維位移臺移動光纖和改變捕獲光束的光功率兩種方式對被捕獲粒子進行了精確操控。根據(jù)微球在布朗運動下的位置變化進行傅里葉變換得到功率譜，對功率譜進行擬合后求出了其光阱剛度，達到10-6N/m量級，高于同實驗條件下單波長光纖光阱的光阱剛度。

與傳統(tǒng)的超連續(xù)譜光鑷相比，雙光束光纖結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜光阱采用光纖結(jié)構(gòu)，不再需要高倍物鏡進行光場聚焦來產(chǎn)生捕獲粒子所需的梯度力，可以使得整個系統(tǒng)簡單化，小型化。超連續(xù)譜光源具有獨特的譜寬優(yōu)勢，利用小球在光阱中散射譜，我們可以探究微球的本身的粒子信息。超連續(xù)譜光阱系統(tǒng)在生物學和分散體系等領(lǐng)域的研究中將會發(fā)揮越來越重要的作用。

[1] KEIR C N,BLOCK S M. Optical trapping[J].ReviewofScientificInstruments,2004,75(9):2787-2809.

[2] ALFANO R. The supercontinuum laser source[D]. New York:Sec. Edition,Springer,2006.

[3] GUILLON M. Field enhancement in a chain of optically bound dipoles[J].Opt.Express,2006,14:3045-3055.

[4] FISCHER P,CARRUTHERS A E,WREGHT E M,etal.. Enhanced optical guiding of colloidal particles using a supercontinuum light source[J].Opt.Express,2006:145792-5802 .

[5] 方暉，楊愛萍.用于微米球形顆粒超分辨尺度測量的背向彈性散射光譜的獲取[J].光學 精密工程,2014,22(3):547-554. FANG H，YANG A P. Acquisition of elastic backscattering spectra for microsphere sizing beyond diffraction limit[J].Opt.PrecisionEng.,2014,22(3):547-554.(in Chinese)

[6] LI P,SHI K,LIU Z. Manipulation and spectroscopy of a single particle by use of white-light optical tweezers[J].Opt.Lett.,2005,30(2):156-158.

[7] NITKOWSKI A G,MICHAL L. On-chip supercontinuum optical trapping and resonance excitation of microspheres[J].OpticsLetters,2010,35:1626-1628.

[8] JONES S H,KING M D,WARD A D. Determining the unique refractive index properties of solid polystyrene aerosol using broadband Mie scattering from optically trapped beads[J].PhysicalChemistryChemicalPhysicsPccp,2013,15(47):20735-20741.

[9] GUILLON M,DHOLAKIA K,MCGLOIN D. Optical trapping and spectral analysis of aerosols with a supercontiuum laser source[J].OpticsExpress,2008,16(11):7655-64.

[10] XIAO G,YANG K,LUO H,etal.. Orbital rotation of trapped particle in a transversely misaligned dual-fiber optical trap[J].IEEEPhotonicsJournal,2016,8(1):1-1.

[11] CHEN X L，XIAO G Z，LUO H,etal.. Dynamics analysis of microsphere in a dualbeam fiber-optic trap with transverse offset[J].OpticsExpress,2016,24(7).

[12] PINON T M. Fiber-based dual-beam optical trapping platform for stretching lipid vesicles[J].ProQuestDissertations&ThesesGlobal,2013.

[13] CONSTABLE A,KIM J,MERVIS J,etal.. Demonstration of a fiber-optical light-force trap[J].Opt.Lett.,1993,18(21):1867-1869.

[14] 龔鏨.納米光鑷系統(tǒng)的研制及微小力學量的測量[D].合肥：中國科學技術(shù)大學，2007. GONG Z. Development of nano optical Tweezers system and measurement of small mechanical quantities[D]. Hefei:University of Science and Technology of China,2005.(in Chinese)

[15] 周金華.光鑷的理論模型及納米顆粒的操縱[D].合肥:中國科學技術(shù)大學，2010. ZHOU J H. Theoretical model of optical tweezers and manipulation of nanoparticles[D]. Hefei:University of Science and Technology of China,2010.(in Chinese)

[16] BECHHOEFER J,WILSON S. Faster,cheaper, safer optical tweezers for the undergraduate laboratory[J].AmericanJ.Physics,2002,70(4):393-400.

[17] 董宇星，劉偉寧.基于灰度特性的海天背景小目標檢測[J].中國光學,2010,3(3):252-256. DONG Y X，LIU W N. Detection of sea-sky line in complicated background based on grey characteristics[J].ChineseOptics,2010,3(3):252-256.(in Chinese)

[18] PINON T M. Fiber-based dual-beam optical trapping platform for stretching lipid vesicles[D]. California:University of California,Merced,2013.

[19] LI Z G,S Y,H H Z,etal.. Simulation and measurement of stiffness for dual beam laser trap using residual gravity method[J].InternationalJ.Nanotechnology,2015,12:849-859.

[20] DECOMBE J B,HUANT S,FICK J. Single and dual fiber nano-tip optical tweezers:trapping and analysis[J].OpticsExpress,2013,21(25):30521-30531 .

Double-beam fiber optical trap experiments based on supercontinuum laser

HU Kong-yun1,2, XIAO Guang-zong1,2*, ZHANG Ying1, CHEN Xin-lin1, XIE Yuan-ping1

(1.CollegeofOptoelectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073,China；2.StateKeyLaboratoryofTransientOpticsandPhotonics,X′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences，Xi′an710119,China)

The experimental system of dual-beam fiber optical trap is proposed and built for the first time which can realize the trapping and manipulation of polystyrene microspheres by taking the supercontinuum laser as the trapping light source. The position of the microsphere is manipulated by changing the relative position of the two optical fiber end faces and output power of the fibers. The CCD image analysis method is used to measure the position of the microsphere. The power spectrum is calculated by Fourier transform of the position variation of the confined Brown motion. After fitting the theoretical power spectrum function, the optical trap stiffness is obtained. The results show that when the power of the captured beam is 28 mW, the optical trap stiffness can reach 1.3×10-6N/m, which is higher than that of the single wavelength optical trap under the same experimental conditions. By taking advantage of the wide spectrum of the dual-beam optical trap system, the physical parameters such as the size and refractive index can be obtained by studying the scattering spectrum information of the captured particles which is different from the traditional use of monochromatic light as the captured light of the optical tweezers.

supercontinuum;fiber optical trap;stiffness of optical trap;manipulation

2017-01-13；

2017-03-16

瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室開放基金資助項目(No.SKLST201507) Supported by Open Research Fund of State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics(No.SKLST201507)

2095-1531(2017)03-0370-06

TP394.1； TH691.9

A

10.3788/CO.20171003.0370

胡孔云(1991—)，男，安徽池州人，碩士研究生，2014年于安徽工業(yè)大學獲得學士學位，主要從事光電檢測技術(shù)方面的研究。E-mail:hukongyun1@sina.com

肖光宗(1983—)，男，湖北襄陽人，博士，講師，2005年于武漢大學獲得學士學位，2007年、2011年于國防科技大學分別獲得碩士、博士學位，主要從事光電慣性技術(shù)方面的研究。E-mail:xiaoguangzong@nudt.edu.cn

*Correspondingauthor,E-mail:xiaoguangzong@nudt.edu.cn