CN102231292B - 双向锥体光纤微小粒子旋转器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种双向锥体光纤微小粒子旋转器。包括两根经熔融拉锥后形成的锥体状光纤和双体微小粒子；两根锥体状光纤水平排布，锥体端错开一定间隙相向排布，并且两根锥体状光纤相向一端分别与光源连接；所述双体微小粒子包括驱动层、搅拌层和连接柱，驱动层和搅拌层通过连接柱连结成一体；双体微小粒子位于两锥体状光纤的锥体端错开的间隙内；锥体状光纤使得纤芯中的传输光透射出包层并在包层表面形成倏逝场，所产生的光辐射力作用到双体微小粒子驱动层，旋转后带动微粒双体微小粒子搅拌层。体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作，操控范围大，搅拌效率高，避免由于直接接触损伤溶剂活性，可广泛应用在生物和化学微流系统中。

Description

双向锥体光纤微小粒子旋转器

技术领域

本发明涉及的是一种微小粒子旋转器，特别是一种利用锥体光纤形成的倏逝场产生光辐射压力驱动双体微小粒子旋转的旋转器。

背景技术

近些年来，微全分析系统(μTAS)也称为单晶片上构建的实验室已经在医学研究、生物应用分析和化学领域掀起了巨大的研究浪潮。由微小粒子构成的旋转器在微流系统中充当搅拌器这一至关重要的角色，因此设计和制备微小粒子旋转器变得也越来越重要。为了获得更高性能的旋转器，人们开始使用光驱动。

1936年，R.A.Beth在实验上让一束圆偏振光通过细丝悬挂的半波片，首次利用光束中光子的角动量实现了物体的旋转。自此以来人们一直在不停的探索着实现光致旋转的方法。自从1986年Askin在Opt.Lett.11，288-290上发表文章“Observation of a single-beam gradientforce optical trap for dielectric particles”把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，实现了对粒子的三维空间控制，因为此光束可以实现空间对微小粒子的夹持，因此得名“光镊”。也同时促进了光致旋转的发展，光镊是依靠一束强聚焦激光光束通过一个透明粒子(其折射率大于周围介质的折射率)时产生的梯度力形成三维捕获阱的。光镊已经在物理、生物、胶体化学、纳米科学等很多微观科学领域得到了越来越广泛的应用，人们已经利用光镊来捕获、操纵各种微小粒子，如细菌、动植物的细胞、聚四氟乙烯小球等。1991年Sato利用一束旋转的高阶Hermite-Gaussian光，首次实现了激光光阱中粒子的光致旋转。目前实现光学旋转主要采用三种方式：第一种方式是利用自旋角动量实现光致旋转。第二种方式是利用轨道角动量引起的光致旋转，轨道角动量与光场的特定空间分布相联系，凡是场分布不均匀的光束一般都携带有轨道角动量。第三种方式是设计制作具有特定外形结构的微型器件，利用器件对光束的反射、折射、吸收等相互作用来实现器件的旋转(祝安定，刘宇翔，郭锐，等.一种微型转子的激光加工和光致旋转.光电工程.2006，33(1)：10-13)。使用特殊形状如风车状的微粒，光束本身不携带角动量，可以是线偏振光也可以是非偏振光，其光致旋转的原理类似风吹风车转动，光场的光压力作用在风车状的微粒上会产生扭矩从而使微粒旋转，其转速与光强成正比(Bingelyte V，Leach J，Courtial J.Optical Controlled Three-dimensional Rotation ofMicroscopic Objects.Appl.Phys.Lett.2003，(82)：829-831)。匈牙利科学院的Ormos小组在这方面做了大量的研究工作。这种方法的优点是微粒的转速与方向可以人为控制，缺点是受到微粒的形状的限制。Bayoudh等人使用此方法成功地旋转了菠菜的叶绿体。另外还有双光纤法、双光阱法、干涉激光模式法等多种巧妙的方法。这些光学旋转方法的巧妙之处一般都在于光阱激光模式的选择以及光路的设计思想，但是样品粒子的制作对加工工艺依赖性比较强，这些方法还有待进一步改进和完善。但目前为止都是采用激光形成光镊进行驱动。由于激光光镊体积比较庞大，不易移动，造价高等不足我们提出双向锥体光纤进行驱动。

自1992年S.Kawata和T.Sugiura(S.Kawata and T.Sugiura，“Movement of micrometer-sizedparticles in the evanescent field of a laser beam，”Opt.Lett.17，772-774，1992)第一次证明了可以用棱镜产生的倏逝场对微粒进行操纵后，基于倏逝场的微粒操作得到了逐步的发展。人们利用光波导产生的倏逝波对多种微粒的操作进行了研究。Grujic等(K.Grujic，O.G.

J.S.Wilkinson and J.P.Hole，“Optical propulsion of microspheres along a channel waveguide producedby Cs+ion-exchange in glass，”Opt.Commun.239，227-235，2004)对沿着铯离子交换法制作的波导运动的微粒进行了研究，使小生物分子吸附在乳胶球上进而可以被光场操纵，并且用同样的方法制作了Y形分支结构的波导，通过改变在多模主干波导的光场分布来观测分支结构对微粒的筛选效率(K.Grujic，O.G.

J.S.Wilkinson，J.P.Hole，“Sorting of polystyrenemicrospheres 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.Dérouard，and J.M.Fedeli，“Opticalmanipulation of microparticles and cells on silicon nitride waveguides，”Opt.Express，vol.13，pp.6956-6963，Sep.2005)他们对无便签的红细胞和酵母细胞进行操纵，这是首次把这项技术应用于生物细胞的操作上，并成功对红细胞和酵母细胞以1μm/s的速度推进。此外，Yang等(AllenH.J.Yang，Sean D.Moore，Bradley S.Schmidt，Matthew Klug，Michal Lipson and David Erickson.“Optical manipulation of nanoparticles and biomoleculesin sub-wavelength slot waveguides”，Nature.Letters，Vol.457，pp.71-75，January.2009)采用狭缝波导对微小粒子的光操纵进行了研究。这种狭缝波导把电磁能量缩减到60nm的尺寸内，以此来克服光的衍射问题。并用这种方法捕获和传输了75nm的电介质纳米球和λ-DNA分子。相比于传统的点捕获，这种方法可以看为是线捕获，因此可以对延展的生物大分子进行直接的操作。而Shen等(Fang-Wen Sheu，Hong-Yu Wu，and Sy-Hann Chen.“Using a slightly tapered optical fiber to attract and transportmicroparticles”，OPTICS EXPRESS，Vol.18，No.6，pp.5574-5579，2010)通过光纤拉锥的方法产生的倏逝场对微粒进行操纵。他们把一根标准的125μm直径的单模传输光纤拉成腰直径为50μm的锥形光纤，当通入960m激光后，可以使10μm的微球产生运动。

利用倏逝场光学捕获与操控的光学系统在微流驱动中体现出较大的优越性。因为基于倏逝场光学捕获与操控的光学系统的操纵区域不会受到激光光斑尺寸的限制，仅受限于系统的散射和吸收损耗，此外，增加了器件的集成度，减少了成本，使器件朝着高密度低成本的方向发展。我们还可以利用高折射率材料控制光场能量的分布区域的空间尺寸，使之远小于自由空间光的波长，从而来实现微纳粒子的捕获与旋转。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在封闭的环境中可进行非接触操控，操控范围大，搅拌效率高的双向锥体光纤微小粒子旋转器。

本发明的目的是这样实现的：

它包括两根经熔融拉锥后形成的锥体状光纤和由复合材料制成的双体微小粒子；两根锥体状光纤水平排布，锥体端错开一定间隙相向排布，并且两根锥体状光纤相向一端分别与光源连接；所述双体微小粒子包括驱动层、搅拌层和连接柱，驱动层和搅拌层通过连接柱连结成一体；双体微小粒子位于两锥体状光纤的锥体端错开的间隙内；锥体状光纤使得纤芯中的传输光透射出包层并在包层表面形成倏逝场，所产生的光辐射力作用到双体微小粒子驱动层，旋转后带动微粒双体微小粒子搅拌层。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的锥体状光纤为两根标准单模光纤经熔融拉锥切割后得到的锥体状光纤。

2、所述的锥体状光纤为两根表面单芯光纤经熔融拉锥切割后得到的锥体状光纤

3、双体微小粒子驱动层位于两根锥体状光纤锥体侧面相对的中心位置。

4、所述双体微小粒子的驱动层为密度较小材质制成的具有三个或四个翼的“类风车”结构，搅拌层为密度较大的材质制成的带有两个以及两个以上翼的“螺旋状”结构，连接柱为与搅拌层密度相同的材质制成的圆柱。

本发明提供了一种新颖的双向锥体光纤微小粒子旋转器，它采用由两根单模光纤或表面单芯光纤经熔融拉锥后形成的锥体状光纤和复合材料制成的双体微小粒子组成，其中锥体状光纤可以使得纤芯中的传输光透射出包层并在包层表面形成倏逝场，所产生的光辐射力作用到双体微小粒子上层称为驱动层，旋转后带动微粒下层旋转称为搅拌层，并且两根锥体状光纤相向一端分别与光源连接。相对传统利用激光驱动微粒构成的旋转器，它不仅具备体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、易封装固定等优点，并且在封闭的环境中可进行非接触操控，操控范围大，搅拌效率高，也更方便地修改操作位置，在操控进程中灵活变更结构，并且具有倏逝场利用的区域方便人为操控的巨大优势。由于采用锥体光纤形成的倏逝场所产生的光辐射力驱动微粒旋转，避免了由于功率过大灼烧微粒的现象而且系统使得驱动光源装置和搅拌层分离开，避免由于直接接触损伤溶剂活性，所以广泛应用在生物和化学微流系统中。

现双向锥体光纤微小粒子旋转器的基本原理是由于标准单模光纤或表面单芯光纤经过熔融拉锥后形成锥体光纤，纤芯中的传输光由纤芯辐射出去，在光纤表面形成辐射场或倏逝场，形成了光梯度场，因此在光场附近会产生力场，力的矢量从光功率最小值指向光功率最大值，从而处于光纤表面的微小粒子会受到力的作用，其所受到的合力可以分解为指向光纤纤芯中心的力和沿着光传播方向的力，这两个力就是微小粒子受到的捕获力和推进力。由于两根相对的锥体光纤相向注入光共同作用微小粒子的驱动层，微小粒子上层受到四个力的作用下，垂直光传播方向受力平衡，沿着光传播方向根据光致旋转的原理类似风吹风车转动，光场的光压力作用在风车状的微粒上会产生扭矩从而使微粒旋转，其转速与光强成正比。相对的光传播方向可以使扭矩叠加，从而获得更高的转速。

由复合材料制成的双体微小粒子是由密度不同的两种材料制成的微小颗粒，不仅与光束反射、折射、吸收等相互作用来产生扭矩实现旋转还可以直立悬浮在溶液中。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供了一种双向锥体光纤微小粒子旋转器，它采用了新颖的由两根锥体光纤形成的倏逝场产生的力对微小粒子驱动，相对传统激光驱动微转子装置，它具备体积小、结构简单、质量轻、价格便宜、操作自由度大、易操作可以方便地修改操作位置、操控范围大、搅拌效率高、在操控进程中灵活变更结构。

2、双向锥体光纤水平相向分布使得微旋转器装置下表面水平，易于装配、固定。

3、由于采用锥体光纤的倏逝场产生的光辐射力驱动微粒旋转，其光束能够避免传统激光驱动装置由于功率过大在微转子的表面产生灼伤的现象。

4、锥体光纤在锥体处形成倏逝场，具有倏逝场利用的区域方便人为操控。

5、利用不同密度材料制成的具有特定结构的微小粒子，使重心在底部，从而使得微小颗粒直立悬浮在液体中，可以稳定驱动粒子旋转。

6、由于采用双体结构的微小粒子，分为驱动层和搅拌层，可以使得驱动光源装置和搅拌层分离开，避免由于直接接触损伤溶剂活性，所以广泛应用在生物和化学领域。

附图说明

图1基于标准单模光纤拉锥形成的双向锥体光纤微小粒子旋转器示意图；

图2基于表面单芯光纤拉锥形成的双向锥体光纤微小粒子旋转器示意图；

图3锥体光纤的制备；

图4-1微小粒子三维空间图；

图4-2微小粒子驱动层示意图；

图4-3微小粒子搅拌层示意图；

图5光源尾纤与表面单芯光纤的焊接对准示意图；

图6基于表面单芯光纤制成的锥体状光纤连接光源尾纤结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明第一种实施方式是由两根标准单模光纤1经熔融拉锥切割后制成的锥体状光纤2和双体微小粒子3组成，并且在两根锥体光纤中相向注入光。因为锥体光纤的特殊结构，纤芯中的传输光4以倏逝波5的形式透射出包层并作用在微小粒子3上，这部分透射出来的倏逝场对微小粒子3产生光辐射压力形成扭转力矩实现旋转。

结合图2，本发明第二种实施方式是由两根表面单芯光纤6经熔融拉锥切割后制成的锥体状光纤和双体微小粒子3组成，并且在两根锥体光纤中相向注入光。因为锥体光纤的特殊结构，纤芯中的传输光4以倏逝波5的形式透射出包层并作用在微小粒子3上，这部分透射出来的倏逝场对微小粒子3产生光辐射压力形成扭转力矩实现旋转。

本发明的制作过程为：

制作过程1：

1、锥体状光纤的制作：如图3所示，取两段连接有光源的标准单模光纤，分别祛除涂覆层，清洗干净，固定在可移动的V型槽内，利用氢氧焰对处于水平状态的单模光纤的局部进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，使得光纤受热变细的腰处直径近似接近并大于单模光纤芯径，停止拉伸，然后用光纤切割刀在距离腰处8一定距离的9处进行垂直切割，端面切割平整，再次对光纤切割端面清洗。得到两段锥体光纤后，将内径大于标准光纤的石英管调至锥体处，然后在石英管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护。

2、旋转微粒：将制备好的两段锥体光纤，以微粒为中心，中心距离相同，锥体端错开一定距离相向排布，微小粒子位于两根锥体光纤锥体侧面相对的中心位置。

3、微粒的加工：其中微小粒子的加工如图4所示，首先在CAD中设计所需求的模型，然后按照CAD已经设计好的应用程序，转化为控制器可以识别的指令，再利用计算机的软件控制系统控制三维移动轴的精密运动和光闸的通断，实现飞秒激光有选择性加工，此时飞秒激光准直后从显微镜左侧入射，经过反射镜反射后，被100倍显微物镜聚焦到光敏树脂内，光敏树脂位于玻片表面，玻片固定在三维移动轴上，从而在光敏树脂内制作三维立体微器件，未曝光的材料用溶剂溶解，就得到所需的固化三维微结构即所设计的微小粒子。

制作过程2：

1、光源尾纤耦合连接：取两段表面单芯光纤，分别将两段光纤各一端进行涂覆层祛除、切割，然后相向一端与带光源尾纤的单模光纤7进行对准焊接如图5所示。在图6所示的焊点8处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到表面单芯光纤的光功率达到最大时为止；

2、封装保护：将内径大于标准光纤和表面单芯光纤的石英管调至图6所示的耦合区8处，利用环氧树脂固定好，然后进行二次涂覆完成整体保护；

3、锥体光纤的制作：如图3所示，取两段表面单芯光纤，分别祛除涂覆层，清洗干净，固定在可移动的V型槽内，利用氢氧焰对处于水平状态的表面单芯光纤的局部进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，使得光纤受热变细的腰处直径近似接近并大于单模光纤芯径，停止拉伸，然后用光纤切割刀在距离腰处8一定距离的9处进行垂直切割，端面切割平整，再次对光纤切割端面清洗。得到两段锥体光纤后，将内径大于表面单芯光纤的石英管调至锥体处，然后在石英管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护。

4、旋转微粒：将制备好的两段锥体光纤，以微粒为中心，中心距离相同，锥体端错开一定距离，是表面芯一侧相向排布，微小粒子位于两根锥体光纤锥体侧面相对的中心位置。

5、微粒的加工：如制作过程1中步骤3。

Claims (6)

1.一种双向锥体光纤微小粒子旋转器，其特征是：包括两根经熔融拉锥后形成的锥体状光纤和由复合材料制成的双体微小粒子；两根锥体状光纤水平排布，锥体端错开一定间隙相向排布，并且两根锥体状光纤相向一端分别与光源连接；所述双体微小粒子包括驱动层、搅拌层和连接柱，驱动层和搅拌层通过连接柱连结成一体；双体微小粒子位于两锥体状光纤的锥体端错开的间隙内；锥体状光纤使得纤芯中的传输光透射出包层并在包层表面形成辐射场或倏逝场，所述辐射场或倏逝场所产生的光辐射力作用到双体微小粒子驱动层，旋转后带动微粒双体微小粒子搅拌层。

2.根据权利要求1所述的双向锥体光纤微小粒子旋转器，其特征是：所述的锥体状光纤为两根标准单模光纤经熔融拉锥切割后得到的锥体状光纤。

3.根据权利要求1所述的双向锥体光纤微小粒子旋转器，其特征是：所述的锥体状光纤为两根表面单芯光纤经熔融拉锥切割后得到的锥体状光纤。

4.根据权利要求1、2或3所述的双向锥体光纤微小粒子旋转器，其特征是：双体微小粒子驱动层位于两根锥体状光纤锥体侧面相对的中心位置。

5.根据权利要求1、2或3所述的双向锥体光纤微小粒子旋转器，其特征是：所述双体微小粒子的驱动层为密度较小材质制成的具有三个或四个翼的“类风车”结构，搅拌层为密度较大的材质制成的带有两个以及两个以上翼的“螺旋状”结构，连接柱为与搅拌层密度相同的材质制成的圆柱。

6.根据权利要求4所述的双向锥体光纤微小粒子旋转器，其特征是：所述双体微小粒子的驱动层为密度较小材质制成的具有三个或四个翼的“类风车”结构，搅拌层为密度较大的材质制成的带有两个以及两个以上翼的“螺旋状”结构，连接柱为与搅拌层密度相同的材质制成的圆柱。

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