论文摘要
激光微束技术是一种新型的光学生物显微操控技术,它包括激光光镊和激光光刀两种性质不同的生物微操控手段。光镊技术是利用光子的动量传递所产生的梯度力捕捉细胞、病毒、生物大分子等。而光刀技术利用的是紫外高强度的短脉冲激光束的光蚀除作用,可以对细胞壁、染色体等生物组织进行精确的激光微手术。光镊与光刀二者组合形成的激光微束技术功能更加丰富,是生命科学研究中不可或缺的研究手段。本论文围绕激光光镊与光刀的基本功能要求,结合本实验室LOTⅡ型光镊仪器和近场光学的研究方向,对激光微束系统作了相关理论设计和实验研究。本论文包括两方面主要内容:其一是激光微束系统的设计及实验,包括与光镊捕获相关的实验内容、激光光刀耦合光路的设计和实验等。其二是微纳米光纤器件的研制加工,包括近场光学纳米光纤探针的研制和微米尺度透镜光纤的加工。微纳米光纤器件的研制是为近场光镊光刀技术、光纤光镊光刀技术、激光光源与光纤的高效耦合提供器材上的支持,外形和尺寸合适的光纤器件是上述研究所必备的。本文前两章概述了激光光镊技术的发展历史,理论方法及最新研究进展,介绍了紫外激光光刀的作用原理、特点,追述和展望了激光微束技术历史和前景。分析了近场光镊技术的优势以及目前的研究现状和存在的主要问题。对化学腐蚀加工近场光纤探针的方法作了详尽的推导、介绍和分析,为后文的展开作了理论铺垫。基于LOTⅡ型光镊系统,使用40×和100×显微物镜进行捕获酵母菌的实验,对实验结果进行了对比。分析了聚焦物镜数值孔径（NA）的大小对光镊捕获精度、操作稳定性和捕获功率的影响。对大尺寸的乳腺癌细胞和不规则形状的大鼠海马神经元细胞进行的光学捕获,对结果进行了分析。提出了光镊与膜片钳组合研究悬浮细胞电生理特征的设计方案,对该方案的可操作性做了实验验证。在光镊仪器的基础上设计了光刀耦合光路,分析和计算了插入分色镜转镜对光镊光路的影响、转镜对光刀焦点的位移控制,不同波长经物镜聚焦后产生的位置色差,计算了FTSS 355-50型紫外脉冲激光器的光束参数乘积,计算和设计了满足实验要求的耦合透镜的参数。使用紫外激光光刀对洋葱表皮细胞进行了初步穿孔实验。采用电弧热熔微拉伸与静态腐蚀相结合的方法研制出大锥角近场纳米光纤探针尖。采用管腐蚀法研制了纯石英纤芯紫外多模微米尺度光纤探针。使用化学腐蚀与电弧热熔结合的方法制作了具有微米量级曲率半径的紫外光纤微透镜,微米尺度紫外光纤器件的研制可以为光纤光刀的研究提供器件支持。对腐蚀热熔法制作球锥形光纤微透镜进行了研究,提出热融光纤锥平端面成半球端面的几何计算模型,已知光纤锥的锥顶尺寸和锥角,可以计算出热融加工后的球透镜曲率半径。根据腐蚀光纤直径与腐蚀时间具有线性变化关系,通过对腐蚀过程中光纤的取样分析,确定腐蚀速率,根据加工设计要求,计算出腐蚀时间,严格控制腐蚀时间,使用腐蚀—切割—熔融三步法可以加工出与设计尺寸符合较好的多种曲率半径的球面透镜光纤。论文的研究结果表明:（1）捕获聚焦镜的数值孔径NA对捕获的稳定性和精度影响很大。NA越大,光束的会聚度越高,梯度力越强,捕获稳定性就越高。使用小NA物镜作捕获时,发现了轴向可以捕捉多个粒子的现象,说明轴向捕获精度低。大NA物镜的光镊捕获没有发现这个现象,说明NA越大,捕获精度越高。光镊的捕获效率与光源的光束质量密切相关。光束质量越好,捕获效率越高。另外,光镊可以操纵比光斑尺寸大数倍的粒子。光镊与膜片钳组合研究悬浮细胞电生理特征的设计方案在实验上是可行的。（2）利用在光镊光路中插入设计参数合理的红透紫反分色镜的方法,可以将激光光刀光源耦合入光镊系统,而不会影响光镊的捕获操作。可以通过转动转镜的方法对光刀焦点位移进行控制,完成光刀切割操作的功能设计。FTSS 355-50型紫外光源的光束参数特征满足光纤耦合基本要求,通过设计耦合透镜,能够满足高效耦合的条件。光刀对洋葱表皮细胞的穿孔实验表明,光斑能量分布决定了穿孔的形状,脉冲个数多少与穿孔的面积直接相关,光蚀除与光热作用同时存在。（3）采用电弧加热微拉伸热熔与静态腐蚀相结合的方法可以研制出近场光学成像所需的大锥角纳米光纤探针。成品探针锥形过渡区内纤芯不随包层同步锥化,其光透过率要高于热拉伸法制作的探针,探针锥角大于静态腐蚀法,有利于提高光传输效率,热微拉伸步骤减小了需要腐蚀掉的包层体积,使腐蚀时间减少,降低了腐蚀过程中不确定因素的影响,可以提高探针的成品率。（4）采用腐蚀—切割—热熔三步法可以制作出各种曲率半径的球面光纤微透镜。根据化学腐蚀光纤锥直径随腐蚀时间的线性变化关系以及电弧熔融前后光纤材料体积不变的特点,推导出光纤球面微透镜曲率半径与腐蚀时间之间的关系,通过控制腐蚀时间来制作具有指定曲率半径大小的球面透镜光纤。
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