CN113687469A - 一种多功能光纤微冲击枪工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：它由光纤冲击枪和微转子工具组成，其中光纤冲击枪由第一同轴双波导光纤熔接一段第二同轴双波导光纤后，纤端经过精密研磨，形成锥体圆台结构，能够汇聚环形芯内传输的环形光束，形成三维光力势阱；第二同轴双波导光纤端面处有一层螺旋波带面，第一同轴双波导光纤的中间单模纤芯输出的单模光束经过第二同轴双波导光纤的中间多模纤芯扩束准直后，通过螺旋波带面，形成聚焦的涡旋光束；聚焦的环形光束形成的光势阱可捕获住微转子工具，聚焦的涡旋光束照射在微转子工具的尾部，给微转子工具提供转动动力和前进冲击力。本发明具有微小钻孔，微粒的定向弹射等功能，可广泛用于微纳加工领域。

Description

一种多功能光纤微冲击枪工具
技术领域
本发明涉及的是一种多功能光纤微冲击枪工具，具体涉及到一种光纤冲击枪和微转子工具系统，可用于微纳加工，属于微纳加工和微操控技术领域。
背景技术
光致旋转是实现微机械马达的有效手段，随着科技的发展，光致旋转的应用前景将日益广泛，光致旋转的方法不仅可以应用到微全分析系统中充当搅拌器，还可以应用到微泵中，也可以用来研究旋转马达蛋白、流体的微观性质、细胞膜剪切力、微钻等，因此，该技术的深入研究为微生命科学和生物医学提供了一种强有力的工具。到目前为止实现光驱动旋转主要采用如下几种方式：第一种方式是利用自旋角动量实现旋转(高秋娟,朱艳英,史锦珊,等.利用具有自旋角动量的光束实现微粒的旋转[J].中国激光,2008,35(10):324-326.)；第二种方式是利用轨道角动量实现旋转(高明伟,高春清,何晓燕,等.利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转[J].物理学报,2004,53(2):413-417.)；第三种方式是利用光的线性动量实现旋转，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(Galajda P，Ormos P.Complex MicromachinesProduced and Driven by Light.Appl.Phys.Lett.2001，78(2)：249-251)。
通常来说，光镊能实现微小粒子的稳定捕获，如果再有光束对所捕获的微粒施加角向的动量，便能使得粒子定轴旋转。这样的定轴旋转的微粒根据形状的不同，可构成不同的微小工具，实现不同的微操作功能，例如旋转微马达、旋转微搅拌器、微钻头、微扳手等功能。然而，这样的系统通常是基于空间光镊系统，系统体积庞大复杂。
基于光纤光镊的光致旋转的实现使得光旋转工具更加灵活轻便。中国专利CN102183818B提出了一种基于多芯光纤的光马达及微泵，采用了端面由楔形形状构成的双芯光镊系统，能够捕获住光马达微粒，使微粒定轴，又有另外的纤芯出射光束驱动马达转动。中国专利CN102222533B提出了一种基于多芯光纤的自组装式光动力钻，该发明使用了多芯光纤实现微钻头的捕获，并通过转子的翼结构对光束的反射、折射、吸收等相互作用产生扭矩实现旋转，从而实现光动力钻的功能。
尽管人们在光致旋转的机理、转子形状设计上做了详细的研究，获得了较大的进展和较好的研究成果，但是还是存在比如转子不能稳定的旋转、转子不能同轴旋转等问题，光驱动装置等限制使得应用范围受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能光纤微冲击枪工具。
本发明的目的是这样实现的：
一种多功能光纤微冲击枪工具，如图1，它由光纤冲击枪和微转子工具组成，其中光纤冲击枪由第一同轴双波导光纤1熔接一段第二同轴双波导光纤2后，纤端经过精密研磨，形成锥体圆台3结构，该结构能够反射汇聚第二同轴双波导光纤的环形芯内传输的环形光束5，形成三维光力势阱；第二同轴双波导光纤2端面处有一层螺旋波带面4，第一同轴双波导光纤1的中间单模纤芯输出的单模光束经过第二同轴双波导光纤2的中间多模纤芯扩束准直后，通过螺旋波带面4，形成聚焦的涡旋光束6；聚焦的环形光束形成的三维光力势阱可稳定捕获住微钻头或微子弹类微转子7工具，聚焦的涡旋光束6能同轴照射在微转子7工具的尾部，给微转子7工具提供转动动力和前进冲击力。
如图2，所述的第一同轴双波导光纤1具有单模中间纤芯1-2和同轴分布的环形芯1-1。
如图3，所述的第二同轴双波导光纤2具有渐变折射率分布的多模中间芯2-2和同轴分布的环形芯2-1，并且其环形芯2-1和第一同轴双波导光纤环形芯1-1的几何尺寸、折射率分布相同。
如图4，所述的第二同轴双波导光纤2端面处的螺旋波带面4结构结合了螺旋相位板和菲涅尔波带板的功能，该结构的几何形状满足：
Figure BDA0003231427630000031
并且螺旋波带面4的厚度h满足：
Figure BDA0003231427630000032
其中
Figure BDA0003231427630000033
为螺旋波带面4在极坐标系
Figure BDA0003231427630000034
中的几何分布函数，l是螺旋波带面4的拓扑荷数，λ和f表示聚焦涡旋光束的波长和焦距，ns和nm为螺旋波带面介质的折射率和环境介质的折射率。图5(a)、(b)和(c)分别给出了一阶、二阶和三阶螺旋波带面的分布图案。
所述的第一同轴双波导光纤1与同轴双波导光纤扇入器件连接，以实现动力光向环形芯1-1和中间芯1-2内注入。同轴双波导光纤扇入器的结构如图6所示，具体制备方法如下：
步骤1：取四根双包层光纤8剥去涂覆层后插入四孔石英套管9的四个孔中，四孔石英套管9的横截面如图7所示。双包层光纤8的端面如图8所示，包括一个单模纤芯8-1，一个内包层8-2和一个外包层，该光纤在绝热拉锥后，纤芯8-1内的光波会逐渐绝热过渡到内包层8-2内传输，并保持模场分布不变。双包层光纤8的输入端和单模光纤10连接。
步骤2：在高温下对组合好的石英套管绝热拉锥，在合适的锥腰处切割，得到一个四芯的锥体输出端面9-1，其中输出端面的中间芯和第一同轴双波导光纤1的中间芯连接，周边的三个纤芯是三根双包层光纤拉锥后，由变细的内包层形成的单模纤芯，和环形芯连接。输出端9-1四个纤芯的几何间距分布和第一同轴双波导光纤1的纤芯分布一致。
步骤3：将步骤2中的切割得到的锥体与第一同轴双波导光纤1熔接，并对器件进行封装，便得到同轴双波导光纤扇入器。
如图9，所述的微转子工具是微钻头，由球型钻头体7-1，风扇形的钻头尾7-2和锥形钻头尖7-3组成；聚焦的环形光束和聚焦的涡旋光束的焦点位置相近，聚焦的环形光束可稳定捕获住微钻头的球型钻头体7-1，聚焦的涡旋光束可以聚焦到风扇形钻头尾7-2上，给微钻头提供旋转的动力和向前的辐射压力，辐射压力小于光镊的捕获力，微钻头被稳定捕获并定轴旋转，形成微冲击钻工具系统。
所述的微转子工具是微子弹，由锥形弹头，球型弹体组成，聚焦的环形光束和聚焦的涡旋光束的焦点位置相近，聚焦的环形光束可稳定捕获住微子弹的球型弹体，聚焦的涡旋光束可以聚焦到弹体上，给微子弹提供旋转的动力和向前的辐射压力，当微子弹定轴旋转速度达到一定值时，撤去捕获光束，微子弹被定向旋转弹射而出，形成微枪工具系统。
所述的螺旋波带面的制备方法包括但不限于聚焦离子束刻蚀、电子束刻蚀、飞秒刻蚀、双光子聚合、纳米压印等加工方法。
所述包括微钻头、微子弹在内的微转子工具的制备方法包括但不限于：双光子聚合、3D纳米打印等加工方法。
本发明具有如下特点：
(1)本发明使用光纤光镊实现了粒子的稳定的3D捕获，同时和聚焦涡旋光束结合，实现捕获粒子的定轴旋转功能。这两种功能的组合，仅通过一根柔软、灵活、稳定的光纤形成，具有体积小、结构稳定简单的特点。
(2)本发明具有多功能特性，通过使用不同结构的微转子工具可以组装形成不同功能的工具系统。由于微转子球体一旦被俘获可自行组装为微冲击钻、微光枪等系统，实现微钻孔和粒子的定向弹射等多种功能。
附图说明
图1是多功能光纤微冲击枪工具原理图。
图2是第一同轴双波导光纤端面结构和折射率分布图。
图3是第二同轴双波导光纤端面结构和折射率分布图。
图4是多功能光纤微冲击枪工具结构图。
图5(a)、(b)和(c)分别是一阶、二阶和三阶螺旋波带面的分布图。
图6是第一同轴双波导光纤扇入器的结构原理图。
图7是四孔石英套管的端面结构图。
图8是双包层光纤的端面结构和折射率分布图。
图9是微钻头的结构图。
图10是多功能光纤微冲击枪工具操作系统图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
如图8所示的是多功能光纤微冲击枪工具操作系统图。
操纵动力光源11采用波长为976nm的双通道LD，包括两个输出通道11-1和11-2，每个通道的输出功率在0-100mW范围内可调。其中光源输出通道11-1和1×3的光纤耦合器12连接，分成等功率的三路后分别和和第一同轴双波导光纤扇入器13的三个周边纤芯输入端连接，所输出的光束均匀分配注入第一同轴双波导光纤1的环形芯1-1内。光源另一输出通道11-2直接通过单模光纤10和第一同轴双波导光纤扇入器13的中间芯通道连接。
首先打开光源的第一通道11-1，输出捕获光5。捕获光5在锥体圆台3的反射下聚焦，在显微镜下稳定捕获微钻头7的球形钻头体。
再打开光源的第二通道11-2，输出转动动力光，该光经过第一同轴双波导光纤扇入器件注入中间芯后，被纤端的螺旋波带面4转换为聚焦涡旋光束6，被压缩的涡旋光束聚焦到风扇形钻头尾上，给微钻7头提供旋转的动力和向前的辐射压力，辐射压力小于光镊的捕获力，微钻头7被稳定捕获并定轴旋转，形成微冲击钻工具系统。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (7)

1.一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：它由光纤冲击枪和微转子工具组成，其中光纤冲击枪由第一同轴双波导光纤熔接一段第二同轴双波导光纤后，纤端经过精密研磨，形成锥体圆台结构，该结构能够反射汇聚第二同轴双波导光纤的环形芯内传输的环形光束，形成三维光力势阱；第二同轴双波导光纤端面处有一层螺旋波带面，第一同轴双波导光纤的中间单模纤芯输出的单模光束经过第二同轴双波导光纤的中间多模纤芯扩束准直后，通过螺旋波带面，形成聚焦的涡旋光束；聚焦的环形光束形成的三维光力势阱可稳定捕获住微转子工具，聚焦的涡旋光束能同轴照射在微转子工具的尾部，给微转子工具提供转动动力和前进冲击力。
2.根据权利要求1所述的一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：所述的第一同轴双波导光纤具有单模中间纤芯和同轴分布的环形纤芯。
3.根据权利要求1所述的一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：所述的第二同轴双波导光纤具有渐变折射率分布的多模中间芯和同轴分布的环形纤芯，并且其环形纤芯和第一同轴双波导光纤环形芯的几何尺寸、折射率分布相同。
4.根据权利要求1所述的一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：所述的第二同轴双波导光纤端面处的螺旋波带面结构的几何形状满足：
Figure FDA0003231427620000011
并且螺旋波带面的厚度满足：
Figure FDA0003231427620000012
其中
Figure FDA0003231427620000013
为螺旋波带面在极坐标系
Figure FDA0003231427620000014
中的几何分布函数，l是螺旋波带面的拓扑荷数，λ和f表示聚焦涡旋光束的波长和焦距，ns和nm为螺旋波带面介质的折射率和环境介质的折射率。
5.根据权利要求1所述的一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：所述的第一同轴双波导光纤由同轴双波导光纤扇入器件连接，以实现动力光向环形芯和中间芯内注入。
6.根据权利要求1所述的一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：所述的微转子工具是微钻头，由锥形钻头尖，球型钻头体和风扇形的钻头尾组成；聚焦的环形光束和聚焦的涡旋光束的焦点位置相近，聚焦的环形光束可稳定捕获住微钻头的球型钻头体，聚焦的涡旋光束可以聚焦到风扇形钻头尾上，给微钻头提供旋转的动力和向前的辐射压力，辐射压力小于光镊的捕获力，微钻头被稳定捕获并定轴旋转，形成微冲击钻工具系统。
7.根据权利要求1所述的一种多功能光纤微冲击枪工具，其特征是：所述的微转子工具是微子弹，由锥形弹头，球型弹体组成，聚焦的环形光束和聚焦的涡旋光束的焦点位置相近，聚焦的环形光束可稳定捕获住微子弹的球型弹体，聚焦的涡旋光束可以聚焦到弹体上，给微子弹提供旋转的动力和向前的辐射压力，当微子弹定轴旋转速度达到一定值时，撤去捕获光束，微子弹被定向旋转弹射而出，形成微枪工具系统。
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