摘 要

光纤探针作为光镊技术的重要工具，如何高效制备优质的探针成为研究的重要课题。

本文采用管腐蚀法制备锥形光纤探针，考察了腐蚀时间、光纤插入深度等因素对探针形貌的影响，并与静态腐蚀法制备的光纤探针的形貌进行了对比。结果表明：光纤侧向腐蚀速率会随其插入深度的增加而加快，其锥区长度也会有所改变。通过调整光纤的插入深度和腐蚀时间，我们可以控制探针的锥区尺寸。

本文通过特殊的端面处理技巧，对实验过程中的倒锥角结构，进行了有效的改进，并对此类探针的形貌和捕获效果进行了观测。结果表明：此类探针的表面光滑度显著优于其他腐蚀方法，对酵母菌也有明显的捕获现象。所得结果对于现有探针制备方法的改进提了供新的思路，具有较高的研究意义。

关键词：管腐蚀法；表面形貌；光镊；光捕获；倒锥角

Abstract

The optical fiber probes as an important tool of optical tweezers, how to efficiently manufacture them with high quality has become an important research.

Fiber probes were fabricated using the tube etching method. Then the morphology of the probes affected by such parameters as the time evolution of the tip shapes and the dipping length was investigated and compared with that of the probes fabricated via the static etching. The results indicate that: the longer the dipping length, the more HF laterally diffused into the tube, and the higher rate of etching products resulted. Meanwhile it will also change the taper length. By adjusting the dipping length and the time of etching, we may control the size of the final tip.

Through the end of special processing techniques, the inverted cone angle structure is improved effectively. Meanwhile the morphology and capture effects of this probe were observed. The results showed that the surface smoothness of this probe was significantly better than the other methods .In addition, the phenomenon was also observed. The results obtained above provide new ideas for the improvement of existing probe preparation methods and have high research significance.Key Words：tube etching method; the morphology of the probes; optical tweezers; optical trapping; inverted cone angle

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究光纤探针的意义 1

1.1.2 选题的意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 探针的制备方法及比较 2

1.2.2 探针的应用 3

1.3 本文的工作内容 3

第2章 管蚀法及光纤光镊的基本原理 5

2.1 探针的理论模型 5

2.2 管腐蚀法的基本原理 5

2.3 光纤光镊的基本原理 7

2.3.1 光镊的捕获原理 7

2.3.1 光操控 8

2.3.3 光阱力 8

第3章 实验及结果 9

3.1 实验准备工作 9

3.1.1 实验装置 9

3.1.2 光纤腐蚀速率的测量 10

3.2 管腐蚀法制备光纤探针 15

3.2.1 密闭式——管腐蚀法 16

3.2.2 传统管腐蚀法 18

3.3 光纤探针捕获实验 20

3.3.1 实验装置 20

3.3.2 实验方法 20

3.3.3 实验结果及分析 22

第4章 总结与展望 24

4.1 工作总结 24

4.2 关于一类特殊制备方法的探讨 25

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

随着科学研究由小型化向微型化发展的趋势，人们对于微观世界的探索也在逐步深入。电子显微镜的发展成为人们对微纳米级粒子的重要观测工具，而光纤探针作为一种能够操纵微小分子的工具，其制备方法和应用领域也受到日益广泛的关注。

1.1 研究目的及意义

1.1.1 研究光纤探针的意义

20世纪60年代，激光的问世为研究近代光学中光与物质的相互作用提供了新的契机，而高简并度的激光束使得光镊技术得以诞生^[1]。光镊技术展示了光具有动量这一基本属性。当一束高度汇聚的光入射到光纤探针时，便产生了光镊，又被称为单光束梯度力光阱，它是利用光的辐射压力来实现对微粒的捕获和操纵的^[2]。

光镊技术的发展，不仅拓宽了光学的研究领域，还为光学与其他学科的交叉研究奠定了基础。由于光镊是通过光场实现与物质的动量和能量交换的，这与传统机械镊子的不同之处在于它利用光的穿透性，能够无阻碍的穿透粒子表面实现隔空操作而不会对微观粒子产生机械式损伤。并且由于其能在液体环境中工作，从而能够很好的适用于生物细胞的捕获。这也使得光纤探针在生物医学方面具备明显的优势，为我们探索微观世界等诸多方面奠定了坚实的基础。

此外纳米级光纤探针也可应用于扫描近场显微镜（scanning near-field optical microscope，SNOM）、测量物体表面粗糙度等方面。在SNOM的应用中，当波长高于探针尖端的尺寸时，探针可作为光源或探测器，来获得物体表面倏逝场的超高频信息，以此获得超高的分辨率^[3]。分辨率受到探针形状和锥角尖端尺寸的影响，因此如何制备具有高分辨率和高透过性的探针仍是当下研究的热点问题。

1.1.2 选题的意义

目前光纤探针的制备仍存在一些瓶颈，主要表现在实验可重复性不高、成本较高、探针形貌不稳定等；虽然借助实验设备能够完成大锥角、短渐变区长度的探针，但是实验过程复杂。此外腐蚀的时间很难精准把握，极易出现腐蚀未完成或腐蚀过度的结果。因此，如何高效制备形貌俱佳的探针成为人们研究的重点。

上世纪90年代，R. Stöckle 和P. Lambelet 各自独立提出了管腐蚀方法来制作近场扫描显微镜光纤探针^[4][5]。而管腐蚀法相比于标准的化学腐蚀法确实表现出一定的优越性。两者虽然都是借助HF和包层的化学反应，但是在技术上还是有一定区别。标准的化学腐蚀在腐蚀之前需要预先剥离光纤的涂覆层，然后将光纤垂直插入HF溶液中，最终由于重力和表面张力的作用，在光纤、HF和封闭液之间形成新月面。新月面的高度和光纤的直径表现为正比例关系，随着反应的进行，光纤包层的直径逐渐减小，新月面的高度也逐渐下降，直至在光纤末端形成锥角。由于在腐蚀过程中，新月面的高度极易受到温度、气流、振动等因素的影响，所以导致此种方法制备的探针表面较粗糙，光通过表面的泄漏比较严重，探针的透光率不高。而管腐蚀法由于探针形成于光纤的涂覆层内，可以有效的避免周围环境等因素的干扰，从而大大提高了探针表面的质量和实验的可重复性。此外相比于熔拉法高昂的仪器设备，管腐蚀法也具有操作简单、成本低的优势。