CN102052278B - 基于光子晶体光纤的微泵驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光子晶体光纤的微泵驱动装置。目前的驱动控制装置难以实现对流体中单粒子进行操控。本发明中激光光源发出的光依次经准直器、可调光衰减器、透镜、第一反光镜和第一物镜到达容器池中，光子晶体光纤位于容器池的正上方，光子晶体光纤一端正对容器池，另一端正对第二物镜。从第二物镜出射的光依次经第二反光镜和多模光纤到达光电探测器，光电探测器的输出端连接至数据采集卡的第一输入端，第一CCD和第二CCD的信号输出端分别连接至数据采集卡的第二输入端和第三输入端，数据采集卡的输出端连接至计算机。本发明可以有效地对微流体和粒子的输运进行驱动、控制和检测，降低了微系统复杂性，减少了成本。

Description

基于光子晶体光纤的微泵驱动装置

技术领域

本发明属于微流体驱动技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤的微泵驱动装置。

背景技术

随着材料科学、纳米技术和微加工技术的飞速发展，微流体装置和分析系统获得了广泛的应用。微流体装置主要包括微流道、微喷嘴、微射流元件、微压和微流量传感器、微混合器、微阀和微泵，其中微阀和微泵是最关键的装置。由于微泵可精确控制流量，因此其在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却、微量化学分析以及微小型卫星的推进等方面有着重要的应用前景。

微泵的驱动和控制方式包括压力式、电渗式、电水力式、表面张力式、热(气泡)式、压电和静电式、超声波式以及传统光驱动式等。每种驱动和控制可能有阀或无阀，有各自的优势。但压力驱动和控制不易小型化；电渗驱动和控制对管壁材料和被驱动的流体的物理化学性质(pH值和离子浓度等)敏感，电渗流所需高压电源会带来不安全、功耗大的问题；电水力驱动和控制仅仅适用于导电率极低的流体；表面张力驱动和控制控制难度极大；热(气泡)驱动和控制的驱动速度较低；离心驱动和控制存在操作灵活性的限制；传统的光驱动和控制填充了光热转换的低沸点氟类不活性工作流体，响应时间长。而且，上述几种驱动和控制技术存在两个统一的难题：(1)因为不能聚焦，所以难以实现对流体中单粒子进行操控；(2)仅仅作为驱动源，不能实现集检测为一体。如果需要实现检测功能，则需要额外配置传感器系统，增加了微流体系统的复杂性，提高了加工工艺难度和制造成本。

发明内容

本发明为了解决传统微泵技术存在不能实现单粒子的有效输运、不能进行本位检测的问题，提供了一种基于光子晶体光纤的微泵装置，该装置集驱动、控制和检测本位一体，利用光子晶体光纤的多孔结构提供微流道，利用光子带隙作用实现光波导，利用激光的辐射力驱动微流体及流体中的粒子，通过调节能量来控制微流体及粒子输运速度，结合双光束多普勒效应实现粒子流速检测。

本发明包括激光光源、准直器、可调光衰减器、透镜、第一反光镜、第一物镜、容器池、第一CCD、光子晶体光纤、第二物镜、第二反光镜、多模光纤、光电探测器、滤光片、第二CCD、数据采集卡、计算机。

激光光源发出的光依次经准直器、可调光衰减器、透镜、第一反光镜和第一物镜到达容器池中，驱动微流体和粒子进入光子晶体光纤进行输运。所述的光子晶体光纤位于容器池的正上方，光子晶体光纤一端正对容器池，另一端正对第二物镜。从第二物镜出射的光依次经第二反光镜和多模光纤到达光电探测器，所述光电探测器的电信号输出端连接至数据采集卡的第一输入端。

所述的第一CCD采集容器池内的粒子从容器池到光子晶体光纤入口的图像，第一CCD的信号输出端连接至数据采集卡的第二输入端；所述的第二CCD采集粒子在光子晶体光纤内的图像，第二CCD的信号输出端连接至数据采集卡的第三输入端。

所述的数据采集卡的输出端连接至计算机。

所述的第二CCD的镜头前设置有滤光片。

所述的光子晶体光纤为光子带隙导光型光子晶体光纤。

本发明可以实现单粒子的输运，为微燃烧机理研究奠定基础，也可实现含有多粒子的多相流输运。该装置不仅应用于能源领域，而且还可以用于环境化学、生命科学、生物医药、航空航天等诸多领域。

与现有技术相比较，本发明提出的利用基于光子晶体光纤的微泵驱动装置可以有效地对微流体和粒子的输运进行驱动、控制和检测。由于本发明可以实现单粒子的输运，而且集驱动、控制和检测于一体，因此大大降低了微系统复杂性，减少了成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的微泵驱动粒子进行输运的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详尽的描述。

如图1所示，基于光子晶体光纤的微泵驱动装置，包括激光光源1、准直器2、可调光衰减器3、透镜4、第一反光镜5、第一物镜6、容器池7、第一CCD 8、光子晶体光纤9、第二物镜10、第二反光镜11、多模光纤12、光电探测器13、滤光片14、第二CCD 15、数据采集卡16、计算机17。激光光源1发出的光依次经准直器2、可调光衰减器3、透镜4、第一反光镜5和第一物镜6到达容器池7中，驱动微流体和粒子进入光子晶体光纤9进行输运。光子晶体光纤9位于容器池7的正上方，光子晶体光纤9一端正对容器池7，另一端正对第二物镜10。从第二物镜10出射的光依次经第二反光镜11和多模光纤12到达光电探测器13，光电探测器13的电信号输出端连接至数据采集卡16的第一输入端。调节可调光衰减器3改变激光输出能量对微流体和粒子驱动力进行控制，实现微泵控制。激光通过光子晶体光纤9、第二物镜10、第二反光镜11、多模光纤12、光电探测器13，实现对微流体和粒子的输运速度进行检测。第一CCD 8采集容器池7内的粒子从容器池7到光子晶体光纤9入口的图像，用于观察光子晶体光纤9入口处粒子浮运情况。第一CCD 8的信号输出端连接至数据采集卡16的第二输入端。第二CCD 15采集粒子在光子晶体光纤9内的图像，用于观察光子晶体光纤9内部某一处的粒子输运情况。第二CCD15的信号输出端连接至数据采集卡16的第三输入端。第二CCD15的镜头前还设置有滤光片14。数据采集卡16的输出端连接至计算机17。

本实施例中采用的光子晶体光纤9为光子带隙导光型光子晶体光纤，因为光子带隙导光型光子晶体光纤可适用于包层折射率比纤芯折射率高的导光情况，从而对折射率大于纤芯折射率的某些流体也能进行导光，因此适用于任何流体。

图1中，从激光光源1发出的光经调制(准直、聚焦、反光等)后进入光子晶体光纤9。带粒子的多相微流体放置在容器池7中，容器池7的底部透明。光子晶体光纤9被竖直地放在容器池7的上方，光子晶体光纤9的长度可以为几十至几百mm。在光子晶体光纤9的输出端放置第二物镜10，然后经过第二反光镜11把光耦合进入多模光纤12中，监测光子晶体光纤输出端粒子的近场模式，可获取粒子速度信息。粒子的输运过程包括两个阶段，其原理图见图2，(I)进入光子晶体光纤9之前的输运阶段；(II)在光子晶体光纤9微流道中的输运阶段。为了监测粒子被激光输运至光子晶体光纤9，放置第一CCD 8观察在光子晶体光纤9输入端与容器池7底部之间的视场，获取粒子的浮运情况。再放置第二CCD 15观察粒子在光子晶体光纤9中的输运过程。在第二CCD 15前需要加滤光片14，消除粒子和光子晶体光纤9的散射光。数据采集卡16直接与第一CCD 8与第二CCD 15相连，并把数据送入计算机，录制和监测粒子多相微流体在微流道中的输运过程。

假设输运的微流体为带有粒子的空气流，那么粒子在输运过程中会受到激光辐射力、粒子重力和曳力的作用。辐射力包括散射力(轴向力)和梯度力(横向力)。粒子两个阶段输运过程的模型见图2。

对于第一阶段I，根据牛顿第二定律，粒子运动满足如下方程：

$m\stackrel{\·\·}{z}=-\mathrm{mg}-6\mathrm{\π}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{air}}a\stackrel{\·}{z}+F_z\left(z\right)---\left(1\right)$

其中，m、a、z、

分别为粒子质量、半径、粒子与光子晶体光纤入射端的距离、粒子的速度和加速度，g为重力加速度，η_air为空气粘度；m＝4πa³ρ/3，ρ为粒子密度；F_z(z)为辐射力的轴向力，n为粒子折射率，A为粒子面积，c为光速，P₀为入射光总能量，I(r，z)为激光束归一化的横向轮廓，对于高斯光束， $I(r,z)=(2/{\mathrm{\π\ω}}_0^2)\exp [-2{(r/{\mathrm{\π\ω}}_0)}^2],$ 其中r为光束径向距离，ω₀为高斯光束束腰半径。如果激光能量为几十mW，那么粒子的浮运速度约有几十mm/s。

对于第二阶段II，粒子运动满足方程(1)，但I(r，z)不同，因为光束进入光子晶体光纤9后会发生变化，假设由高斯光束变为贝塞尔光束，那么

其中，I₀为光束耦合进入光子晶体光纤9后光强度的峰值，r_co为输运粒子的光子晶体光纤9的微孔半径，J₀为零级贝塞尔函数，a_loss为衰减系数。在光子晶体光纤9中粒子受到的辐射力会降低，因为耦合效率小于100％，一般约80％，而且粒子受到光子晶体光纤9中微流道边界壁面附近电偶层以及吸附层的作用，阻力增大。那么粒子在光子晶体光纤9中的输运速度会降低，约为几至几十mm/s，明显低于粒子在进入PCF前的浮运速度。

上面描述了轴向的受力和运动情况，对于横向，粒子主要受到梯度力、热噪声和空气湍流扰动等的影响。为了保证粒子的横向稳定性，则梯度力应与热噪声和湍流扰动相平衡。如果不考虑湍流影响，那么热噪声与梯度力相当。梯度力与散射力相比，小几个数量级，与光子晶体光纤微孔直径有关，适当降低微孔直径，梯度力会降低若干数量级。所以在整个粒子的输运过程中，横向运动的影响非常微弱，从而保证粒子输送的有效距离。考虑耦合效率、光吸收、散射损失的影响，粒子的有效输运距离为数m。

在微泵驱动本位系统基础上，通过调节可调光衰减器改变激光输出能量可对微流体和粒子驱动力进行控制，实现微泵控制。

利用双光束多普勒效应检测技术可以实现粒子速度的精确测量。激光多普勒测流速的基本原理是将一激光束照射到流体中随流体一起运动的微粒上，通过测出其散射光的多普勒频移，计算出粒子的速度。由于频移相当小(KHz量级)，所以直接测量会造成较大的测量误差。因此采用双光束测量拍频信号会提高测量的精度。

当两束光同时照射到运动的粒子上，由此产生两种频率的散射光。因此可以得到两束光的拍频信号f_d。根据光的干涉理论，在夹角为2φ的两束激光交叠处将形成亮暗相间的条纹，条纹面与入射光所在平面垂直，条纹间距为d＝λ/(2sinφ)，其中λ为入射光波长。当微粒以速度u垂直穿过亮暗相间的条纹时，微粒将会发出闪烁散射光，其频率为f_d＝u/d＝(2u·sinφ)。那么微粒运动速度为：

u＝λf_d/(2sinφ)                                    (2)

为了测量粒子的运动速度，因此需要双光束，并且测量出拍频信号和两束激光的夹角2φ。

光子晶体光纤为多孔结构，因此可以利用特制的光子晶体光纤两微孔(比其它空气孔略大)形成激光波导通道，于是形成双光束。双光束的夹角通过观察远场条纹间距来获得。见图1中光子晶体光纤9的出射端，利用多模光纤12进行远场信号传输，并获取干涉条纹。利用光电探测器13对相干光进行转换，并通过数据采集卡16采集电信号，送入计算机17，进行快速傅里叶变换就可以获取拍频信号，即频谱图中最大峰值对应的频率。

可见，本发明提出的利用基于光子晶体光纤的微泵驱动装置可以有效地对微流体和粒子的输运进行驱动、控制和检测。由于本发明可以实现单粒子的输运，而且集驱动、控制和检测系统于一体，因此大大降低了微系统复杂性，减少了制造成本。

Claims (3)

1.基于光子晶体光纤的微泵驱动装置，包括激光光源、准直器、可调光衰减器、透镜、第一反光镜、第一物镜、容器池、第一CCD、光子晶体光纤、第二物镜、第二反光镜、多模光纤、光电探测器、滤光片、第二CCD、数据采集卡和计算机，其特征在于：

激光光源发出的光依次经准直器、可调光衰减器、透镜、第一反光镜和第一物镜到达容器池中，驱动微流体和粒子进入光子晶体光纤进行输运；光子晶体光纤位于容器池的正上方，光子晶体光纤一端正对容器池，另一端正对第二物镜；从第二物镜出射的光依次经第二反光镜和多模光纤到达光电探测器，光电探测器的电信号输出端连接至数据采集卡的第一输入端；

所述的第一CCD采集容器池内的粒子从容器池到光子晶体光纤入口的图像，第一CCD的信号输出端连接至数据采集卡的第二输入端；

所述的第二CCD采集粒子在光子晶体光纤内的图像，第二CCD的信号输出端连接至数据采集卡的第三输入端；

所述的数据采集卡的输出端连接至计算机。

2.根据权利要求1所述的微泵驱动装置，其特征在于：所述的第二CCD的镜头前设置有滤光片。

3.根据权利要求1所述的微泵驱动装置，其特征在于：所述的光子晶体光纤为光子带隙导光型光子晶体光纤。

Images