基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵

姜春雷; 水华胜; 陈朋; 方硕; 王弢

doi:10.37188/OPE.20223013.1555

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基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵

现代应用光学 | 更新时间：2022-08-07

- 基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵
- Controllable manipulation of long-distance microparticles based on fiber optic tweezers
- 光学精密工程 2022年30卷第13期页码：1555-1563
- 作者机构：
  
  东北石油大学电气信息工程学学院，黑龙江大庆 163318
- 作者简介：
  
  [ "姜春雷（1977-），男，黑龙江青冈人，教授，博士生导师，2006年于大庆石油学院获得硕士学位，2017年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事微纳光纤传感器、激光超精密测量与超显微成像等方面的理论及应用研究。 E-mail： jiangchunlei_nepu@163.com" ]
  [ "陈　朋（1981-），男，安徽临泉人，博士，讲师，2010年，2015于哈尔滨工业大学分别获得硕士和博士学位，主要从事精密测量、外差激光干涉测量方面的理论及应用研究。E-mail：eq0687@126.com" ]
- 基金信息：
  
  黑龙江省自然科学基金资助项目(LH2021F008)
- DOI：10.37188/OPE.20223013.1555
  中图分类号： Q631
- 收稿日期：2022-03-15，
  
  修回日期：2022-04-12，
  
  纸质出版日期：2022-07-10
- 稿件说明：
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姜春雷,水华胜,陈朋等.基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵[J].光学精密工程,2022,30(13):1555-1563.

JIANG Chunlei,SHUI Huasheng,CHEN Peng,et al.Controllable manipulation of long-distance microparticles based on fiber optic tweezers[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(13):1555-1563.
姜春雷,水华胜,陈朋等.基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵[J].光学精密工程,2022,30(13):1555-1563. DOI： 10.37188/OPE.20223013.1555.

JIANG Chunlei,SHUI Huasheng,CHEN Peng,et al.Controllable manipulation of long-distance microparticles based on fiber optic tweezers[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(13):1555-1563. DOI： 10.37188/OPE.20223013.1555.

摘要

在液体中灵活操纵微粒或细胞，特别是将细胞或微粒运输到指定位置，已经被证明在细胞分析、疾病诊断、药物递送等方面有着至关重要的作用。针对细胞或微粒非接触光学捕获的灵活性受限于光纤光镊操纵距离短的问题，提出了一种结构简单且具有长距离非接触可控操纵微粒的新型光纤光镊。利用加热和拉伸技术制作了类锥形平口光纤探针，980 nm的激光经过光纤探针后会对微粒产生大的散射力，将微粒逐渐推离光纤端口，同时借助反向流体阻力，在不移动光纤探针的情况下通过调节激光器光源的输出功率，对轴向位置上直径为6 µm的聚苯乙烯微粒可以进行长达102.2 µm的可控往返操纵，应用有限元法仿真了光镊的光场强度分布，并采用麦克斯韦应力张量法分析了光镊对微粒的作用力。实验和仿真结果表明，所提出的类锥形平口光镊是可行的。

Abstract

The flexible manipulation of particles or cells in fluids， particularly the transport of cells or particles to a specified location， has proven to be of vital importance in cell analysis， disease diagnosis， drug delivery， etc. However， the flexibility of contact-free optical capture of cells or particles is clearly insufficient owing to the short operating distance of optical fiber tweezers. Therefore， a novel optical fiber tweezer with a simple structure and controllable long-distance contact-free control of particles is proposed. In this study， a special cone-like flat port fiber probe is fabricated via heating and stretching techniques. A 980 nm laser passing through the fiber probe exerts a large scattering force on the particles， which gradually pushes the particles away from the fiber port. Simultaneously， with the aid of reverse fluid resistance， the output power of the laser light source is adjusted without moving the fiber probe. A polystyrene particle with a diameter of 6 µm in an axial position can be controlled round-trip with a distance of 102.2 µm. The intensity distribution of the optical tweezers is simulated using the finite element method， and the force exerted by the optical tweezers on the particles is analyzed using the Maxwell stress tensor method. The feasibility of the proposed cone-like flat port optical tweezers is verified via both experiments and simulations.

关键词

Keywords

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