1．目的及意义

光镊最早是由Ashkin提出的，光镊是单光束梯度力势阱的简称，是基于光作用于物体的辐射压力和梯度力相互作用而形成的势阱。1970年，Ashkin 等首先提出能利用光压操纵微小粒子的概念，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子越来越小；直到1986 年，Ashkin 等人采用大数值孔径显微物镜会聚单束激光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。这标志着“单束光梯度力阱”的诞生，简称为“光镊”。由于光镊可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵，因此光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面，特别适合于生物大分子、生物细胞的研究，如人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力及对膜体系进行定量研究。

传统的光镊使用高数值孔径的显微镜物镜来聚焦激光束。基于显微镜的光镊仪器不可避免的体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小等缺陷固然限制了普通光镊的应用，因此很难操纵位于狭窄位置的微粒，多光镊操纵也变得更加困难。这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。然而，新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。其中微纳光纤的制备技术是关键。

作为光纤光学与纳米技术的完美结合，微纳光纤是近年来发展起来的光纤光学及微纳光子学等领域的前沿研究方向之一。近年来，微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。微纳光纤具有极低的耦合损耗、粗糙度极低的波导表面、高折射率差的强限制光场、大百分比的倏逝场、极轻的质量和灵活的色散特性等优点。光学捕获和传输技术为纳米目标的操作提供了一种具有极高精度的靶向性和非侵入性方法，使得光学操作在DNA、肌球蛋白、肌动蛋白等生物分子的研究中得到了广泛的应用。传统光镊捕获和操纵物体的原理是使用高数值孔径的显微镜物镜对激光束进行聚焦，产生对物体的光力。然而在基板或光纤上制作的亚波长直径波导中存在的倏逝波场也能产生强大的光力，可以在比传统光镊更大的操作区域内操纵粒子，粒子被捕获并且沿着倏逝波传播方向被推进。因此，可以利用锥度、亚波长线、纤维环等光纤结构来捕获和操纵单粒子、微球和大质量介电粒子。所以说微纳光纤是一种很好的粒子捕获、传输、组装和释放工具[3]。因此，对微纳光纤制备技术方向的研究显得极为重要。

微纳光纤的制备方法有化学腐蚀法和熔融拉伸法。化学腐蚀法对腐蚀环境要求较高，腰锥尺寸线性度低。熔拉法制备锥形微纳光纤，克服了传统制备方法的不足，具有可操控、一致性强、耦合效率高的特点[15]。Brambilla等通过改进商用光纤耦合器制作装置的加热源，高重复性地制备了超低损耗的微纳光纤。此外，Harfenist等、Yang等、Gu等和李宝军等还通过各种方法制备具有良好光学传输特性的高分子材料微纳光纤[7]。李建辉等人采用火焰刷法对单模光纤进行加热拉锥，形成具有微纳米量级纤芯半径的光波导结构，并引入不同的绝热系数对低损耗锥形光纤进行优化，使其满足绝热标准，设计出恒定锥角为2 mrad，波长为400微米，纤维半径4微米具有最佳形状的低损耗锥形光纤[6]。吕迅，官洪运在当前普遍采用的熔融拉锥控制系统的基础上，提出了两点改进方案，即通过增加张力传感装置和图像处理系统，使控制系统的自动化程度更高，从而进一步减少人为因素的影响[16]。但是如何根据应用和需要制作所需长度、直径的微纳光纤需要进一步研究，同时微纳光纤的可重复性制作是其实用化的关键[10]。黄永刚等人通过设计高透过、高折射率的光纤光锥芯玻璃材料，制备出高透过率的光纤光锥[12]。周敏雯等通过对参数的优化处理，提出低损耗、高重复性的微纳光纤加热拉伸制备工艺方案[13]。综合以上制备方法，化学腐蚀法由于加工工艺的限制，很难满足制备微纳光纤的参数要求，且化学腐蚀法受环境影响比较大，制备出的微纳光纤表面不够光滑、腐蚀溶液对人体有危害。而熔融拉伸法制备出的微纳光纤表面光滑、直径均匀、操作安全。所以熔融拉伸法是本次实验所采用的制备方法。

为了做出更加便于实际运用的光纤光镊，必须在制作微纳光纤的时候确定每一个参数的取值范围，本次研究就是通过不断实验对比，最终设计并制备出符合制备光线光镊条件的微纳光纤。

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2. 研究的基本内容与方案

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基本内容：了解光纤光镊的基本原理，利用熔拉法制作微纳光纤光镊，在显微镜下观察和记录制备出的微纳光纤的锥区锥角角度和光纤直径，并讨论相关影响因素对熔融拉锥型微纳光纤研制工艺的影响。掌握光镊的基本知识，了解相关实验仪器用具的基本操作，利用熔融拉锥平台制备熔融拉锥型微纳光纤，记录微纳光纤输入输出功率及损耗，并在显微镜下测量和记录微纳光纤基本参数，分析实验过程中因素对于实验结果的影响。

目标：在以往研究得出相关参数基础上进行熔拉法制备微纳光纤的实验并最终制备出直径为800纳米左右的适合应用于光纤光镊的微纳光纤。

拟采用的技术方案及措施：制备微纳光纤的常用方法是，通过热源对去掉涂覆层的标准单模光纤的部分区域进行加热，使光纤软化，再从加热区域的一端或是两端，进行手动或是机械拉伸，从而使加热区域的光纤的物理尺寸变细，可得到直径仅数百纳米的微纳光纤。本次实验采用熔拉法，与普通方法不同的是，在去掉涂覆层这一阶段我们要采用3次清理的方法。实验过程中可通过改变火焰到光纤的距离以及氢气流量和火焰的移动范围来改变加热条件，同时还可以通过改变拉伸设备的速度来改变锥形光纤的形状（锥角和光纤直径），最终导致制备出的微纳光纤的形状和性能不同，通过多组实验反映出相应的关系，并力求得出最佳性能的光纤光锥制作过程中的相关参数并最终达到目的。3. 参考文献

[1] Kenny R P , Birks T A , OakleyK P . Control of optical fibre taper shape[J]. Electronics Letters, 1991,27(18):1654-1656. [2] Birks T A ,Li Y W . The shape of fiber tapers[J]. Journal of Lightwave Technology, 2002,10(4):432-438. [3] Xin H , Li B. Targeted delivery and controllable release of nanoparticles using adefect-decorated optical nanofiber[J]. Optics Express, 2011,19(14):13285-13290. [4] Harun S W ,Lim K S , Tio C K , et al. Theoretical analysis and fabrication of taperedfiber[J]. Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2013,124(6):538-543. [5] Holleis S ,Hoinkes T , Wuttke C , et al. Experimental stress-strain analysis of taperedsilica optical fibers with nanofiber waist[J]. Applied Physics Letters, 2014,104(16):043001-103.. [6] Jianhui L I , Yongtang Z , Fang W . The Design of a High Quality and Minimum Wavelength ofUltra-low-loss Tapered Optical Fiber[J]. Acta Photonica Sinica, 2016,45(7):70706005. [7]Miller J , Castaneda A , Lee K H , et al. Biconically tapered fiber optic dip probe for rapid label-free immunoassays[C]// Spie Bios. Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications XIV, 2014. [8] 吴平辉, 程波, 刘燕萍, et al. 微纳光纤的研究进展[J]. 光通信技术, 2012, 36(10):32-34. [9] 张庭, 刘颖刚, 刘鑫, et al. 微纳光纤的制备及其光学特性研究[J]. 压电与声光, 2018, 40(05):69-73. [10] 赵淑平. 微纳光纤制备技术概述[J]. 企业导报, 2013(17):205. [11] 李煌. 光纤光镊设备的制备与研究[D]. 中国科学技术大学, 2014. [12] 黄永刚. 高耦合短锥比光纤光锥制备技术[J]. 中国建材,2016,(第8期). [13] 周敏雯, 李新碗. 微纳光纤加热拉伸制备工艺的研究[J]. 电子技术, 2011, 38(2):80-82. [14] 高淑娟. 锥形微纳光纤传输特性研究[D]. 浙江大学, 2008. [15] 冯妮, 张会新, 卢一男, et al. 高性能锥形微纳光纤制备及其传输特性研究[J]. 仪表技术与传感器, 2013(12):1-3. [16] 吕迅, 官洪运. 熔融拉锥控制系统的改进[J]. 江南大学学报：自然科学版, 2003, 2(6):597-600.

1．目的及意义

光镊最早是由Ashkin提出的，光镊是单光束梯度力势阱的简称，是基于光作用于物体的辐射压力和梯度力相互作用而形成的势阱。1970年，Ashkin 等首先提出能利用光压操纵微小粒子的概念，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子越来越小；直到1986 年，Ashkin 等人采用大数值孔径显微物镜会聚单束激光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。这标志着“单束光梯度力阱”的诞生，简称为“光镊”。由于光镊可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵，因此光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面，特别适合于生物大分子、生物细胞的研究，如人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力及对膜体系进行定量研究。

传统的光镊使用高数值孔径的显微镜物镜来聚焦激光束。基于显微镜的光镊仪器不可避免的体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小等缺陷固然限制了普通光镊的应用，因此很难操纵位于狭窄位置的微粒，多光镊操纵也变得更加困难。这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。然而，新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。其中微纳光纤的制备技术是关键。

作为光纤光学与纳米技术的完美结合，微纳光纤是近年来发展起来的光纤光学及微纳光子学等领域的前沿研究方向之一。近年来，微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。微纳光纤具有极低的耦合损耗、粗糙度极低的波导表面、高折射率差的强限制光场、大百分比的倏逝场、极轻的质量和灵活的色散特性等优点。光学捕获和传输技术为纳米目标的操作提供了一种具有极高精度的靶向性和非侵入性方法，使得光学操作在DNA、肌球蛋白、肌动蛋白等生物分子的研究中得到了广泛的应用。传统光镊捕获和操纵物体的原理是使用高数值孔径的显微镜物镜对激光束进行聚焦，产生对物体的光力。然而在基板或光纤上制作的亚波长直径波导中存在的倏逝波场也能产生强大的光力，可以在比传统光镊更大的操作区域内操纵粒子，粒子被捕获并且沿着倏逝波传播方向被推进。因此，可以利用锥度、亚波长线、纤维环等光纤结构来捕获和操纵单粒子、微球和大质量介电粒子。所以说微纳光纤是一种很好的粒子捕获、传输、组装和释放工具[3]。因此，对微纳光纤制备技术方向的研究显得极为重要。

微纳光纤的制备方法有化学腐蚀法和熔融拉伸法。化学腐蚀法对腐蚀环境要求较高，腰锥尺寸线性度低。熔拉法制备锥形微纳光纤，克服了传统制备方法的不足，具有可操控、一致性强、耦合效率高的特点[15]。Brambilla等通过改进商用光纤耦合器制作装置的加热源，高重复性地制备了超低损耗的微纳光纤。此外，Harfenist等、Yang等、Gu等和李宝军等还通过各种方法制备具有良好光学传输特性的高分子材料微纳光纤[7]。李建辉等人采用火焰刷法对单模光纤进行加热拉锥，形成具有微纳米量级纤芯半径的光波导结构，并引入不同的绝热系数对低损耗锥形光纤进行优化，使其满足绝热标准，设计出恒定锥角为2 mrad，波长为400微米，纤维半径4微米具有最佳形状的低损耗锥形光纤[6]。吕迅，官洪运在当前普遍采用的熔融拉锥控制系统的基础上，提出了两点改进方案，即通过增加张力传感装置和图像处理系统，使控制系统的自动化程度更高，从而进一步减少人为因素的影响[16]。但是如何根据应用和需要制作所需长度、直径的微纳光纤需要进一步研究，同时微纳光纤的可重复性制作是其实用化的关键[10]。黄永刚等人通过设计高透过、高折射率的光纤光锥芯玻璃材料，制备出高透过率的光纤光锥[12]。周敏雯等通过对参数的优化处理，提出低损耗、高重复性的微纳光纤加热拉伸制备工艺方案[13]。综合以上制备方法，化学腐蚀法由于加工工艺的限制，很难满足制备微纳光纤的参数要求，且化学腐蚀法受环境影响比较大，制备出的微纳光纤表面不够光滑、腐蚀溶液对人体有危害。而熔融拉伸法制备出的微纳光纤表面光滑、直径均匀、操作安全。所以熔融拉伸法是本次实验所采用的制备方法。

为了做出更加便于实际运用的光纤光镊，必须在制作微纳光纤的时候确定每一个参数的取值范围，本次研究就是通过不断实验对比，最终设计并制备出符合制备光线光镊条件的微纳光纤。

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2. 研究的基本内容与方案

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基本内容：了解光纤光镊的基本原理，利用熔拉法制作微纳光纤光镊，在显微镜下观察和记录制备出的微纳光纤的锥区锥角角度和光纤直径，并讨论相关影响因素对熔融拉锥型微纳光纤研制工艺的影响。掌握光镊的基本知识，了解相关实验仪器用具的基本操作，利用熔融拉锥平台制备熔融拉锥型微纳光纤，记录微纳光纤输入输出功率及损耗，并在显微镜下测量和记录微纳光纤基本参数，分析实验过程中因素对于实验结果的影响。

目标：在以往研究得出相关参数基础上进行熔拉法制备微纳光纤的实验并最终制备出直径为800纳米左右的适合应用于光纤光镊的微纳光纤。