CN104678499A - 一种微小粒子排布装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种微小粒子排布装置，本发明也涉及一种微小粒子排布装置的制作方法。一种微小粒子排布装置，由锥状体光纤、光纤锥区镀有的吸光介质膜、光纤端面镀有的全反射膜、水槽、光隔离器、光源组成,锥状体光纤前端具有锥形结构，锥区镀有吸光介质膜，端面镀有全反射膜，锥状体光纤中传输的光经过锥区扩散至光纤表面被吸光介质膜吸收转换为热量，加热水使之对流，带动沉于水槽底部的微小粒子规则排布，全反射膜将剩余光反射，反射光传输到光隔离器被隔离。本发明的光热转换，是在光纤内部进行的，并且利用光热转换产生的热量驱动整个微小粒子排布装置。本发明中的全反射膜使得光热转换的效率更高，热损失降低，并且不易出现损毁的情况。

Description

一种微小粒子排布装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及的是一种微小粒子排布装置，本发明也涉及一种微小粒子排布装置的制作方法。
背景技术
近年来，随着科学技术向微观领域的无限扩展，对微小粒子的操作研究逐渐风靡起来。
1986年Askin在
“Observationofasingle-beamgradientforceopticaltrapfordielectricparticles”一文中提出一种基于单束激光的三维光学势阱，用于实现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，而得名“光镊”，这篇文章发表在Opt.Lett.11，288-290。此后，光镊技术发展迅速，成为重要的研究技术手段，并促进了若干交叉领域的快速发展。例如：在微小粒子的捕获和搬运、皮牛级力的测量、微机械与微器件的组装等领域得到广泛的应用。特别在生命科学领域，光镊技术以其非接触式、无损探测的本质特性显示了其无与伦比的优势，对于推动生命科学的发展和微生命体的操纵发挥了巨大的作用。光镊俘获的粒子尺度可以从几纳米到几十微米，可以为刚性颗粒，也可以是软物质颗粒；可以为无生命的颗粒，也可以是活体细胞或病毒。光镊是利用光强度分布的梯度力和散射力俘获和操纵微小粒子的工具。
JonathanLeach等(OpticsExpress，Vol.12，January2004)利用全息光镊同时操作多个粒子进行三维空间排列，从而创建微晶体结构。CN101893736A表述的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊及光动力控制方法，可以在光纤端形成轴向分布的系列光学势阱，将捕获的粒子排列成一系列间距固定的空间位置，实现微小粒子的显微精细操作。
此外，自1992年S.Kawata和T.Sugiura(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，基于倏逝场的微小粒子操作也得到了逐步的发展。人们利用光波导产生的倏逝波对多种微小粒子的操作进行了研究。
HongbaoXin等(OpticsExpress，Vol.19，January2011)利用光学梯度力，用弯成球拍形状的光纤在97mW输出功率下令微小粒子趋向于球拍状光纤内部移动并不规则排列。
尽管上述各个对微小粒子的捕获或运输方法都有一定的优点，但是仍然存在一些不足之处。例如，粒子移动难控制，装置操作困难，微小粒子排布不规则等等。
基于以上对微小粒子捕获或运输方法的优缺点，本发明阐述了一种利用吸光介质膜产生热对流的微小粒子排布装置。热对流，即为液体中，较热的部分上升，较冷的部分下降，循环流动，互相搀和，使温度趋于均匀。对流是液体或气体中热传递的主要方式。
在本发明中，还涉及到光热转换。
近年来，光热转换的使用虽然逐渐引起广大科研人员的浓厚兴趣，但大多局限于太阳能的利用方面，光热转换在微纳光纤中的使用案例未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现以光热转换的方法利用热对流原理实现微小粒子的排布一种微小粒子排布装置。本发明的目的还在于提供一种微小粒子排布装置的制作方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种微小粒子排布装置，由锥状体光纤3、光纤锥区镀有的吸光介质膜2、光纤端面镀有的全反射膜1、水槽4、光隔离器7、光源8组成，锥状体光纤3前端具有锥形结构，锥区镀有吸光介质膜2，端面镀有全反射膜1，锥状体光纤3中传输的光经过锥区扩散至光纤表面被吸光介质膜2吸收转换为热量，加热水使之对流，带动沉于水槽4底部的微小粒子5规则排布，全反射膜1将剩余光反射，反射光传输到光隔离器7被隔离。
锥状体光纤3由单模光纤或者多模光纤中的一种经熔融拉锥制成。
锥状体光纤3端面的锥台结构是对称的圆锥台结构。
锥区表面所镀的吸光介质膜2是聚苯乙烯和金Au或Ag-Nd2O3复合介质薄膜，锥区端面镀有的全反射膜1是金属膜、全电介质反射膜或金属电解质反射膜中的一种。
微小粒子排布装置的制作方法，将锥状体光纤3经熔融拉锥后再切割，端面加工成锥台形状，在锥区镀吸光介质膜2，在端面镀全反射膜1，放入底面沉有微小粒子5的水中，在光纤中通光，即可制成微小粒子排布装置。
微小粒子5为直径5到10um左右的微小粒子，是生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒中的一种或几种。
本发明的有益效果在于：
本发明的光热转换，是在光纤内部进行的，并且利用光热转换产生的热量驱动整个微小粒子排布装置。本发明中的全反射膜使得光热转换的效率更高，热损失降低，并且不易出现损毁的情况。
附图说明
图1是经拉锥切割后的锥体状光纤示意图；
图2是对锥体状光纤镀膜后的示意图，并附有光纤锥区的截面图；
图3是微小粒子排布装置的粒子排布原理示意图；
图4为微小粒子排布装置整体示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明可以通过如下的方式实现：
本发明的微小粒子排布装置包括一段经熔融拉锥后并镀膜形成的锥体状光纤，锥体状光纤尾纤与光源连接。所述锥体状光纤的端面呈锥台结构，在锥台的侧面镀有吸光介质膜，锥台端面镀全反射膜。在锥体状光纤的一端注光，光纤中传输的光经过锥区扩散至光纤表面被吸光介质吸收转换为热量，水受热对流，带动沉于底部的粒子规则排列。剩余的光被全反射膜反射回光纤内部以免影响液体环境。
本发明的利用光热转换的锥体状光纤可以包括这样一些特征：光纤可以是普通单模光纤或者多模光纤中的一种，经熔融拉锥到一定直径，然后沿直径切割形成锥台。光纤端面的锥台结构是对称的圆锥台结构。锥区表面所镀的吸光介质膜可以是聚苯乙烯(PS)和金(Au)、也可以是Ag-Nd2O3复合介质薄膜等。端面镀有的全反射膜是金属膜、全电介质反射膜或金属电解质反射膜中的一种。
本发明的利用光热转换的锥体状光纤还可以包括这样一些特征：锥体状光纤锥区表面所镀的吸光介质膜可以是聚苯乙烯(PS)和金(Au)、也可以是Ag-Nd2O3复合介质薄膜等，其中Au和Ag在介质膜中含量决定吸收介质膜的吸收波段。
例如Ag-Nd2O3复合介质薄膜，光吸收峰随着Ag粒子的体积分数和尺寸的增加而增大、展宽。
本发明的微小粒子排布装置的制作方法为：将光纤加工制成锥台形状，在锥区表面镀吸光介质膜，在锥台端面镀全反射膜，光纤未拉锥的一端接通光源，将其置于底部沉有微小粒子的水中，即形成微小粒子排布装置。
本发明的微小粒子排布装置的制作方法包括：所述沉于底部的微小粒子为直径5到10um左右的粒子，从现实角度考虑可以是水中的杂质。即可看到本发明的微小粒子排布装置可以具有水中除杂的现实意义。
本发明的微小粒子排布装置的制作方法还包括：为了防止反射回去的光对光源造成损坏，在光源前面装有一个光隔离器，使光在这段光路中，只可单向传输。
本发明基于如下原理：将光纤拉锥形成锥体状结构，并在锥区表面上镀一层吸光介质膜，在锥区端面镀上一层高反射率全反射膜。在光纤纤芯中传输的光经过锥区扩散至光纤表面被吸光介质吸收并转换为热量，锥区附近的水受热，与其他区域未受热的水发生对流，随后带动沉于底部的微小粒子规则排布。剩余的光继续传播遇到锥区端面的全反射膜被反射回光纤内部。
图1中3为由单模光纤制成的锥体状光纤，6为光纤尾纤。
图2中，2为锥区侧面所镀的吸光介质膜，1为锥区端面所镀的全反射膜。
图3中5代表沉于水槽底部的微小粒子，箭头表示热对流方向。
图4中4为水槽，其中装有底部沉有微小粒子的水，7为光隔离器，8为光源。
1、光源和光纤选择：选择通信中常用的1550nm光源作为光源，选择普通单模光纤进行锥体状光纤的制作。
2、锥体拉制：取一段3米长的普通单模光纤，在其中心部位利用米勒钳将其涂敷层去除2cm左右，用酒精将光纤包层清洗干净。然后置于光纤拉锥机上，加热至熔融状态，进行拉锥，直至拉到直径为10nm左右、长度为2cm左右的微结构光纤；
3、锥体切割：取下拉制好的锥体，在显微镜下用宝石刀将拉制的微结构光纤区域切断，就制成了如图1所示的锥体状光纤；
4、锥区侧面镀膜：利用离子溅射真空镀膜技术，在2×10-1mbar稳定真空度下，加载5mA溅射电流对加工好的单模光纤圆锥台侧面镀膜3.5分钟，此时即在单模光纤圆锥台侧面上镀制了一层约50nm厚的吸光介质膜；
5、锥区端面镀膜：利用离子溅射真空镀膜技术，装载金靶后，在2×10-1mbar稳定真空度下，加载5mA溅射电流对加工好的单模光纤圆锥台端面镀膜3.5分钟，此时即在单模光纤圆锥台端面上镀制了一层约50nm厚的金膜，即为全反射膜；
6、封装保护：锥体状光纤尾纤与光源连接后从水槽侧面的孔穿入置于装有水的水槽中，再将水槽侧面的小孔封死，即制成微小粒子排布装置。
7、光源保护：为了防止通过全反射膜反射回光纤内部的光传输回去损坏光源，在光源前面装有一个用于保护光源的光隔离器。

Claims (6)

1.一种微小粒子排布装置，由锥状体光纤(3)、光纤锥区镀有的吸光介质膜(2)、光纤端面镀有的全反射膜(1)、水槽(4)、光隔离器(7)、光源(8)组成,其特征在于：锥状体光纤(3)前端具有锥形结构，锥区镀有吸光介质膜(2)，端面镀有全反射膜(1)，锥状体光纤(3)中传输的光经过锥区扩散至光纤表面被吸光介质膜(2)吸收转换为热量，加热水使之对流，带动沉于水槽(4)底部的微小粒子(5)规则排布，全反射膜(1)将剩余光反射，反射光传输到光隔离器(7)被隔离。
2.根据权利要求1所述的一种微小粒子排布装置，其特征在于：所述的锥状体光纤(3)由单模光纤或者多模光纤中的一种经熔融拉锥制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种微小粒子排布装置，其特征在于：所述的锥状体光纤(3)端面的锥台结构是对称的圆锥台结构。
4.根据权利要求1或2所述的一种微小粒子排布装置，其特征在于：所述的锥区表面所镀的吸光介质膜(2)是聚苯乙烯和金Au或Ag-Nd2O3复合介质薄膜，锥区端面镀有的全反射膜(1)是金属膜、全电介质反射膜或金属电解质反射膜中的一种。
5.一种权利要求1所述的微小粒子排布装置的制作方法，其特征在于：将锥状体光纤(3)经熔融拉锥后再切割，端面加工成锥台形状，在锥区镀吸光介质膜(2)，在端面镀全反射膜(1)，放入底面沉有微小粒子(5)的水中，在光纤中通光，即可制成微小粒子排布装置。
6.根据权利要求5所述的微小粒子排布装置的制作方法，其特征在于：所述微小粒子(5)为直径5到10um左右的微小粒子，是生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒中的一种或几种。
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