激光光刀光鑷耦合微束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及相關(guān)器件的研制.pdf

1、激光微束技術(shù)是一種新型的光學(xué)生物顯微操控技術(shù)，它包括激光光鑷和激光光刀兩種性質(zhì)不同的生物微操控手段。光鑷技術(shù)是利用光子的動量傳遞所產(chǎn)生的梯度力捕捉細(xì)胞、病毒、生物大分子等。而光刀技術(shù)利用的是紫外高強(qiáng)度的短脈沖激光束的光蝕除作用，可以對細(xì)胞壁、染色體等生物組織進(jìn)行精確的激光微手術(shù)。光鑷與光刀二者組合形成的激光微束技術(shù)功能更加豐富，是生命科學(xué)研究中不可或缺的研究手段。 本論文圍繞激光光鑷與光刀的基本功能要求，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室LOTII型

2、光鑷儀器和近場光學(xué)的研究方向，對激光微束系統(tǒng)作了相關(guān)理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。本論文包括兩方面主要內(nèi)容：其一是激光微束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)，包括與光鑷捕獲相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、激光光刀耦合光路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)等。其二是微納米光纖器件的研制加工，包括近場光學(xué)納米光纖探針的研制和微米尺度透鏡光纖的加工。微納米光纖器件的研制是為近場光鑷光刀技術(shù)、光纖光鑷光刀技術(shù)、激光光源與光纖的高效耦合提供器材上的支持，外形和尺寸合適的光纖器件是上述研究所必備的。 本文

3、前兩章概述了激光光鑷技術(shù)的發(fā)展歷史，理論方法及最新研究進(jìn)展，介紹了紫外激光光刀的作用原理、特點(diǎn)，追述和展望了激光微束技術(shù)歷史和前景。分析了近場光鑷技術(shù)的優(yōu)勢以及目前的研究現(xiàn)狀和存在的主要問題。對化學(xué)腐蝕加工近場光纖探針的方法作了詳盡的推導(dǎo)、介紹和分析，為后文的展開作了理論鋪墊。 基于LOTII型光鑷系統(tǒng)，使用40×和100×顯微物鏡進(jìn)行捕獲酵母菌的實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。分析了聚焦物鏡數(shù)值孔徑(NA)的大小對光鑷捕獲精度、操

4、作穩(wěn)定性和捕獲功率的影響。對大尺寸的乳腺癌細(xì)胞和不規(guī)則形狀的大鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞進(jìn)行的光學(xué)捕獲，對結(jié)果進(jìn)行了分析。提出了光鑷與膜片鉗組合研究懸浮細(xì)胞電生理特征的設(shè)計(jì)方案，對該方案的可操作性做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 在光鑷儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了光刀耦合光路，分析和計(jì)算了插入分色鏡轉(zhuǎn)鏡對光鑷光路的影響、轉(zhuǎn)鏡對光刀焦點(diǎn)的位移控制，不同波長經(jīng)物鏡聚焦后產(chǎn)生的位置色差，計(jì)算了FTSS 355-50型紫外脈沖激光器的光束參數(shù)乘積，計(jì)算和設(shè)計(jì)了滿足實(shí)驗(yàn)要求的

5、耦合透鏡的參數(shù)。使用紫外激光光刀對洋蔥表皮細(xì)胞進(jìn)行了初步穿孔實(shí)驗(yàn)。 采用電弧熱熔微拉伸與靜態(tài)腐蝕相結(jié)合的方法研制出大錐角近場納米光纖探針尖。采用管腐蝕法研制了純石英纖芯紫外多模微米尺度光纖探針。使用化學(xué)腐蝕與電弧熱熔結(jié)合的方法制作了具有微米量級曲率半徑的紫外光纖微透鏡，微米尺度紫外光纖器件的研制可以為光纖光刀的研究提供器件支持。 對腐蝕熱熔法制作球錐形光纖微透鏡進(jìn)行了研究，提出熱融光纖錐平端面成半球端面的幾何計(jì)算模型，已

6、知光纖錐的錐頂尺寸和錐角，可以計(jì)算出熱融加工后的球透鏡曲率半徑。根據(jù)腐蝕光纖直徑與腐蝕時(shí)間具有線性變化關(guān)系，通過對腐蝕過程中光纖的取樣分析，確定腐蝕速率，根據(jù)加工設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出腐蝕時(shí)間，嚴(yán)格控制腐蝕時(shí)間，使用腐蝕一切割一熔融三步法可以加工出與設(shè)計(jì)尺寸符合較好的多種曲率半徑的球面透鏡光纖。 論文的研究結(jié)果表明： (1)捕獲聚焦鏡的數(shù)值孔徑NA對捕獲的穩(wěn)定性和精度影響很大。NA越大，光束的會聚度越高，梯度力越強(qiáng)，捕獲穩(wěn)定性

7、就越高。使用小NA物鏡作捕獲時(shí)，發(fā)現(xiàn)了軸向可以捕捉多個(gè)粒子的現(xiàn)象，說明軸向捕獲精度低。大NA物鏡的光鑷捕獲沒有發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，說明NA越大，捕獲精度越高。光鑷的捕獲效率與光源的光束質(zhì)量密切相關(guān)。光束質(zhì)量越好，捕獲效率越高。另外，光鑷可以操縱比光斑尺寸大數(shù)倍的粒子。光鑷與膜片鉗組合研究懸浮細(xì)胞電生理特征的設(shè)計(jì)方案在實(shí)驗(yàn)上是可行的。 (2)利用在光鑷光路中插入設(shè)計(jì)參數(shù)合理的紅透紫反分色鏡的方法，可以將激光光刀光源耦合入光鑷系統(tǒng)，而不會

8、影響光鑷的捕獲操作?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)鏡的方法對光刀焦點(diǎn)位移進(jìn)行控制，完成光刀切割操作的功能設(shè)計(jì)。FTSS 355-50型紫外光源的光束參數(shù)特征滿足光纖耦合基本要求，通過設(shè)計(jì)耦合透鏡，能夠滿足高效耦合的條件。光刀對洋蔥表皮細(xì)胞的穿孔實(shí)驗(yàn)表明，光斑能量分布決定了穿孔的形狀，脈沖個(gè)數(shù)多少與穿孔的面積直接相關(guān)，光蝕除與光熱作用同時(shí)存在。 (3)采用電弧加熱微拉伸熱熔與靜態(tài)腐蝕相結(jié)合的方法可以研制出近場光學(xué)成像所需的大錐角納米光纖探針。成品

9、探針錐形過渡區(qū)內(nèi)纖芯不隨包層同步錐化，其光透過率要高于熱拉伸法制作的探針，探針錐角大于靜態(tài)腐蝕法，有利于提高光傳輸效率，熱微拉伸步驟減小了需要腐蝕掉的包層體積，使腐蝕時(shí)間減少，降低了腐蝕過程中不確定因素的影響，可以提高探針的成品率。 (4)采用腐蝕一切割一熱熔三步法可以制作出各種曲率半徑的球面光纖微透鏡。根據(jù)化學(xué)腐蝕光纖錐直徑隨腐蝕時(shí)間的線性變化關(guān)系以及電弧熔融前后光纖材料體積不變的特點(diǎn)，推導(dǎo)出光纖球面微透鏡曲率半徑與腐蝕時(shí)間之