杨剑鑫，史可樟，李锡均，郑嘉鹏，史 萌，蔡 祥，朱德斌，邢晓波，*

(1. 华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波中心，广州510006;2. 华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学教育部重点实验室，广州510631;3. 华南师范大学物理与电信工程学院，广州510006;4. 广东职业技术学院轻化工程系，佛山528041)

21世纪中期，随着光子器件向集成化和小型化方向发展，研究光与物质的相互作用受到越来越多的关注. 微纳光纤(MNF)作为一种典型的微纳光波导，具有强倏逝场效应、强光场约束、传输损耗低、制备工艺简易等优异特性，是构建微纳米级器件的重要元件［1］. 随着研究的逐渐深入，MNF 与各种功能化材料(如荧光染料［2］、金属纳米颗粒［3］等)相结合，成功制备了功能化微光子器件. 通光后，MNF 表面的强倏逝场与功能化纳米材料相互作用，产生诸如光致发光、等离子体共振等效应［2－3］，极大扩展了MNF 微光子器件的研究与应用领域. 因此，将具有光波导的MNF 巧妙地与功能化纳米材料结合起来，制备光激发MNF 器件的方法，对于纳米光子学的发展具有重要意义.

氧化石墨烯(GO)作为石墨烯的衍生物，既包含有导电的sp2杂化碳晶格，又含有绝缘的sp3杂化碳基体，使其具有非凡的光电、光热以及机械性能，在诸如光学、光电子学以及生物医学等领域具有潜在应用［4］. 最近研究表明，在近红外波段，GO 具有强烈的光热效应，使之成为一种潜在的光疗药剂［5］.Zhang 等［6］通过使用GO 作为光疗药剂，提高了癌症的治疗效能. Markovic 等［7］证明对于相同的辐射条件，GO 展示出了比碳纳米管更优良的光热性能. 基于MNF 倏逝场的微粒捕获技术已经成熟［8］，为MNF 功能化器件的制作提供了新的思路.

直径在微米量级的气泡，简称微泡. 它具有存在时间长、传输效率高、界面电位高等优良性质［9－10］，在微流阀、微流混合、微流泵等研究领域［11］有着广泛的应用. 常见的光热微泡是通过聚焦激光照射吸收性液体［12］、金属纳米颗粒［13］、金属薄膜［14］等发生光热效应或等离子体效应，从而诱发液体剧烈相变产生的. 然而，产生效率较低且所需的激光功率较大. 本文基于MNF 的倏逝场效应和GO 的光热效应，利用GO-MNF 微加热器产生的热量诱导周围液体相变产生微泡，所需的激发能量仅40 mW，远小于其他案例［12－14］. 这里，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的沸点为152.8 ℃，证明沉积少量GO 的MNF 能产生152.8 ℃的高温. 因此，GO-MNF 是一种性能优异、光驱动的微加热器.

1 器件组装

1.1 微纳光纤的制备及其倏势场效应

通过熔拉法［15］拉制普通二氧化硅单模光纤得到MNF. 将单模光纤上的外层涂覆层剥离，并用酒精将裸纤上残留的碎屑、灰尘洗净. 此后将其固定在酒精灯外焰处加热至熔融态，同时开动步进电机往两端匀速水平拉制光纤. 如图1 中插图所示，拉制出来的MNF 表面光滑呈锥形. 与普通光纤以全反射的方式传输光信号不同，MNF 将有大部分能量以倏逝场形式在纤芯外部传输. Tong 等［16］从理论上证明了随着MNF 直径的减小，以倏逝场形式传输的能量将会变强，相应的约束在光纤直径范围内的能量将会减弱. 本文用时域有限差分法(FDTD)，对锥形MNF(长为150 μm、最大直径5 μm、端面直径2 μm)的光传输特性进行了分析，模拟区域是1个250 μm×100 μm 的矩形. 这里，MNF 长150 μm，最大直径5 μm，端面直径2 μm，工作波长为1 550 nm，锥形光纤的折射率为1.47，矩形区域的折射率定为DMF 的折射率1.428. 通过模拟可以看出，光场以MNF 为轴线呈对称分布(图1). 光能量分为2 部分，一部分将沿MNF 表面以倏逝场的形式传播，随着MNF 直径的减小，倏逝场效应会越来越强;另一部分在MNF 内部传播并汇聚在MNF 端面处，产生较强的光强梯度. 已有文献证明，倏逝场对其作用范围内的微粒存在梯度力，可应用于微粒的捕获与聚集［17－18］. 同时，光从光纤末端射出，端面附近的光也对微粒产生梯度力，用于光操控［19］. 这种捕捉微粒的效用与光镊相似，而光镊需要复杂的透镜系统对激光束进行聚焦准直. 基于MNF 的捕获具有成本低、操作简便的优势，能弥补光镊捕获的不足.本文利用锥形MNF 的倏逝场以及末端出射的光场将功能化材料吸附在其表面，从而实现功能化材料与MNF 的融合.

图1 波长1 550 nm 的光输入锥形MNF 的光场模拟图Figure 1 Simulated energy density distribution around a tapered MNF in DMF at the wavelength of 1 550 nm

1.2 氧化石墨烯的制备及其表征

通过改进汉姆法制备得到氧化石墨烯［20－21］.首先在80 ℃水浴加热条件下，将天然鳞片状石墨加入盛有浓硫酸、过硫酸钾和五氧化二磷混合液的三口烧瓶中，搅拌2 h，随后自然冷却，再用去离子水(DW)洗至中性，并用0.2 μm 微孔滤膜过滤，所得产品放入干燥箱中，在室温下干燥24 h，得到纯化的石墨. 将纯化后的石墨放入盛有浓硫酸的三口烧瓶中，在冰浴条件下，边搅拌边加高锰酸钾，反应2 h后，用DW 稀释;接着，在50 ℃下，将体积分数为30%的双氧水加入到上述混合物中，释出GO. 用1∶10 的盐酸溶液去除混合物中的残酸和金属离子，用离心机在8 000 r/min 的条件下离心5 min，去除未反应的天然鳞片状石墨，即可得到纯化的GO. 将上述GO 经透析、离心、干燥工序制成粉末状. 将GO 粉末溶于DMF 溶剂中，经过3 h 的水浴超声(KQ218，60 W)处理，即制成实验所需的GO-DMF悬浮液. 图2 描述了在1 200 ～1 600 nm 波段浓度分别为0、0.05、0.20、0.50 mg/mL 的GO-DMF 悬浮液的吸收光谱图. 随着浓度的增加，悬浮液对光的吸收显著增强. 表明在近红外波段，所制备的GO具有优异的光热转换性能.

1.3 器件的组装、原理和过程

图2 不同GO 浓度的GO-DMF 悬浮液吸收光谱图Figure 2 Absorption spectra of GO-DMF suspensions with different GO concentration

图3 GO-MNF 微加热器组装原理图Figure 3 Schematic of experimental setup for assembling GOMNF

图3 为组装GO-MNF 微加热器的实验装置. 光源由自发辐射光源(ASE)连接掺铒光纤放大器(EDFA)而成，输出功率≤100 mW、波长范围在1 527 ～1 566 nm 的近红外光. 利用装有CCD 的倒置荧光显微镜作为观察工具，清晰观察并记录实验现象. 光纤被固定在三维微调整架(MR)上，一端与光源相连接，另一端被拉制成MNF 并浸没在GO 悬浮液中.

图4 为GO-MNF 的组装过程. 打开光源初期，在MNF 尖端的光场作用下，悬浮液中的GO 汇聚移动并排列成一条线，之后向两边扩展. t =25 s 时，GO 开始附着在MNF 的尖端(图4B). 由于激光被GO 吸收和散射，激光对悬浮GO 的作用力减弱，因而无法驱动GO 微粒. 由于GO 的光热效应，GO 不断吸收光并产生热量，形成温度梯度，诱导产生自然对流［22］. 自然对流作为新的驱动源，不断驱使悬浮的GO 进行环流运动，其驱动的速度远大于光场梯度力的驱动速度. 在此过程中，悬浮的GO 微粒靠近光滑的MNF 时，散射产生的倏逝场将GO 捕获［19］. 因此，GO 沿着光源传播的反方向不断沉积.t=50 s 时，在MNF 上的GO 沉积长度为52.5 μm(图4C). t=75 s 时，断开光源，沉积停止，组装的GO 沉积长度达81 μm(图4D). 表明通过控制光源的开关可以简易地控制GO 的沉积状态.

图4 不同时间GO-MNF 微加热器组装的显微镜图像Figure 4 Microscope images of the fabrication of GO-MNF microheater after the light is launched into the fiber at different time

在范德瓦耳斯力的作用下，GO 沉积即使在无光作用下也能紧紧吸附在MNF 上. 图5 为GO-MNF的扫描电子显微镜(SEM)观察形貌的图像，GO 在MNF 上沉积不均匀，但吸附紧密，不易脱落.

图5 GO-MNF 微加热器的SEM 图像Figure 5 A typical SEM image of a GO-MNF microheater

2 器件的性能及应用

本文基于GO 的光热效应，利用GO 沉积的MNF 在小功率红外光λ 射下产生的热量诱导周围液体相变产生微泡. 为了定量描述各种液体内光热微泡的生长现象，以光热微泡的直径来表示其生长情况. 由图6A 可知，t=0 s 时，微泡开始出现，持续生长至t=10 s 时达到最大(微泡直径D =129.94 μm). 然后，微泡爆裂并在相同位置重新生长. 按上述生长规律不断地循环. 由图7 可知DMF 溶液中微泡的生长具有周期性(t =10 s)，直径最大值在128 ～138 μm 范围. 与DMF 溶液不同的是，DW 微泡始终固定在生长点处，持续生长(图6B). t =10 s时，D=87.14 μm;t=20 s 时，D=124.01 μm;t =30 s后，直径基本保持在D =127.14 μm. 如图7 所示，DW 微泡的生长经历了快速增长与稳定不变2个阶段. 整个生长过程并未发生爆破.

通过大量的实验发现，在DMF 中产生的微泡，按一定周期循环生长，具有循环周期短、直径大的特性.在短时间内，微泡大范围重复搅动周围液体，因此，可应用于微流操控领域［23］. 而在去离子水中，微泡在生长过程中结构稳定，不易破裂. 当生长到极大值后，长期稳定存在，可用于聚集微粒等领域［14］.

图6 DMF 及DW 光热微泡的生长光学显微镜图像Figure 6 Optical images about the photothermal microbubbles generated in DMF and DW

图7 DMF 及DW 光热微泡的生长规律Figure 7 The growth situation about the photothermal microbubbles generated in DMF and DW

3 结论

利用MNF 的倏逝场效应成功组装了GO-MNF光控微加热器. 利用GO 优异的光热转换性能，在DMF、去离子水等溶剂中生成性质各异的光热微泡.各类微泡可按其生长规律应用于不同的微操作领域. DMF 微泡大范围重复搅动周围液体，可应用在微粒操控领域. 水微泡具有极强的稳定性，可应用在微粒聚集等领域. 因此，GO-MNF 光控微加热器在微机电系统、微流控芯片等领域具有良好的应用前景.

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