CN111007593B - 基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置。所述的装置主要由输入光纤1和一段融嵌芯毛细管光纤2组成，融嵌芯毛细管光纤2经过局部加热后形成热扩散纤芯3，而在纤芯中传输的传导光7会在中空毛细管203的内表面形成倏逝场8。这样，储存在中空毛细管203中的微小粒子6在倏逝场8提供的辐射压力10作用下沿着中空毛细管203内表面向光波传输方向移动，实现微小粒子的输运功能。相对于热扩散前的纤芯202，热扩散纤芯3的倏逝场得到了显著的增强，因此其微小粒子的输运功能也得到了显著的提高。本发明可用于微流芯片、细胞或药物颗粒等微小颗粒的输运和转移以及光纤集成器件应用等领域。
Description
(一)技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，可以用于微流芯片、细胞或药物颗粒等微小颗粒的输运和转移以及光纤集成器件应用等领域。
(二)背景技术
集成光学和光通信技术已经成为当代迅猛发展的综合性技术领域。光波导作为最基本组成单元在现代通信领域有十分重要的用途。它能将光波束缚在微米级尺寸的介质中长距离无辐射的传输。随着平面光子结构在微流器件中应用，对比于自由空间系统，基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统明显体现出更大的优越性。因为基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统具有非接触性，不受输入光的尺寸影响，所以可以用来做产距离的驱动，基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统仅仅受限于系统的散射和吸收损耗。随着光刻蚀技术应用于平面光学器件的制造中，可以同时在平面光学器件中形成大面积捕获区域，从而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。在此之上，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尺寸，使之远小于自然光波长，进而实现纳米级微小粒子的运输。
自1992年S.Kawata和T.Sugiura(Optics Letters,1992,17,772-774)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迅速地发展。Bykov等人(Nature Photonics,2015,9(7):461-465)采用空芯光子晶体光纤的传输光场的辐射压力实现对储存于空芯孔内的微粒的长距离输运。专利(CN201110047640.4)同样提出了一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微粒输运器件，但是，由于光纤中的倏逝波从光纤纤芯中到包层所能提供的光学力随着距离光纤纤芯距离越来越小，所以这种器件对粒子捕获能力和运输能力不高。
在高温下光纤纤芯中的掺杂离子会受热扩散，使得纤芯发生膨胀，这种技术被称为光纤热扩散技术。K.
等人(Optics Express,2004,12(6),972-977)分析了在光纤拉制过程中光纤掺杂剂分布、加热温度等参数对光纤热扩散的影响。与在先技术相比，本发明提供了一种基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，该装置利用光纤热扩散技术实现对融嵌芯毛细管光纤的热扩散，从而可以有效地提高光纤微小粒子输运装置对微粒的捕获能力和运输效率。并且通过中空毛细管或纤芯的数量、大小和位置来制备出具有多种不同结构的融嵌芯毛细管光纤及其相应的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
所述的装置主要由输入光纤1和一段融嵌芯毛细管光纤2组成，其中输入光纤1由包层101和纤芯102组成，融嵌芯毛细管光纤2由包层201、纤芯202和中空毛细管203构成，融嵌芯毛细管光纤2的一端与输入光纤1熔融焊接在一起，而融嵌芯毛细管光纤2的另一纤端通过热扩散处理后，在热扩散区域纤芯202中的掺杂离子发生热扩散形成热扩散纤芯3，同时在融嵌芯毛细管光纤2的一侧开有一微孔4，使得微孔4与中空毛细管203相连形成微流通道。一方面，中空毛细管203可以通过微流通道储存大量微小粒子5，另一方面，当输入光纤1把输入光6注入到融嵌芯毛细管光纤2后，在纤芯202中传输的传导光7会在毛细管203的内表面形成倏逝场8。这样，储存在中空毛细管203中的微小粒子6会被倏逝场8提供的梯度力9稳定的横向捕获，并在倏逝场8提供的辐射压力10作用沿着中空毛细管203内表面向光波传输方向移动，实现微小粒子的输运功能。由于相对于热扩散前的纤芯202，热扩散纤芯3的倏逝场得到了显著的增强，因此其微小粒子的输运功能也得到了显著的提高。
下面将详细阐述融嵌芯毛细管光纤的热扩散及倏逝场增强的原理。
光在光纤中传播主要受光纤的折射率分布影响，根据Sellmeier方程可知，在一定传播波长下的光纤折射率分布主要跟光纤中掺杂离子的浓度分布有关。一般光纤在加热温度达到1200℃及以上时，纤芯的掺杂离子会向包层扩散。而掺杂浓度C随时间t的变化则满足热扩散方程：
其中，D为扩散系数，表达式为：
这里，D0表示常温下的频率常数，其值为1.9×10-6m2/s，R为气体常数，Ea为掺杂离子的活化能，单位是J/mol，T为热力学温度，单位K。通过公式(1)和公式(2)就可以计算出热扩散光纤的扩散浓度随时间变化的关系。图2(a)和(b)分别给出了t＝0和t＝t0时刻，融嵌芯毛细管光纤的纤芯附近的掺杂离子扩散浓度分布。从图中可看出，热扩散使得纤芯内的掺杂离子不断朝着包层向外扩散，直到扩散到中空毛细管的管壁，从而造成纤芯附近的掺杂浓度重新分布，进而对应的折射率也发生了改变。事实上，纤芯传输光场会部分穿透进入中空毛细管内形成倏逝场，而纤芯经过热扩散后，折射率的改变使得进入中空毛细管内的倏逝场能量得到了显著地提高(Pmax>P0)，如图2(c)所示。因此，通过热扩散后，在中空毛细管内部附近的微小粒子受到倏逝场的作用也更加明显，从而极大地增强基于热扩散融嵌芯毛细管光纤的微小粒子输运效率。
(四)附图说明
图1是基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置示意图。
图2是融嵌芯毛细管光纤热扩散仿真图：(a)未发生热扩散(t＝0)时纤芯及其附近掺杂离子浓度分布；(b)发生热扩散(t＝t0)时纤芯及其附近掺杂离子浓度分布；(c)在融嵌芯毛细管光纤纤芯中传输的导模在中空毛细管内的倏逝场能量大小P随热扩散时间之间的关系曲线。
图3是融嵌芯毛细管光纤预制棒制备示意图。
图4是融嵌芯毛细管光纤拉丝制备示意图。
图5是融嵌芯毛细管光纤热扩散示意图。
图6是其他类型融嵌芯毛细管光纤：(a)纤芯两侧各有一个中空毛细管；(b)环绕纤芯含有多个大小一致的中空毛细管；(c)环绕纤芯含有多个大小一致的中空毛细管；(d)环绕中空毛细管含有多个纤芯。
图7是含有螺旋结构的融嵌芯毛细管光纤示意图：(a)纤芯围绕中空毛细管螺旋；(b)中空毛细管围绕纤芯螺旋；(c)纤芯和中空毛细管同时螺旋。
图8是具有多个热扩散纤芯区域的融嵌芯毛细管光纤示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
结合图1，本发明实施方式由输入光纤1和一段融嵌芯毛细管光纤2组成，其中输入光纤1由包层101和纤芯102组成，融嵌芯毛细管光纤2由包层201、纤芯202和中空毛细管203构成，融嵌芯毛细管光纤2的一端与输入光纤1熔融焊接在一起，而融嵌芯毛细管光纤2的另一纤端通过热扩散处理后，在热扩散区域纤芯202中的掺杂离子发生热扩散形成热扩散纤芯3，同时在融嵌芯毛细管光纤2的一侧开有一微孔4，使得微孔4与中空毛细管203相连形成微流通道。一方面，中空毛细管203可以通过微流通道储存大量微小粒子5，另一方面，当输入光纤1把输入光6注入到融嵌芯毛细管光纤2后，在纤芯202中传输的传导光7会在毛细管203的内表面形成倏逝场8。这样，储存在中空毛细管203中的微小粒子6会被倏逝场8提供的梯度力9稳定的横向捕获，并在倏逝场8提供的辐射压力10作用沿着中空毛细管203内表面向光波传输方向移动，实现微小粒子的输运功能。由于相对于热扩散前的纤芯202，热扩散纤芯3的倏逝场得到了显著的增强，因此其微小粒子的输运功能也得到了显著的提高。
基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置可分为以下四个步骤：
步骤1、光纤预制棒制作(见图3)。在纯石英包层预制棒11中加工多个小孔12，然后嵌入纤芯预制棒插件13，形成融嵌芯毛细管光纤预制棒14。
步骤2、光纤拉制(见图4)。将制备好的融嵌芯毛细管光纤预制棒14放置在光纤拉丝塔上，并固定在预制棒夹具15上，融嵌芯毛细管光纤预制棒14经过加热炉16加热熔融并在垂直牵引力17的作用下拉丝。最终拉制成包层含有多个空气孔的融嵌芯毛细管光纤2。在光纤的拉制过程中，要精确控制炉温、拉丝速度和预制棒孔内部的平衡压力。
步骤3、热扩散光纤制备(见图5)。采用加热装置18对制备好的融嵌芯毛细管光纤2进行局部高温加热，纤芯202中的掺杂离子受热扩散到包层形成热扩散纤芯3。
步骤4、装置制作(见图1)。采用波长为157nm的深紫外激光器或飞秒激光器在步骤3制备的含有热扩散纤芯3的融嵌芯毛细管光纤2的一侧加工一微孔4，使得微孔4与中空毛细管203相连形成微流通道，微孔4还可以与一个微压力调制装置相连接，最后在融嵌芯毛细管光纤2的一端焊接一段输入光纤1，形成完整基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置。
此外，在预制棒制备过程中，通过控制小孔12的加工数量、大小和位置来制备出具有多种不同结构的融嵌芯毛细管光纤(见图6(a)-(d))及相应的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置。在光纤拉制过程中，还可以加入扭转来制备具有螺旋纤芯或螺旋中空毛细管的融嵌芯毛细管光纤及相应的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，如图7(a)-(c)所示。在热扩散光纤制备过程中，可以通过控制热扩散的位置在同一个纤芯上形成多个热扩散纤芯区域，同时控制不同热扩散区域的掺杂离子扩散程度，实现热扩散融嵌芯毛细管光纤对微粒子的变速控制，如图8所示。
Claims (9)
1.一种基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：所述的装置主要由输入光纤(1)和一段融嵌芯毛细管光纤(2)组成，其中输入光纤(1)由包层(101)和纤芯(102)组成，融嵌芯毛细管光纤(2)由包层(201)、纤芯(202)和中空毛细管(203)构成，融嵌芯毛细管光纤(2)的一端与输入光纤(1)熔融焊接在一起，而融嵌芯毛细管光纤(2)的另一纤端通过热扩散处理后，在热扩散区域纤芯(202)中的掺杂离子发生热扩散形成热扩散纤芯(3)，同时在融嵌芯毛细管光纤(2)的一侧开有一微孔(4)，使得微孔(4)与中空毛细管(203)相连形成微流通道；一方面，中空毛细管(203)可以通过微流通道储存大量微小粒子(5)，另一方面，当输入光纤(1)把输入光(6)注入到融嵌芯毛细管光纤(2)后，在纤芯(202)中传输的传导光(7)会在中空毛细管(203)的内表面形成倏逝场(8)；这样，储存在中空毛细管(203)中的微小粒子(5)会被倏逝场( 8) 提供的梯度力(9)稳定的横向捕获，并在倏逝场(8)提供的辐射压力(10)作用沿着中空毛细管(203)内表面向光波传输方向移动，实现微小粒子的输运功能。
2.根据权利要求1所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：所述的融嵌芯毛细管光纤的制备步骤为：在纯石英包层预制棒中加工多个小孔，然后嵌入纤芯预制棒插件，形成融嵌芯毛细管光纤预制棒；接着将制备好的融嵌芯毛细管光纤预制棒放置在光纤拉丝塔上，并固定在预制棒夹具上，融嵌芯毛细管光纤预制棒经过加热炉加热熔融并在垂直牵引力的作用下拉丝，最终拉制成包层含有多个空气孔的融嵌芯毛细管光纤。
3.根据权利要求1所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：所述的融嵌芯毛细管光纤纤芯的数量为：一个、两个或多个。
4.根据权利要求1所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：所述的融嵌芯毛细管光纤中空毛细管的数量为：一个、两个或多个。
5.根据权利要求1所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：所述的融嵌芯毛细管光纤纤芯的形状是圆形、椭圆形、拱形、矩形或其他多边形的一种。
6.根据权利要求1所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：在融嵌芯毛细管光纤的任何一处或者多处实施热扩散形成热扩散纤芯。
7.根据权利要求3所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：所述的融嵌芯毛细管光纤的多个纤芯的分布为：环绕中空毛细管呈圆形分布、三角形分布、四边形分布或其他多边形分布。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：所述的融嵌芯毛细管光纤的纤芯的分布为：平行于中空毛细管或围绕中空毛细管呈螺旋状。
9.根据权利要求1所述的基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置，其特征是：通过调整输入光的光强、通光时间、热扩散程度与位置来优化对微小粒子的输运能力。
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- 2019-05-12 CN CN201910391341.9A patent/CN111007593B/zh active Active
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