一种全封闭式圆片式倏逝波重复捕获微球的光阱装置的制作方法

本发明涉及微纳米粒子光阱悬浮领域的一种片上集成式装置，尤其是一种全封闭式圆片式倏逝波重复捕获微球的光阱装置。

背景技术：

在光悬浮领域，待捕获的微粒通常会黏附在存储基板表面，因此在空气和真空环境中，需要先让微粒从基板表面脱离，进入光场后才能完成捕获。目前的起抛方案有三种，前两种是采用机械高频振动压电陶瓷的方式将微球脱离载体表面和使用超声雾化起抛微球。这两种方案的缺点是需要在抛洒大量的微球在自由空间，无法控制微球准确落入到光阱捕获区域，微球捕获的效率低，并且需要不断的补充微球，造成大量微球的浪费，多余的微球还会污染真空腔内部。还有近年来提出的用脉冲激光加热基板使微球脱离表面。但由于脉冲激光的能量高，脉冲宽度短，会造成微球短时间内吸收大量的热而膨胀，微球极易被破坏。因此光悬浮测量领域急需可重复、高准确度且无损的起支方法。

基于传统自由空间光路的光阱系统体积较大、而且空间光路系统复杂，稳定性较差，而且作为核心敏感单元的传感微粒只占据微米尺寸的区域，腔体内仍存在大量的冗余空间。现有的重复捕获微球的方式是利用脉冲激光使目标微球重复悬浮。但是由于脉冲光照射基板过程中目标微球也同样吸收极高的热量，导致目标微球的结构极易被损坏。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种全封闭式圆片式倏逝波重复捕获微球的光阱装置。可实现可重复、无损、高稳定性的微型化光阱悬浮装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括玻璃基底和上盖玻片，玻璃基底上面设有上盖玻片，玻璃基底中心开设有长方体毛细管微腔；长方体毛细管微腔里的下侧处放置一层较高折射率的平板玻璃和较低折射率的薄基板，平板玻璃和薄基板相紧贴，靠近平板玻璃的玻璃基底底部的两侧开设有向下倾斜的第三光纤固定端口和第四光纤固定端口，第三光纤固定端口和第四光纤固定端口不平行相互成夹角布置，第三光纤固定端口和第四光纤固定端口均连通到长方体毛细管微腔且被平板玻璃和薄基板覆盖；长方体毛细管微腔上侧部对称两侧的玻璃基底两侧壁开设有第三光纤固定端口和第四光纤固定端口，第三光纤固定端口和第四光纤固定端口同轴布置，第三光纤固定端口和第四光纤固定端口均连通到长方体毛细管微腔。

所述的长方体毛细管微腔内放置一个或多个微球，微球贴于薄基板。

第一光纤和第二光纤分别连接到第一光纤固定端口和第二光纤固定端口，由第一光纤和第二光纤入射同轴的两束光束，通过第一光纤固定端口和第二光纤固定端口同轴入射到长方体毛细管微腔中对准形成光阱。

第三光纤和第四光纤分别连接到第三光纤固定端口和第四光纤固定端口，由第三光纤和第四光纤各自入射一束光束，通过第三光纤固定端口和第四光纤固定端口入射到平板玻璃和薄基板交界处均发生全反射，产生倏逝波透射到薄基板，然后再分别从第四光纤固定端口和第三光纤固定端口出射；通过第三光纤和第四光纤的光束照射，调节控制紧贴于薄基板上的微球脱离薄基板的粘附，而移动到长方体毛细管微腔的光阱处。

所述的上盖玻片封盖长方体毛细管微腔、第一光纤固定端口、第二光纤固定端口、第三光纤固定端口和第四光纤固定端口，玻璃基底和上盖玻片贴合实现长方体毛细管微腔的密封。

所述的玻璃基底和上盖玻片上刻有指示中心位置的标示线，调整玻璃基底和上盖玻片的中心位置的标识线使两者重合并用uv胶进行密封。

所述的玻璃基底选用硅或二氧化硅材料。

所述的玻璃基底和上盖玻片均为圆片式结构。

所述的长方体毛细管微腔采用直径为6-9微米的二氧化硅毛细管，孔径尺寸大于微球直径。

所述的微球为金属材料、有机材料或介电材料。

所述的薄基板厚度不大于倏逝波穿透深度。

本发明利用微腔限制了微粒的运动范围和光阱中心，实现便捷有效的不断可重复快速捕获微粒，同时通过两束反向传输的激光对称照射平底玻璃产生全反射，得到相干的倏逝场驻波，增强了全反射的倏逝场热效应，大大提高了可重复捕获微粒的效率。

本发明的有益效果：

本发明利用圆片式的设计限制了微粒的运动范围和光阱中心，通过两束反向传输的激光对称照射平底玻璃产生全反射，得到相干的倏逝场驻波，增强了全反射的倏逝场效应，避免了沿着界面方向辐射压力对捕获带来的影响，实现更稳定的捕获，提高了捕获微粒的效率。

同时本发明全封闭式圆片式的结构设计又隔绝了外界污染和影响，基于光纤光路的光阱系统结构紧凑、成本较低。

附图说明

图1是本发明光阱装置的结构示意图。

图2是本发明装置的圆片式玻璃基板和上盖玻片结构示意图。

图3是第一光纤和第二光纤同时对向入射时，形成光阱捕获区域。

图4是第三光纤和第四光纤的激光入射后，微球从a位置到b位置示意图。

图5是微球进入光阱捕获区域后实现稳定悬浮的结构示意图。

图中：玻璃基底1，上盖玻片2，四个光纤固定端口3.1、3.2、7.1、7.2，长方体毛细管微腔4，薄基板5，平板玻璃6，微球8。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的描述

如图2所示，具体实施的光阱传感基片包括玻璃基底1和上盖玻片2，玻璃基底1上面设有上盖玻片2，玻璃基底1中心开设有长方体毛细管微腔4；长方体毛细管微腔4上侧的玻璃基底1开设有第一光纤固定端口3.1和第二光纤固定端口3.2，长方体毛细管微腔4下侧的玻璃基底1开设有第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2；

如图2所示，长方体毛细管微腔4里的下侧处放置一层较高折射率的平板玻璃6和较低折射率的薄基板5，薄基板5相比平板玻璃6更靠近长方体毛细管微腔4中心，平板玻璃6和薄基板5相紧贴，平板玻璃6紧贴长方体毛细管微腔4内侧面，靠近平板玻璃6的玻璃基底1底部的两侧开设有向下倾斜的第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2，第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2不平行相互成夹角布置，第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2均连通到长方体毛细管微腔4且被平板玻璃6和薄基板5覆盖；长方体毛细管微腔4上侧部对称两侧的玻璃基底1两侧壁开设有第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2，第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2同轴布置，第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2均连通到长方体毛细管微腔4，不被平板玻璃6和薄基板5覆盖。

具体实施中，长方体毛细管微腔4内放置一个或多个微球8，微球8贴于薄基板5或者位于第一光纤固定端口3.1和第二光纤固定端口3.2之间的长方体毛细管微腔4中央光阱位置。薄基板5上通过粘附力固定上一个或多个微球。

如图5所示，第一光纤和第二光纤分别连接到第一光纤固定端口3.1和第二光纤固定端口3.2，由第一光纤和第二光纤入射同轴的两束光束，通过第一光纤固定端口3.1和第二光纤固定端口3.2同轴入射到长方体毛细管微腔4中对准形成光阱。光阱会对靠近的微球进行捕获，若微球较远离光阱，则光阱无法微球进行捕获，需要第三光纤/第四光纤入射光束控制使得微球靠近光阱再捕获。

第一光纤、第二光纤均与光纤固定端口熔接固定，用uv胶进行密封。

第一光纤和第二光纤形成双光束光阱的一端为自聚焦光纤，可以对捕获光束先发散再汇聚，捕获光的焦点或束腰位置与光纤端面有一定的距离，第一光纤和第二光纤经过对准后分布出射第一捕获光束和第二捕获光束，形成双光束光阱。自聚焦光纤主要包括三部分，依次为单模光纤、无芯光纤和梯度折射率光纤。

双光束光阱靠近微球，光阱区域的下边缘与紧贴于薄基板5上的微球的表面相距几个微米。

第三光纤和第四光纤分别连接到第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2，由第三光纤和第四光纤各自入射一束光束，通过第一光纤固定端口3.1和第二光纤固定端口3.2入射到平板玻璃6和薄基板5交界处君发生接近全反射，仅产生倏逝波的光束照射到薄基板5，然后再分别从第二光纤固定端口3.2和第一光纤固定端口3.1出射；通过第三光纤和第四光纤的光束照射，调节控制紧贴于薄基板5上的微球8脱离薄基板5的粘附，而移动到长方体毛细管微腔4的光阱处。

平板玻璃6和薄基板5紧密贴合布置，且具有折射率差，平板玻璃6的折射率高于薄基板5的折射率，并且第三光纤、第四光纤的光束的入射角大于临界角，而且采用毛细管微腔结构限制了微粒的运动范围和光阱捕获中心，同时通过两束反向传输的线偏振光对称照射平底玻璃底面产生全反射，得到相干的倏逝场驻波的光束照射到薄基板5上，增强了全反射的倏逝场效应。开始如图3所示，放置在紧密贴在平底玻璃上的薄基板5吸收倏逝波的光束受热膨胀，产生向上的力，弹起位于在薄基板5表面的微球8，如图4所示，使微球8得到初始加速度，上升到光阱的捕获中心，被光阱稳定捕获悬浮。

在微球8稳定悬浮实验结束后，再关闭第一光纤和第二光纤入射的两束光束，微球8脱离光阱回到薄基板5表面，薄基板5等待下一次的倏逝场驻波到来控制，从而实现微球8依次不断的稳定捕获悬浮于光阱-贴附于薄基板5的过程，完成微球8的光悬浮试验。

第三光纤、第四光纤通过光纤固定端口熔接固定，用uv胶进行密封。第三光纤和第四光纤为两根单模光纤，两根光纤输入的光波的频率相同，传输方向相反，避免了沿着界面方向辐射压力对捕获带来的影响，隔绝外界的影响，实现更稳定的捕获，同时具有更大的能量密度，另一方面扩大了倏逝场的作用范围。

通过两束反向传输的激光对称照射平板玻璃和薄基板5，得到相干的双光束，增强了全反射的倏逝场效应。

上盖玻片2封盖长方体毛细管微腔4、第一光纤固定端口3.1、第二光纤固定端口3.2、第三光纤固定端口7.1和第四光纤固定端口7.2，玻璃基底1和上盖玻片2贴合实现长方体毛细管微腔4的密封，使得长方体毛细管微腔4仅和四个光纤固定端口相通。

具体实施为长方体毛细管微腔里除去平板玻璃和薄基板所占空间，剩余孔径空间偏大则约束微球范围困难，偏小则装配难度加大。一般若微球直径为1微米，取微球直径的三到五倍为最佳。

长方体毛细管微腔采用直径为6-9微米的二氧化硅毛细管，孔径尺寸大于微球直径。毛细管内表面清洁度达到管内腔水分每平米不超过0.1g,内部油分每平米不超过0.1g。毛细管内可以是真空或者充满气体。四个光纤固定端口与毛细管熔接拼接，用uv胶进行密封，形成封闭的长方体微腔结构。

具体实施中，玻璃基底1和上盖玻片2上刻有指示中心位置的标示线，调整玻璃基底和上盖玻片的中心位置的标识线使两者重合并用uv胶进行密封。

玻璃基底1和上盖玻片2均为圆片式结构。玻璃基底1为半径5mm，高度2mm，选用硅或二氧化硅材料。

微球8为金属材料、有机材料或介电材料，被普通光阱捕获，微粒的尺寸为纳米到微粒量级。

薄基板5厚度不大于倏逝波穿透深度。薄基板5的材料为高膨胀系数、低折射率的材料，薄基板表面清洁干净，没有除微球以外的杂质，可采用气相层级或磁控溅射得到。

平板玻璃6采用二氧化钛和氧化钡材料，折射率不小于2.1。

平板玻璃为高折射率的玻璃。玻璃为光学均匀介质，第三光纤和第四光纤发出的激光能均匀通过。

本发明的具体应用实施例情况如下：

步骤一：圆片式玻璃基底半径5mm，高度2mm，选用硅材料。上盖玻片半径为5mm,高度为0.1-0.3mm。把玻璃基底和上盖玻片放入盛有清水的容器中进行清洗，清洗完后用压缩空气枪吹干。

步骤二：长方体毛细管微腔嵌于玻璃基底中。毛细管微腔存储一个或多个聚苯乙烯微球。用孔径为6-9微米的二氧化硅毛细管，孔径尺寸大于微球直径。毛细管内毛细管内表面清洁度达到管内腔水分每平米不超过0.1g,内部油分每平米不超过0.1g。毛细管里充满空气。

步骤三：微腔上端有两个光纤固定端口，分别放置第一光纤和第二光纤。第一光纤、第二光纤通过与光纤固定端口熔接固定，用uv胶进行密封。第一光纤和第二光纤均有一端为自聚焦光纤。

第一光纤和第二光纤经过对准后分别出射第一捕获光束和第二捕获光束，形成双光束光阱。光阱捕获区域是两束980纳米的激光对向传输得到。光阱捕获区域下边缘可与微球上表面相距几个微米。

步骤四：盛放微粒的长方体毛细管微腔里放置一层高折射率的平板玻璃，平板玻璃上放置一层低折射率的薄基板。一个微球8放置在薄基板上。

此时，如图3所示，微球8较远离光阱，并没有被光阱捕获。

步骤六：所第三光纤、第四光纤通过光纤固定端口熔接固定，用uv胶进行密封。四个光纤通过与长方体毛细管微腔熔接拼接完成后，用uv胶再次进行密封，形成封闭的长方体毛细管微腔结构。第三光纤和第四光纤为两根高斯单模光纤，两根光纤输入的光波的频率相同，为1064纳米的单模线偏振激光，传输方向相反。

步骤七：在第一捕获光束和第二捕获光束照射的同时，如图4所示，通过两束反向传输的线偏振光从第三光纤、第四光纤入射对称照射平板玻璃，平板玻璃的折射率大于薄基板，在平板玻璃和薄基板交界处发生全反射，薄基板吸收倏逝波，产生热膨胀，对薄基板表面的微球产生加速度。微球克服薄基板表面的黏附力脱离表面，上升到光阱捕获区域，关闭两束反向传输的线偏振光，实现微球的稳定悬浮，结果如5所示。

步骤八：微球脱离光阱捕获区域后，落回到基板，重复步骤三到步骤六，在不更换微球的情况下，实现微球的重复捕获。

由上述实施可见，本发明的优势有三点：第一是利用微腔实现微球的重复，无损的捕获，第二是利用相干的倏逝场驻波，增强了全反射的倏逝场热效应。第三是基于光纤光路的光阱系统结构紧凑、成本较低，微球悬浮效率高，在小型化，商用化方面有极大的发展潜力。

本发明对所提出的一种全封闭式圆片式倏逝波重复捕获微球的光阱装置的详细介绍。上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。