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基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵

光学精密工程 2022年第13期30卷 1555-1563页

作者：姜春雷水华胜陈朋方硕王弢东北石油大学电气信息工程学学院黑龙江大庆163318

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... 详细信息

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6μm的聚苯乙烯微粒可以进行长达102.2μm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。

关键词：光纤光镊光学捕获有限元法麦克斯韦应力张量法

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基于锥形光纤光镊的细胞操控与神经调控

中国激光 2023年第15期50卷 175-190页

作者：肖雨晴史阳李宝军辛洪宝暨南大学纳米光子学研究院广东省纳米光学操控重点实验室广东广州511443 仲恺农业工程学院自动化学院广东广州510225

光学操控已被广泛应用于生物医学、物理和材料科学等领域.近年来,锥形光纤光镊由于具有操作灵活、结构紧凑、易于制造等特点,在光学操控领域引起了极大关注.作为一种非侵入式光操控工具,锥形光纤光镊不会对生物组织和活体细胞产生接触... 详细信息

光学操控已被广泛应用于生物医学、物理和材料科学等领域.近年来,锥形光纤光镊由于具有操作灵活、结构紧凑、易于制造等特点,在光学操控领域引起了极大关注.作为一种非侵入式光操控工具,锥形光纤光镊不会对生物组织和活体细胞产生接触式物理损伤,因而可以直接应用于细胞的多维度操控.此外,红外光波对生物组织具有良好的穿透性,这使得锥形光纤光镊在生物及医学领域有着不俗的表现.在这篇综述,笔者总结了锥形光纤光镊在单细胞、多细胞、亚细胞等层面的研究现状,并介绍了其在神经细胞调控方面的最新进展.

关键词：生物光学光纤光学光纤光镊光捕获细胞操控神经调控

类抛物线形单孔悬挂芯光纤光镊设计与微粒操控

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红外与激光工程 2024年第9期53卷 316-328页

作者：李红牛田森周雅妮邢诗梦娄小平北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院光电测试技术及仪器教育部重点实验室北京100192 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室北京100016 广州南沙光子感知技术研究院广东广州511462

为提高光镊系统中光纤波导耦合度与微通道集成度,实现对微粒的多样操控,提出了一种类抛物线形单孔悬挂芯光纤光镊结构,从双光束聚焦光场机制出发,分析并建立了光镊探针尖端横向和轴向光阱力数学模型,通过出射光场分布仿真模型的计算,探... 详细信息

为提高光镊系统中光纤波导耦合度与微通道集成度,实现对微粒的多样操控,提出了一种类抛物线形单孔悬挂芯光纤光镊结构,从双光束聚焦光场机制出发,分析并建立了光镊探针尖端横向和轴向光阱力数学模型,通过出射光场分布仿真模型的计算,探究了类抛物线形悬挂芯光纤中空孔直径、微粒尺寸与纤芯功率等参量对出射光场和光阱力的影响。结合悬挂芯光纤流道的气压控制,利用CO_(2)激光熔融工艺制备了光纤光镊探针,建立了针对直径2、5、10μm的聚苯乙烯微粒操控实验。研究为单孔悬挂芯光纤应用于光纤光镊实现微粒操控乃至输运提供了技术基础,也为光纤光镊提高集成度与灵活性提供了新的思路。

关键词：光纤光镊单孔悬挂芯光纤抛物线形光阱力光操控

用于可控式粒子捕获和轴向往复运动的电流调制型单光纤光镊

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光学学报 2023年第14期43卷 68-74页

作者：王秀芳刘旭董太极闫文迪刘勇智高丙坤东北石油大学电气信息工程学院黑龙江大庆163318 大庆油田信息技术公司黑龙江大庆163453

提出一种基于电流调制的新型单光纤光镊。通过将经电流调制的980 nm激光注入单模光纤,光纤探头的输出功率发生周期性变化,实现了对粒子运动距离和运动速度的可控式操纵。此外,通过调整盖玻片的倾斜角度改变溶液蒸发力的大小,实现了对粒... 详细信息

提出一种基于电流调制的新型单光纤光镊。通过将经电流调制的980 nm激光注入单模光纤,光纤探头的输出功率发生周期性变化,实现了对粒子运动距离和运动速度的可控式操纵。此外,通过调整盖玻片的倾斜角度改变溶液蒸发力的大小,实现了对粒子的稳定捕获。在构建平面锥形纤维探针的基础上,搭建仿真模型,分析粒子的受力情况,并进行实验验证。实验结果表明,通过对激光器的驱动电流进行调制,可以操纵聚苯乙烯小球实现长达22.76μm的粒子运输,且粒子的运动速度与激光器的调制电流有关,实验结果得到了数值模拟的支持。所提方法使得粒子捕获点的可变式调节和粒子的长距离轴向可控式运输成为可能。

关键词：光纤光镊电流调制粒子捕获与操纵生物传感

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利用单光纤光镊实现不同折射率的微粒分选

光学精密工程 2023年第8期31卷 1115-1123页

作者：钟慧高丙坤党雨婷赵忖姜春雷东北石油大学电气信息工程学院黑龙江大庆163318 东北石油大学秦皇岛校区电气信息工程系河北秦皇岛066004

为解决在进行不同折射率的微粒分类时遇到的问题,本文提出了一种采用熔融法拉伸的抛物线型光纤探针,所得到的出射光场对于浸没在水溶液中的不同折射率的微粒具有不同的操作能力,可以达到微粒分类的目的。我们将波长为980 nm的激光通入... 详细信息

为解决在进行不同折射率的微粒分类时遇到的问题,本文提出了一种采用熔融法拉伸的抛物线型光纤探针,所得到的出射光场对于浸没在水溶液中的不同折射率的微粒具有不同的操作能力,可以达到微粒分类的目的。我们将波长为980 nm的激光通入光纤探针中,操控光纤在液体中实现对二氧化硅(SiO_(2))、聚苯乙烯(PS)和酵母菌细胞三种不同折射率的微粒及细胞的捕获和传输,进而实现不同微粒的分类。基本上实现了对三种微粒在1~10μm范围内的操控和分类。通过仿真验证了这种抛物线型光纤探针对三种微粒具有不同捕获能力,所得到的理论和实验结果保持一致。使用该方法对微粒进行分类,可以简化实验装置,并且在无标签混合光纤传感器的开发和传染病检测或细胞分类等方面有广泛应用。

关键词：光纤光镊折射率细胞筛选微粒分类

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特种芯光纤光镊技术研究进展

中国光学（中英文） 2023年第6期16卷 1293-1304页

作者：李红朱应鑫周雅妮王海波董明利祝连庆北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室北京100192 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室北京100016

光纤光镊具有结构简单、操作灵活、尺寸小的特点,在生化分析、生命科学等领域有广泛应用。特殊纤芯结构的光纤探针在近场倏逝波光阱力、纤芯光束耦合传输、微流控技术交叉协同应用等方面具有天然优势,能实现细胞、亚细胞级微粒收集、输... 详细信息

光纤光镊具有结构简单、操作灵活、尺寸小的特点,在生化分析、生命科学等领域有广泛应用。特殊纤芯结构的光纤探针在近场倏逝波光阱力、纤芯光束耦合传输、微流控技术交叉协同应用等方面具有天然优势,能实现细胞、亚细胞级微粒收集、输运等功能,可以显著提升微粒的三维捕获能力以及动态操纵水平。本文综述了不同纤芯结构光纤光镊的结构特点与应用技术研究进展,对特种芯光纤光镊系统中探针制备、激光光源、耦合方式等关键技术进行了梳理和对比,总结与展望了不同结构特种芯光纤在光纤光镊中的作用与发展。

关键词：光纤光镊特种光纤微粒操纵微流控

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一种用于细胞操作的单光纤光镊研究

光子学报 2009年第4期38卷 900-904页

作者：刘志海郭成凯吴忠福杨军苑立波哈尔滨工程大学理学院光子科学研究中心哈尔滨150001

采用一种抛物线形光纤针作为基本器件,设计制作了单光纤光镊系统.用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)的方法仿真了抛物线型光纤探针的出射场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求出不同介质球半径和折射率情况下... 详细信息

采用一种抛物线形光纤针作为基本器件,设计制作了单光纤光镊系统.用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)的方法仿真了抛物线型光纤探针的出射场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求出不同介质球半径和折射率情况下,介质球受到的横向和纵向光作用力.实验中此单光纤光镊系统实现了对水中酵母细胞的空间捕获,并且结合两个抛物线形光纤针实现了酵母细胞在两个光势阱中的转移交接.这种单光纤光镊系统结构简单、紧凑,操纵灵活,便于调整.可以适应更多的生物细胞和生物分子的光微操作需求.

关键词：医用光学生物技术光纤光镊光学捕获 FDTD

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光纤光镊系统的设计与开发

光纤光镊系统的设计与开发

作者：孙华权哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

光镊是一种基于光捕获效应的微观微粒操作工具,能够实现对微粒的捕获与操纵。光镊能够非接触捕获生物细胞等微粒,并且其使用红外光时对生物细胞具有很好的透射性,这大大减少了微粒或细胞在被操纵时受到的伤害,因此光镊技术广泛应用于生... 详细信息

光镊是一种基于光捕获效应的微观微粒操作工具,能够实现对微粒的捕获与操纵。光镊能够非接触捕获生物细胞等微粒,并且其使用红外光时对生物细胞具有很好的透射性,这大大减少了微粒或细胞在被操纵时受到的伤害,因此光镊技术广泛应用于生物及医学领域。除此之外,光镊还可以应用于微小力测量、传感等领域。随着光镊技术的发展,其应用将会更加广阔。首先,对用于光阱刚度标定的热运动分析法和模拟光阱中微粒运动的Monte-Carlo模拟方法进行研究。以光镊原理和光阱力的计算模型为基础,研究标定光阱刚度的热运动分析法,并对被光纤光镊捕获微粒的运动进行数值模拟,分析曝光时间、微粒半径、初始位置以及实验温度等参数对于光阱刚度的影响,为光阱刚度的标定提供了理论依据。其次,提出光纤光镊系统设计的关键技术。对光纤光镊系统的需求进行分析,完成光纤光镊系统的总体设计,分别完成了光路设计、机械结构设计以及电学设计等方案,实现了对光纤光镊系统的控制、观察以及测量,为以后光纤光镊系统的仪器化,光纤光镊系统的应用与推广奠定了基础。最后,基于所设计的光纤光镊系统完成了光阱刚度的标定和微粒捕获实验。利用搭建的光纤光镊系统,使用锥台型光纤探针,对不同尺寸的聚苯乙烯球实现了捕获与操纵,并分别对横向光阱刚度以及纵向光阱刚度进行了标定,为后续光阱力的测量提供了基础。

关键词：光纤光镊光阱刚度热运动分析法 Monte-Carlo模拟方法

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光纤光镊的捕获特性与振动传感特性研究

光纤光镊的捕获特性与振动传感特性研究

作者：王镭哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着光镊技术在微观领域中的广泛应用,人们对光镊系统的要求也在不断提升,将光纤引入光镊系统,其轻便、灵活的特点大幅度提升了光镊系统操作的自由度与灵活度,光纤光镊会成为研究细胞生命活动的基本规律和微小力学传感测量的重要工具。... 详细信息

随着光镊技术在微观领域中的广泛应用,人们对光镊系统的要求也在不断提升,将光纤引入光镊系统,其轻便、灵活的特点大幅度提升了光镊系统操作的自由度与灵活度,光纤光镊会成为研究细胞生命活动的基本规律和微小力学传感测量的重要工具。本课题研究的是光纤光镊的捕获特性与振动传感特性：利用两种不同端面结构的光纤分别实现光镊的多粒子捕获和振动传感测量。对于光纤光镊的光捕获系统,先根据光镊技术的基本原理,设计构造锥形光纤端面,然后采用基于电磁场动量守恒定律和时域有限差分的分析方法,研究在改变捕获粒子数量、光纤端面锥角大小、微粒半径和折射率等参数情况下,锥形端面光纤捕获出射光场光阱力的特性。在实验中,利用锥形端面光纤光镊实现对酵母细胞的多次捕获与转移,并用锥形端面光纤光镊实验标定光镊出射光场中光阱力的变化趋势。对于光纤光镊的振动传感系统,先依据光捕获原理设计微光纤振动传感器的基本结构,并采用惯性受迫振动原理分析此结构的力学特性,得到微光纤振动传感器的幅频特性与相频特性曲线。根据分析优化传感器结构,设计光纤端面结构,研究光纤端面的制作方法和微光纤振动传感器的加工工艺,并通过分析振动传感实验结果,验证了此种基于光捕获原理的微光纤传感器适用于振动传感测量。

关键词：光纤光镊多次捕获标定微光纤振动传感器