CN109061868B - 一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光驱动马达研究领域，具体涉及一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达，从左到右依次由光纤光源、标准单模光纤、吸收性粒子、液体基质组成，其特征在于：标准单模光纤的一端与光纤光源焊接在一起，标准单模光纤的另一端放在混有吸收性粒子的液体基质中。相比于传统利用激光驱动微粒构成的旋转器，它具有体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易于操作的特点，并且此方法适用于广泛的吸收性材料，可以应用于各种研究吸收性粒子的实验。

Description

一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达
技术领域
本发明属于光驱动马达研究领域，具体涉及一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达。
背景技术
目前主流的微马达主要包括静电驱动微马达、电磁驱动微马达和光驱动微马达等。静电驱动微马达是根据两个极板间电荷分布产生的吸引力和排斥力而把电能转化为机械能，通过定子上的静止电极和移动转子电极上的电荷适当变换来实现转子的连续转动，静电驱动微马达还分为静电感应微马达、驻极体微马达及静电摆动微马达。电磁驱动微马达的原理和传统马达的电磁原理相同，目前实用且流行的电磁微马达主要有永磁微马达和磁阻微马达，与静电驱动微马达相比，电磁微马达具有驱动力矩大，能量转换效率高、工作稳定并易于控制等优点。上述微马达都需要导线与外部控制源相连，这制约了他们的应用范围。光驱动微马达主要分为两种，一种是利用激光形成阵列驱动双折射材料制备成的转子转动，主要目的是利用黏性拉力驱动液体(Science 296，1841(2002))；另外一种是激光驱动特定形状的微转子旋转从而带动微流流动(Optics Express 17(21)，pp.18525-18532(2009))。
光致旋转是实现微机械马达的有效手段，随着科技的发展，以及工艺加工技术和计算机技术的发展，光致旋转的应用已经日益广泛。自从1986Ashkin等人提出了“光镊”实现对粒子的三维空间捕获，同时也促进了光致旋转的发展。
中国发明专利CN1777013也采用光热驱动，但其尺寸更大，结构更复杂，且不能在液体环境中实现。中国发明专利CN102183818A是一种基于多芯光纤的光马达，但其光纤结构与旋转粒子结构更复杂。Jinda Lin和Yong qing Li等人的文章Optical trapping androtation of airborne absorbing particles with a single focused laser beam提出在气体环境中对吸收性粒子旋转，其旋转机理是基于光热产生的α型光泳力来提供转矩和向心力，而本发明是在液体环境中实现对吸收性粒子旋转，是基于光热产生的T型光泳力。
本发明是利用光热原理，利用光热产生的T型光泳力实现液体基质中吸收性粒子的旋转。光镊能良好的操控大多数的透明粒子，但由于吸收性粒子大多是不透明的，其受到的散射力较高，不能形成稳定的光阱。因此本专利利用光热原理，用T型光泳力来捕获与旋转吸收性粒子。本发明基于液体基质的热力学性质，通过利用光热产生的T型光泳力来旋转粒子。
综上所述，现有技术中存在尺寸大、结构复杂、不能在液体环境中应用等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、节省操作空间的光驱动马达。
一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达，从左到右依次由光纤光源1、标准单模光纤2、吸收性粒子3、液体基质4组成，其特征在于：标准单模光纤2的一端与光纤光源1焊接在一起，标准单模光纤2的另一端放在混有吸收性粒子3的液体基质4中。
所述吸收性粒子3为矩形石墨微片，其长为5～10μm，宽为2～4μm，厚为1μm,且石墨微片的上半部分镀有金膜，金膜的厚度为50nm。
所述光纤光源1的波长是吸收性粒子3的吸收峰，且不能是液体基质4的吸收峰。
所述液体基质4的密度为950kg/m3～1350kg/m3，且液体基质4为甘油混合物溶液、乙二醇混合物溶液、蔗糖混合物溶液中的一种。
本发明的有益效果在于：相比于传统利用激光驱动微粒构成的旋转器，它具有体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易于操作的特点，并且此方法适用于广泛的吸收性材料，可以应用于各种研究吸收性粒子的实验。
附图说明
图1是一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达结构示意图。
图2是吸收性粒子的受力分析图。
图3是吸收性粒子的旋转分析图。
图4是吸收性粒子结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1中：1-光纤光源；2-标准单模光纤；3-吸收性粒子；4-液体基质。
图3中：2-标准单模光纤；3-吸收性粒子。
本发明涉及的是一种光驱动马达，具体说是一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达。
目前主流的微马达主要包括静电驱动微马达、电磁驱动微马达和光驱动微马达等。静电驱动微马达是根据两个极板间电荷分布产生的吸引力和排斥力而把电能转化为机械能，通过定子上的静止电极和移动转子电极上的电荷适当变换来实现转子的连续转动，静电驱动微马达还分为静电感应微马达、驻极体微马达及静电摆动微马达。电磁驱动微马达的原理和传统马达的电磁原理相同，目前实用且流行的电磁微马达主要有永磁微马达和磁阻微马达，与静电驱动微马达相比，电磁微马达具有驱动力矩大，能量转换效率高、工作稳定并易于控制等优点。上述微马达都需要导线与外部控制源相连，这制约了他们的应用范围，而光驱动马达不仅可以缩小微流装置的大小，同时可以在封闭的环境中就可以操控微小粒子或是生物样本，光驱动微马达主要分为两种，一种是利用激光形成阵列驱动双折射材料制备成的转子转动，主要目的是利用黏性拉力驱动液体(Science 296，1841(2002))；另外一种是激光驱动特定形状的微转子旋转从而带动微流流动(Optics Express17(21)，pp.18525-18532(2009))。
光致旋转是实现微机械马达的有效手段，随着科技的发展，以及工艺加工技术和计算机技术的发展，光致旋转的应用已经日益广泛。自从1986Ashkin等人提出了“光镊”实现对粒子的三维空间捕获，同时也促进了光致旋转的发展。
中国发明专利CN1777013也采用光热驱动，但其尺寸更大，结构更复杂，且不能在液体环境中实现。中国发明专利CN102183818A是一种基于多芯光纤的光马达，但其光纤结构与旋转粒子结构更复杂。Jinda Lin和Yong qing Li等人的文章Optical trapping androtation of airborne absorbing particles with a single focused laser beam提出在气体环境中对吸收性粒子旋转，其旋转机理是基于光热产生的α型光泳力来提供转矩和向心力，而本发明是在液体环境中实现对吸收性粒子旋转，是基于光热产生的T型光泳力。
本发明是利用光热原理，利用光热产生的T型光泳力实现液体基质中吸收性粒子的旋转。光镊能良好的操控大多数的透明粒子，但由于吸收性粒子大多是不透明的，其受到的散射力较高，不能形成稳定的光阱。因此本专利利用光热原理，用T型光泳力来捕获与旋转吸收性粒子。本发明基于液体基质的热力学性质，通过利用光热产生的T型光泳力来旋转粒子。
本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、节省操作空间的光驱动马达。
本发明的目的是这样实现的：
一种光驱动马达。包括光纤光源1，标准单模光纤2，吸收性粒子3和液体基质4，标准单模光纤2的一端与光纤光源1焊接，将光纤出射端放入混有吸收性粒子3的液体基质4中，光纤出射的光作用在吸收性粒子3上，吸收性粒子3径向受热不均匀，在T型光泳力作用下发生旋转。
所述的光纤光源1，其特征是：其波长是吸收性粒子的吸收峰，且不是液体基质的吸收峰。
所述吸收性粒子3，其特征是：石墨微片镀有金膜，形状大致为矩形，石墨微片长约为5～10μm，宽约为2～4μm，厚为1μm左右，而金膜只镀在石墨微片一侧的上半部分，厚度为50nm左右。
所述的液体基质4，其特征是：密度较大，可以是在950kg/m3～1350kg/m3范围内，相对粘稠，粘滞系数可以是在1×10-3[m2/s]～2×10-3[m2/s]的范围内，液体基质可以是甘油混合物溶液、乙二醇混合物溶液或蔗糖混合物溶液等的一种。
本发明基于如下原理：
吸收性粒子在光的照射下存在两种光泳力T型光泳力和α型光泳力(如图2所示)，T型光泳力是由温度梯度引起的；α型光泳力是由液体基质与吸收性粒子不同的热适应系数引起的。在本发明中，由于吸收性粒子的热导率很高，沿光轴方向粒子上的温度梯度趋近于0，在光轴方向上粒子均匀加热，使得T型光泳力基本消失，所以α光泳力能够起主要作用，平衡粒子受到的散射力，使吸收性粒子稳定捕获。而由于金的热导率要高于石墨，所以径向上存在温度梯度，由金膜指向石墨片，此时T型光泳力起主导作用，由金膜指向石墨片，提供转矩。
图2为吸收性粒子的受力分析，Fpr为吸收性粒子受到的辐射压力，FΔT1为粒子受到的T型光泳力，FΔα为粒子受到的α型光泳力。吸收性粒子在水平方向上处于平衡状态，即F△α+F△T+Fpr＝0。Fb为浮力，Fη为粘滞阻力，Fg为重力，粒子在竖直方向上处于平衡状态，即Fb+Fη+Fg＝0。此时吸收性粒子被捕获在光场中。
图3为吸收性粒子的旋转分析，2为标准单模光纤，3为吸收性粒子。由于金膜的热导率高于石墨的热导率，在激光照射下，金膜的温度高于石墨片，产生温度梯度，进而产生T型光泳力FΔT2，为粒子旋转提供转矩。
本发明的优点在于：
1、提供一种在液体基质中对吸收性粒子的旋转方法；
2、此方法适用于广泛的吸收性材料，可以应用于各种研究吸收性粒子的实验；
3、相比于传统利用激光驱动微粒构成的旋转器，它具有体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易于操作的特点。
图1为本发明结构示意图
图2为吸收性粒子的受力分析
图3为吸收性粒子的旋转分析
图4为吸收性粒子结构示意图
本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、节省操作空间的光驱动马达。其结构简单易行，不仅具有体积小、成本低的特点，且由于其独特的热力学性质，可以实现非透明粒子的捕获与旋转。
结合图1，本发明的是一款光驱动马达，包括光纤光源1，标准单模光纤2，吸收性粒子3和液体基质4。同时结合图4，吸收性粒子包括石墨微片和所镀金膜。
1、取一段标准单模光纤，长度一般大于1米，在单模光纤的两端，剥除光纤的涂覆层20～30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用；
2、用光纤切割刀将清洁后的普通单模光纤的两个端面切割平整；
3、用前两步中的方法对光纤光源的尾纤进行去除涂覆层、清洁以及平端面处理；
4、使用光纤焊接机，将标准单模光纤与980nm光纤光源的尾纤进行焊接；
5、取适量镀有金膜的石墨微片与甘油混合，放入超声波中2分钟左右使粒子混合均匀，用胶头滴管吸取混合液滴在载玻片上；
6、将光纤安装在一个可三维平动、一维转动的机械调节架上，通过该机械调节架能够调节光纤在混合液内的插入位置、插入深度和插入角度。载玻片置于一个倒置生物显微镜的载物台上，图像经过CCD进行采集；
7、用显微镜的载物台将载玻片移入视野中，然后将调节好插入角度的光纤移入视场，并使之与待捕获粒子处于同一平面，将光纤移近粒子并调节光功率即可实现捕获与旋转。

Claims (3)

1.一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达，从左到右依次由光纤光源(1)、标准单模光纤(2)、吸收性粒子(3)、液体基质(4)组成，其特征在于：标准单模光纤(2)的一端与光纤光源(1)焊接在一起，标准单模光纤(2)的另一端放在混有吸收性粒子(3)的液体基质(4)中；所述吸收性粒子(3)为矩形石墨微片，其长为5～10μm，宽为2～4μm，厚为1μm,且石墨微片的上半部分镀有金膜，金膜的厚度为50nm。
2.根据权利要求1所述的一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达，其特征在于：所述光纤光源(1)的波长是吸收性粒子(3)的吸收峰，且不能是液体基质(4)的吸收峰。
3.根据权利要求1所述的一种利用标准单模光纤驱动微小粒子转动的光马达，其特征在于：所述液体基质(4)的密度为950kg/m3～1350kg/m3，且液体基质(4)为甘油混合物溶液、乙二醇混合物溶液、蔗糖混合物溶液中的一种。
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