基于多芯光纤的光镊技术及其微操纵系统研究

光镊是一种利用三维梯度光场的辐射光压来俘获微小粒子的技术。在生命科学的研究中，几乎所有的单细胞操作中都可以用光镊替代传统的实验技术。本项目拟通过特殊的多芯光纤的设计，获得多光束组合而成的三维梯度力阱，从而达到采用单根光纤中的多纤芯组合输出的交叉光束来俘获微小粒子并实现三维操纵的目的。鉴于这种方法所实现的微小粒子俘获是由于多光束交叉组合形成的光束而实现的，我们形象的称其为"微光手"。同时，拟通过对多光束中每个光束的光功率进行调整和控制，如同调整手抓物体时的每个手指的指力一样，达到对单光纤所俘获的粒子在实现三维操纵的同时，还可以完成姿态调整与控制的目的。.光镊的发明带来了生物个体微处理操作的革命性进步，而更加灵巧精巧的多芯光纤微光手必将发挥其先进的优势。通过本项目的深入研究，解决光纤光镊技术的仪器化的关键技术，推进微操纵系统的仪器化进程，对于促进我国在活体细胞的研究具有十分重要的意义。

本项目进展顺利，按照任务书中规定的内容开展相关研究，项目的研究要点包括：（1）设计并研制了多种新型微结构特种光纤：新型微结构光纤是突破光纤光镊技术的关键和重要部件，只有设计并研制出新型微结构功能光纤，才能实现用单根光纤中的多个纤芯组合输出交叉光场以实现微小粒子的三维俘获。（2）提出了单芯光纤与多芯光纤功率耦合连接新方法：提出了多芯光纤与普通光纤光源实现高效、功率可控分布耦合连接的新颖、简单易行方法。多芯光纤得以在光镊技术中应用的前提是我们能够把光源光功率按照我们需要的比例分别注入到各个纤芯中，为此我们利用光纤纤芯对准焊接和热熔融拉锥技术实现多芯光纤光源的注入，实现了多芯光纤与激光光源的连接，并进一步深化研究有关耦合条件与模式转化和匹配问题。（3）提出了“微光手”的概念，掌握了多芯光纤“微光手”多个光学俘获力的控制方法，实现多芯光纤光镊多个光阱力的独立控制。多芯光纤光镊或微光手的俘获力是通过具有多芯结构的单根光纤所输出的多光束交叉组合光场梯度力阱而形成的，俘获动力控制问题主要涉及两个方面：一是总的俘获力大小的控制问题，这可以通过控制总的输入光功率强度来实现；二是俘获合力的每个分量对俘获粒子姿态的影响与作用的问题，可以通过调节每个纤芯的输出光功率来实现其控制。该问题的解决，不仅解决了单光纤粒子俘获的问题，而且可以进一步实现对单光纤所俘获粒子的姿态进行调整与控制。（4）首次提出了一种基于同轴双波导光纤的“光动力粒子定向发射器”的新型“微光手”，进一步扩展了光纤光镊的功能，不仅能实现各种尺度粒子的俘获，而且能将粒子定向发射。（5）实现了基于多芯光纤的光镊微操纵系统的仪器化集成：在解决了上述关键性理论与技术问题后，将多芯光纤光镊实验系统进一步集成，加工制备两台套具有多项功能的微操纵系统，完成了系统的仪器化。为此解决了光源加载、多芯光纤的封装和连接、单微光手与双微光手的三维微操纵、控制与驱动等系统仪器化过程中的系列问题。. 项目期间，共发表学术研究论文54篇，其中23篇被SCI收录；31篇被EI收录；国际大会邀请报告3篇；申报发明技术专利36项，27项已授权，其中一项入选首届“百件优秀中国专利”；超额完成任务书中所规定的成果指标。