激光光刀光镊耦合微束系统的设计及相关器件的研制

摘要

激光微束技术是一种新型的光学生物显微操控技术，它包括激光光镊和激光光刀两种性质不同的生物微操控手段。光镊技术是利用光子的动量传递所产生的梯度力捕捉细胞、病毒、生物大分子等。而光刀技术利用的是紫外高强度的短脉冲激光束的光蚀除作用，可以对细胞壁、染色体等生物组织进行精确的激光微手术。光镊与光刀二者组合形成的激光微束技术功能更加丰富，是生命科学研究中不可或缺的研究手段。 本论文围绕激光光镊与光刀的基本功能要求，结合本实验室LOTII型光镊仪器和近场光学的研究方向，对激光微束系统作了相关理论设计和实验研究。本论文包括两方面主要内容：其一是激光微束系统的设计及实验，包括与光镊捕获相关的实验内容、激光光刀耦合光路的设计和实验等。其二是微纳米光纤器件的研制加工，包括近场光学纳米光纤探针的研制和微米尺度透镜光纤的加工。微纳米光纤器件的研制是为近场光镊光刀技术、光纤光镊光刀技术、激光光源与光纤的高效耦合提供器材上的支持，外形和尺寸合适的光纤器件是上述研究所必备的。 本文前两章概述了激光光镊技术的发展历史，理论方法及最新研究进展，介绍了紫外激光光刀的作用原理、特点，追述和展望了激光微束技术历史和前景。分析了近场光镊技术的优势以及目前的研究现状和存在的主要问题。对化学腐蚀加工近场光纤探针的方法作了详尽的推导、介绍和分析，为后文的展开作了理论铺垫。 基于LOTII型光镊系统，使用40×和100×显微物镜进行捕获酵母菌的实验，对实验结果进行了对比。分析了聚焦物镜数值孔径(NA)的大小对光镊捕获精度、操作稳定性和捕获功率的影响。对大尺寸的乳腺癌细胞和不规则形状的大鼠海马神经元细胞进行的光学捕获，对结果进行了分析。提出了光镊与膜片钳组合研究悬浮细胞电生理特征的设计方案，对该方案的可操作性做了实验验证。 在光镊仪器的基础上设计了光刀耦合光路，分析和计算了插入分色镜转镜对光镊光路的影响、转镜对光刀焦点的位移控制，不同波长经物镜聚焦后产生的位置色差，计算了FTSS 355-50型紫外脉冲激光器的光束参数乘积，计算和设计了满足实验要求的耦合透镜的参数。使用紫外激光光刀对洋葱表皮细胞进行了初步穿孔实验。 采用电弧热熔微拉伸与静态腐蚀相结合的方法研制出大锥角近场纳米光纤探针尖。采用管腐蚀法研制了纯石英纤芯紫外多模微米尺度光纤探针。使用化学腐蚀与电弧热熔结合的方法制作了具有微米量级曲率半径的紫外光纤微透镜，微米尺度紫外光纤器件的研制可以为光纤光刀的研究提供器件支持。 对腐蚀热熔法制作球锥形光纤微透镜进行了研究，提出热融光纤锥平端面成半球端面的几何计算模型，已知光纤锥的锥顶尺寸和锥角，可以计算出热融加工后的球透镜曲率半径。根据腐蚀光纤直径与腐蚀时间具有线性变化关系，通过对腐蚀过程中光纤的取样分析，确定腐蚀速率，根据加工设计要求，计算出腐蚀时间，严格控制腐蚀时间，使用腐蚀一切割一熔融三步法可以加工出与设计尺寸符合较好的多种曲率半径的球面透镜光纤。 论文的研究结果表明： (1)捕获聚焦镜的数值孔径NA对捕获的稳定性和精度影响很大。NA越大，光束的会聚度越高，梯度力越强，捕获稳定性就越高。使用小NA物镜作捕获时，发现了轴向可以捕捉多个粒子的现象，说明轴向捕获精度低。大NA物镜的光镊捕获没有发现这个现象，说明NA越大，捕获精度越高。光镊的捕获效率与光源的光束质量密切相关。光束质量越好，捕获效率越高。另外，光镊可以操纵比光斑尺寸大数倍的粒子。光镊与膜片钳组合研究悬浮细胞电生理特征的设计方案在实验上是可行的。 (2)利用在光镊光路中插入设计参数合理的红透紫反分色镜的方法，可以将激光光刀光源耦合入光镊系统，而不会影响光镊的捕获操作。可以通过转动转镜的方法对光刀焦点位移进行控制，完成光刀切割操作的功能设计。FTSS 355-50型紫外光源的光束参数特征满足光纤耦合基本要求，通过设计耦合透镜，能够满足高效耦合的条件。光刀对洋葱表皮细胞的穿孔实验表明，光斑能量分布决定了穿孔的形状，脉冲个数多少与穿孔的面积直接相关，光蚀除与光热作用同时存在。 (3)采用电弧加热微拉伸热熔与静态腐蚀相结合的方法可以研制出近场光学成像所需的大锥角纳米光纤探针。成品探针锥形过渡区内纤芯不随包层同步锥化，其光透过率要高于热拉伸法制作的探针，探针锥角大于静态腐蚀法，有利于提高光传输效率，热微拉伸步骤减小了需要腐蚀掉的包层体积，使腐蚀时间减少，降低了腐蚀过程中不确定因素的影响，可以提高探针的成品率。 (4)采用腐蚀一切割一热熔三步法可以制作出各种曲率半径的球面光纤微透镜。根据化学腐蚀光纤锥直径随腐蚀时间的线性变化关系以及电弧熔融前后光纤材料体积不变的特点，推导出光纤球面微透镜曲率半径与腐蚀时间之间的关系，通过控制腐蚀时间来制作具有指定曲率半径大小的球面透镜光纤。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1激光光镊光刀及微束技术

1.1光镊的发展历史

1.2光镊的基本原理

1.2.1 Mie粒子尺度

1.2.2 Rayleigh粒子尺度

1.2.3尺度介于Mie粒子与Rayleigh粒子之间

1.3光镊的结构形式

1.3.1系统的基本形式

1.3.2非高斯光束光阱

1.3.3光纤光镊

1.3.4全息光镊

1.4光镊在生命科学中的典型应用及前景

1.4.1操控单个DNA分子

1.4.2研究分子马达

1.4.3光镊的应用前景

1.5激光光刀的作用原理

1.5.1激光与生物组织的相互作用

1.5.2紫外激光光刀的特点

1.5.3光纤光刀构想

1.6激光微束技术展望

1.7本章小节

2近场光镊及近场光纤探针腐蚀加工技术

2.1近场光镊技术的提出

2.2近场光镊技术的几种研究形式

2.2.1利用棱镜全内反射形成隐失场实现粒子排列

2.2.2利用镀膜光纤探针尖

2.2.3利用激光照明金属探针尖

2.2.4利用聚焦隐失场实现近场捕获

2.2.5各种近场光学捕获方法的比较

2.3近场光学与近场光纤探针的加工方法

2.4化学腐蚀加工方法及影响腐蚀效果的因素

2.5化学腐蚀加工方法的分类

2.5.1静态腐蚀法

2.5.2动态腐蚀法

2.5.3选择腐蚀法

2.5.4管腐蚀法

2.5.5各种腐蚀加工方法的比较

2.6本章小节

3常规光镊系统的实验研究

3.1 LOTⅡ型光镊系统

3.1.1系统的主要组成部分

3.1.2系统的基本光路

3.2激光电源电流与激光输出功率的对应关系的测量

3.2.1测量工具与方法

3.2.2测量结果与分析

3.3计算机屏幕显示图像大小的标定

3.3.1标定工具与方法

3.3.2标定数据处理

3.3.3对定标结果的检验

3.4光镊光阱位置的确定

3.5常规光镊操纵酵母菌细胞的实验结果与讨论

3.5.1酵母菌样品及其制备

3.5.2实验步骤

3.5.3实验结果

3.5.4分析与讨论

3.6光镊对较大尺寸不规则形状细胞的操控与讨论

3.6.1光镊捕获球形乳腺癌细胞

3.6.2光镊捕获锥形大鼠海马神经元细胞

3.6.3实验结果分析与讨论

3.7光镊与膜片钳组合研究悬浮细胞电生理特征的设计方案

3.7.1问题的提出及设计方案

3.7.2在微电极灌液正压作用下的稳定光学捕获

3.7.3光镊与膜片钳组合操作悬浮状态海马神经元细胞

3.7.4对设计方案的分析和问题讨论

3.8本章小节

4激光微束系统耦合光路的设计及应用研究

4.1激光光刀与光镊耦合激光微束系统的光路设计

4.1.1紫外激光器类型及参数

4.1.2在光镊仪器上的光刀光路设计

4.1.3分色镜的设计参数及对光路偏移量的计算

4.1.4转动分色镜对光刀焦点横向位移影响的计算

4.1.5用ZEMAX软件计算NIR与UV光的位置色差

4.2激光光刀作用于生物组织的实验研究

4.2.1紫外脉冲激光输出能量和功率密度的计算

4.2.2 FTSS 355-50型紫外激光器光束参数的计算

4.2.3低强度紫外纳秒激光光刀对洋葱表皮细胞的穿孔实验

4.2.4实验结果分析与讨论

4.3激光与光纤耦合相关问题的研究

4.3.1高效激光光纤耦合的条件

4.3.2 FTSS 355-50型激光器与紫外光纤的光束参数乘积比较

4.3.3光纤耦合透镜的参数设计

4.3.4透镜光纤对激光光纤耦合效率的提高

4.4本章小节

5微纳米尺度光纤探针和器件的研制

5.1电弧加热微拉伸热熔与静态腐蚀相结合研制大锥角近场纳米光纤探针

5.1.1近场光学显微及近场光刀、光镊对光纤探针的要求

5.1.2热微拉伸实验仪器

5.1.3近场光纤探针的研制工艺

5.1.4实验结果与讨论

5.2管腐蚀法研制纯石英纤芯紫外多模微米光纤探针

5.2.1探针制作步骤

5.2.2实验结果与讨论

5.3化学腐蚀与热熔结合制作紫外多模光纤微透镜

5.4本章小节

6腐蚀-切割-热融三步法制作球面微透镜光纤

6.1实验模型与加工方法

6.1.1化学腐蚀控制腐蚀光纤直径

6.1.2电弧热融光纤平端面成球透镜的计算模型

6.1.3通过控制腐蚀时间加工具有特定曲率半径的球端微透镜

6.2对模型及实验的讨论

6.3光纤球面微透镜对出射光线聚焦的计算

6.4本章小节

7结论与建议

7.1本文结论

7.2问题与后续工作

7.3展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致 谢