雙向錐體光纖微小粒子旋轉器的製作方法
2023-05-19 03:51:51
專利名稱:雙向錐體光纖微小粒子旋轉器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微小粒子旋轉器，特別是一種利用錐體光纖形成的倏逝場產生光輻射壓力驅動雙體微小粒子旋轉的旋轉器。
背景技術：
近些年來，微全分析系統(μ TAS)也稱為單晶片上構建的實驗室已經在醫學研究、生物應用分析和化學領域掀起了巨大的研究浪潮。由微小粒子構成的旋轉器在微流系統中充當攪拌器這一至關重要的角色，因此設計和製備微小粒子旋轉器變得也越來越重要。為了獲得更高性能的旋轉器，人們開始使用光碟機動。
1936年，R.A.Beth在實驗上讓一束圓偏振光通過細絲懸掛的半波片，首次利用光束中光子的角動量實現了物體的旋轉。自此以來人們一直在不停的探索著實現光致旋轉的方法。自從 1986 年 Askin 在 Opt.Lett.11, 288-290 上發表文章 「Observation of asingle-beam gradient force optical trap for dielectric particles，，把單束雷射弓I入高數值孔徑物鏡形成了三維光學勢阱，實現了對粒子的三維空間控制，因為此光束可以實現空間對微小粒子的夾持，因此得名「光鑷」。也同時促進了光致旋轉的發展，光鑷是依靠一束強聚焦雷射光束通過一個透明粒子(其折射率大於周圍介質的折射率)時產生的梯度力形成三維捕獲阱的。光鑷已經在物理、生物、膠體化學、納米科學等很多微觀科學領域得到了越來越廣泛的應用，人們已經利用光鑷來捕獲、操縱各種微小粒子，如細菌、動植物的細胞、聚四氟乙烯小球等。1991年Sato利用一束旋轉的高階Hermite-Gaussian光，首次實現了雷射光阱中粒子的光致旋轉。目前實現光學旋轉主要採用三種方式:第一種方式是利用自旋角動量實現光致旋轉。第二種方式是利用軌道角動量引起的光致旋轉，軌道角動量與光場的特定空間分布相聯繫，凡是場分布不均勻的光束一般都攜帶有軌道角動量。第三種方式是設計製作具有特定外形結構的微型器件，利用器件對光束的反射、折射、吸收等相互作用來實現器件的旋轉(祝安定，劉宇翔，郭銳，等.一種微型轉子的雷射加工和光致旋轉.光電工程.2006，33 (I):10-13)。使用特殊形狀如風車狀的微粒，光束本身不攜帶角動量，可以是線偏振光也可以是非偏振光，其光致旋轉的原理類似風吹風車轉動，光場的光壓力作用在風車狀的微粒上會產生扭矩從而使微粒旋轉，其轉速與光強成正比(Bingelyte V, Leach J, Courtial J.0ptical Controlled Three-dimensional Rotationof Microscopic Objects.Appl.Phys.Lett.2003, (82):829-831)。匈牙利科學院的 Ormos小組在這方面做了大量的研究工作。這種方法的優點是微粒的轉速與方向可以人為控制，缺點是受到微粒的形狀的限制。Bayoudh等人使用此方法成功地旋轉了菠菜的葉綠體。另外還有雙光纖法、雙光阱法、幹涉雷射模式法等多種巧妙的方法。這些光學旋轉方法的巧妙之處一般都在於光阱雷射模式的選擇以及光路的設計思想，但是樣品粒子的製作對加工工藝依賴性比較強，這些方法還有待進一步改進和完善。但目前為止都是採用雷射形成光鑷進行驅動。由於雷射光鑷體積比較龐大，不易移動，造價高等不足我們提出雙向錐體光纖進行驅動。[0004]自 1992 年 S.Kawata 和 T.Sugiura (S.Kawata and Τ.Sugiura, 「Movement ofmicrometer-sized particles in the evanescent field of a laser beam,，，Opt.Lett.17，772-774，1992)第一次證明了可以用稜鏡產生的倏逝場對微粒進行操縱後，基於倏逝場的微粒操作得到了逐步的發展。人們利用光波導產生的倏逝波對多種微粒的操作進行了 研究。Grujic 等(K.Grujic, 0.G.Helles0, J.S.Wilkinson and J.P.Hole,「Optical propulsion of microspheres along a channel waveguide produced byCs+ion-exchange in glass, Opt.Commun.239, 227-235, 2004)對沿著銫離子交換法製作的波導運動的微粒進行了研究，使小生物分子吸附在乳膠球上進而可以被光場操縱，並且用同樣的方法製作了 Y形分支結構的波導，通過改變在多模主幹波導的光場分布來觀測分支結構對微粒的篩選效率(K.Grujic, 0.G.Helles0, J.S.Wilkinson, J.P.Hole,「Sorting of polystyrene microspheres using a Y-branched optical waveguide」，Optics Express 13(2005) 1-7)。Gaugiran 等(S.Gaugiran, S.Getin, G.Colas, A.Fuchs,F.Chatelain,J.Derouard,and J.M.Fedeli, 「Optical manipulation of microparticlesand cells on silicon nitride waveguides,，，Opt.Express, vol.13, pp.6956-6963,Sep.2005)他們對無便籤的紅細胞和酵母細胞進行操縱，這是首次把這項技術應用於生物細胞的操作上，並成功對紅細胞和酵母細胞以I μ m/s的速度推進。此外，Yang等(Allen H.J.Yang, Sean D.Moore, Bradley S.Schmidt, Matthew Klug, Michal Lipsonand David Erickson.「Optical manipulation of nanoparticles and biomoleculesinsub-wavelength slot waveguides，，，Nature.Letters, Vol.457, pp.71-75, January.2009)採用狹縫波導對微小粒子的光操縱進行了研究。這種狹縫波導把電磁能量縮減到60nm的尺寸內，以此來克服光的衍射問題。並用這種方法捕獲和傳輸了 75nm的電介質納米球和λ-DNA分子。相比於傳統的點捕獲，這種方法可以看為是線捕獲，因此可以對延展的生物大分子進行直接的操作。而 Shen 等(Fang-Wen Sheu, Hong-Yu ffu, and Sy-Hann Chen.「Usinga slightly tapered optical fiber to attract and transport microparticles，，，OPTICS EXPRESS, Vol.18, N0.6, pp.5574-5579，2010)通過光纖拉錐的方法產生的倏逝場對微粒進行操縱。他們把一根標準的125 μ m直徑的單模傳輸光纖拉成腰直徑為50 μ m的錐形光纖，當通入960m雷射後，可以使10 μ m的微球產生運動。
利用倏逝場光學捕獲與操控的光學系統在微流驅動中體現出較大的優越性。因為基於倏逝場光學捕獲與操控的光學系統的操縱區域不會受到雷射光斑尺寸的限制，僅受限於系統的散射和吸收損耗，此外，增加了器件的集成度，減少了成本，使器件朝著高密度低成本的方向發展。我們還可以利用高折射率材料控制光場能量的分布區域的空間尺寸，使之遠小於自由空間光的波長，從而來實現微納粒子的捕獲與旋轉。
發明內容
本發明的目的在於提供一種在封閉的環境中可進行非接觸操控，操控範圍大，攪拌效率高的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器。
本發明的目的是這樣實現的:
它包括兩根經熔融拉錐後形成的錐體狀光纖和由複合材料製成的雙體微小粒子；兩根錐體狀光纖水平排布，錐體端錯開一定間隙相向排布，並且兩根錐體狀光纖相向一端分別與光源連接；所述雙體微小粒子包括驅動層、攪拌層和連接柱，驅動層和攪拌層通過連接柱連結成一體；雙體微小粒子位於兩錐體狀光纖的錐體端錯開的間隙內；錐體狀光纖使得纖芯中的傳輸光透射出包層並在包層表面形成倏逝場，所產生的光輻射力作用到雙體微小粒子驅動層，旋轉後帶動微粒雙體微小粒子攪拌層。
本發明還可以包括這樣一些結構特徵:
1、所述的錐體狀光纖為兩根標準單模光纖經熔融拉錐切割後得到的錐體狀光纖。
2、所述的錐體狀光纖為兩根表面單芯光纖經熔融拉錐切割後得到的錐體狀光纖
3、雙體微小粒子驅動層位於兩根錐體狀光纖錐體側面相對的中心位置。
4、所述雙體微小粒子的驅動層為密度較小材質製成的具有三個或四個翼的「類風車」結構，攪拌層為密度較大的材質製成的帶有兩個以及兩個以上翼的「螺旋狀」結構，連接柱為與攪拌層密度相同的材質製成的圓柱。
本發明提供了一種新穎的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，它採用由兩根單模光纖或表面單芯光纖經熔融拉錐後形成的錐體狀光纖和複合材料製成的雙體微小粒子組成，其中錐體狀光纖可以使得纖芯中的傳輸光透射出包層並在包層表面形成倏逝場，所產生的光輻射力作用到雙體微小粒子上層稱為驅動層，旋轉後帶動微粒下層旋轉稱為攪拌層，並且兩根錐體狀光纖相向一端分別與光源連接。相對傳統利用雷射驅動微粒構成的旋轉器，它不僅具備體積小、重量輕、結構簡單、價格便宜、易操作、易封裝固定等優點，並且在封閉的環境中可進行非接觸操控，操控範圍大，攪拌效率高，也更方便地修改操作位置，在操控進程中靈活變更結構，並且具有倏逝場利用的區域方便人為操控的巨大優勢。由於採用錐體光纖形成的倏逝場所產生的光輻射力驅動微粒旋轉，避免了由於功率過大灼燒微粒的現象而且系統使得驅動光源裝置和攪拌層分離開，避免由於直接接觸損傷溶劑活性，所以廣泛應用在生物和化學微流系統中。
現雙向錐體光纖微小粒子旋轉器的基本原理是由於標準單模光纖或表面單芯光纖經過熔融拉錐後形成錐體光纖，纖芯中的傳輸光由纖芯輻射出去，在光纖表面形成輻射場或倏逝場，形成了光梯度場，因此在光場附近會產生力場，力的矢量從光功率最小值指向光功率最大值，從而處於光纖表面的微小粒子會受到力的作用，其所受到的合力可以分解為指向光纖纖芯中心的力和沿著光傳播方向的力，這兩個力就是微小粒子受到的捕獲力和推進力。由於兩根相對的錐體光纖相向注入光共同作用微小粒子的驅動層，微小粒子上層受到四個力的作用下，垂直光傳播方向受力平衡，沿著光傳播方向根據光致旋轉的原理類似風吹風車轉動，光場的光壓力作用在風車狀的微粒上會產生扭矩從而使微粒旋轉，其轉速與光強成正比。相對的光傳播方向可以使扭矩疊加，從而獲得更高的轉速。
由複合材料製成的雙體微小粒子是由密度不同的兩種材料製成的微小顆粒，不僅與光束反射、折射、吸收等相互作用來產生扭矩實現旋轉還可以直立懸浮在溶液中。
本發明具有如下優點:
1、本發明提供了一種雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，它採用了新穎的由兩根錐體光纖形成的倏逝場產生的力對微小粒子驅動，相對傳統雷射驅動微轉子裝置，它具備體積小、結構簡單、質量輕、價格便宜、操作自由度大、易操作可以方便地修改操作位置、操控範圍大、攪拌效率高、在操控進程中靈活變更結構。
2、雙向錐體光纖水平相向分布使得微旋轉器裝置下表面水平，易於裝配、固定。[0020]3、由於採用錐體光纖的倏逝場產生的光輻射力驅動微粒旋轉，其光束能夠避免傳統雷射驅動裝置由於功率過大在微轉子的表面產生灼傷的現象。
4、錐體光纖在錐體處形成倏逝場，具有倏逝場利用的區域方便人為操控。
5、利用不同密度材料製成的具有特定結構的微小粒子，使重心在底部，從而使得微小顆粒直立懸浮在液體中，可以穩定驅動粒子旋轉。
6、由於採用雙體結構的微小粒子，分為驅動層和攪拌層，可以使得驅動光源裝置和攪拌層分離開，避免由於直接接觸損傷溶劑活性，所以廣泛應用在生物和化學領域。
圖1基於標準單模光纖拉錐形成的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器示意圖；
圖2基於表面單芯光纖拉錐形成的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器示意圖；
圖3錐體光纖的製備；
圖4-1微小粒子三維空間圖；
圖4-2微小粒子驅動層示意圖；
圖4-3微小粒子攪拌層示意圖；
圖5光源尾纖與表面單芯光纖的焊接對準示意圖；
圖6基於表面單芯光纖製成的錐體狀光纖連接光源尾纖結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述:
結合圖1，本發明第一種實施方式是由兩根標準單模光纖I經熔融拉錐切割後製成的錐體狀光纖2和雙體微小粒子3組成，並且在兩根錐體光纖中相向注入光。因為錐體光纖的特殊結構，纖芯中的傳輸光4以倏逝波5的形式透射出包層並作用在微小粒子3上，這部分透射出來的倏逝場對微小粒子3產生光輻射壓力形成扭轉力矩實現旋轉。
結合圖2，本發明第二種實施方式是由兩根表面單芯光纖6經熔融拉錐切割後製成的錐體狀光纖和雙體微小粒子3組成，並且在兩根錐體光纖中相向注入光。因為錐體光纖的特殊結構，纖芯中的傳輸光4以倏逝波5的形式透射出包層並作用在微小粒子3上，這部分透射出來的倏逝場對微小粒子3產生光輻射壓力形成扭轉力矩實現旋轉。
本發明的製作過程為:
製作過程1:
1、錐體狀光纖的製作:如圖3所示，取兩段連接有光源的標準單模光纖，分別祛除塗覆層，清洗乾淨，固定在可移動的V型槽內，利用氫氧焰對處於水平狀態的單模光纖的局部進行加熱並施以軸向拉力，使光纖局部軟化部分逐漸被拉細，使得光纖受熱變細的腰處直徑近似接近並大於單模光纖芯徑，停止拉伸，然後用光纖切割刀在距離腰處8—定距離的9處進行垂直切割，端面切割平整，再次對光纖切割端面清洗。得到兩段錐體光纖後，將內徑大於標準光纖的石英管調至錐體處，然後在石英管兩端用CO2雷射器加熱焊接密封，或者用環氧樹脂封裝固化，然後進行二次塗覆完成整體保護。
2、旋轉微粒:將製備好的兩段錐體光纖，以微粒為中心，中心距離相同，錐體端錯開一定距離相向排布，微小粒子位於兩根錐體光纖錐體側面相對的中心位置。[0039]3、微粒的加工:其中微小粒子的加工如圖4所示，首先在CAD中設計所需求的模型，然後按照CAD已經設計好的應用程式，轉化為控制器可以識別的指令，再利用計算機的軟體控制系統控制三維移動軸的精密運動和光閘的通斷，實現飛秒雷射有選擇性加工，此時飛秒雷射準直後從顯微鏡左側入射，經過反射鏡反射後，被100倍顯微物鏡聚焦到光敏樹脂內，光敏樹脂位於玻片表面，玻片固定在三維移動軸上，從而在光敏樹脂內製作三維立體微器件，未曝光的材料用溶劑溶解，就得到所需的固化三維微結構即所設計的微小粒子。
製作過程2:
1、光源尾纖耦合連接:取兩段表面單芯光纖，分別將兩段光纖各一端進行塗覆層祛除、切割，然後相向一端與帶光源尾纖的單模光纖7進行對準焊接如圖5所示。在圖6所示的焊點8處進行加熱至軟化狀態，然後進行拉錐，並進行光功率監測，直到耦合到表面單芯光纖的光功率達到最大時為止；
2、封裝保護:將內徑大於標準光纖和表面單芯光纖的石英管調至圖6所示的耦合區8處，利用環氧樹脂固定好，然後進行二次塗覆完成整體保護；
3、錐體光纖的製作:如圖3所示，取兩段表面單芯光纖，分別祛除塗覆層，清洗乾淨，固定在可移動的V型槽內，利用氫氧焰對處於水平狀態的表面單芯光纖的局部進行加熱並施以軸向拉力，使光纖局部軟化部分逐漸被拉細，使得光纖受熱變細的腰處直徑近似接近並大於單模光纖芯徑，停止拉伸，然後用光纖切割刀在距離腰處8 —定距離的9處進行垂直切割，端面切割平整，再次對光纖切割端面清洗。得到兩段錐體光纖後，將內徑大於表面單芯光纖的石英管調至錐體處，然後在石英管兩端用CO2雷射器加熱焊接密封，或者用環氧樹脂封裝固化，然後進行二次塗覆完成整體保護。
4、旋轉微粒:將製備好的兩段錐體光纖，以微粒為中心，中心距離相同，錐體端錯開一定距離，是表面芯一側相向排布，微小粒子位於兩根錐體光纖錐體側面相對的中心位置。
5、微粒的加工:如製作過程I中步驟3。
權利要求
1.一種雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，其特徵是:包括兩根經熔融拉錐後形成的錐體狀光纖和由複合材料製成的雙體微小粒子；兩根錐體狀光纖水平排布，錐體端錯開一定間隙相向排布，並且兩根錐體狀光纖相向一端分別與光源連接；所述雙體微小粒子包括驅動層、攪拌層和連接柱，驅動層和攪拌層通過連接柱連結成一體；雙體微小粒子位於兩錐體狀光纖的錐體端錯開的間隙內；錐體狀光纖使得纖芯中的傳輸光透射出包層並在包層表面形成輻射場或倏逝場，所述輻射場或倏逝場所產生的光輻射力作用到雙體微小粒子驅動層，旋轉後帶動微粒雙體微小粒子攪拌層。
2.根據權利要求
1所述的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，其特徵是:所述的錐體狀光纖為兩根標準單模光纖經熔融拉錐切割後得到的錐體狀光纖。
3.根據權利要求
1所述的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，其特徵是:所述的錐體狀光纖為兩根表面單芯光纖經熔融拉錐切割後得到的錐體狀光纖。
4.根據權利要求
1、2或3所述的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，其特徵是:雙體微小粒子驅動層位於兩根錐體狀光纖錐體側面相對的中心位置。
5.根據權利要求
1、2或3所述的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，其特徵是:所述雙體微小粒子的驅動層為密度較小材質製成的具有三個或四個翼的「類風車」結構，攪拌層為密度較大的材質製成的帶有兩個以及兩個以上翼的「螺旋狀」結構，連接柱為與攪拌層密度相同的材質製成的圓柱。
6.根據權利要求
4所述的雙向錐體光纖微小粒子旋轉器，其特徵是:所述雙體微小粒子的驅動層為密度較小材質製成的具有三個或四個翼的「類風車」結構，攪拌層為密度較大的材質製成的帶有兩個以及兩個以上翼的「螺旋狀」結構，連接柱為與攪拌層密度相同的材質製成的圓柱。
專利摘要
本發明提供的是一種雙向錐體光纖微小粒子旋轉器。包括兩根經熔融拉錐後形成的錐體狀光纖和雙體微小粒子；兩根錐體狀光纖水平排布，錐體端錯開一定間隙相向排布，並且兩根錐體狀光纖相向一端分別與光源連接；所述雙體微小粒子包括驅動層、攪拌層和連接柱，驅動層和攪拌層通過連接柱連結成一體；雙體微小粒子位於兩錐體狀光纖的錐體端錯開的間隙內；錐體狀光纖使得纖芯中的傳輸光透射出包層並在包層表面形成倏逝場，所產生的光輻射力作用到雙體微小粒子驅動層，旋轉後帶動微粒雙體微小粒子攪拌層。體積小、重量輕、結構簡單、價格便宜、易操作，操控範圍大，攪拌效率高，避免由於直接接觸損傷溶劑活性，可廣泛應用在生物和化學微流系統中。
文檔編號G21K1/00GKCN102231292SQ201110113927
公開日2013年5月22日 申請日期2011年5月4日
發明者苑立波, 畢思思 申請人:哈爾濱工程大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan