專利名稱:雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器的制作方法
技術領域：
[0001]本發(fā)明涉及的是ー種微小粒子旋轉器，具體地說是ー種基于雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器。利用彎曲表面芯光纖和彎曲拋磨光纖的倏逝場產生光輻射壓カ驅動微小粒子旋轉。
背景技術：
近些年來，微全分析系統(tǒng)(μ TAS)也稱為單晶片上構建的實驗室已經(jīng)在醫(yī)學研究、生物應用分析和化學領域掀起了巨大的研究浪潮。由微小粒子構成的旋轉器在微流系統(tǒng)中充當攪拌器這一至關重要的角色，因此設計和制備微小粒子旋轉器變得也越來越重要。為了獲得更高性能的旋轉器，人們開始使用光驅動。
光具有產生福射壓カ的線性動量,在一定條件下,光還攜帶有角動量，包括自旋角動量和軌道角動量。1936年，R.A. Beth在實驗上讓一束圓偏振光通過細絲懸掛的半波片，首次利用光束中光子的角動量實現(xiàn)了物體的旋轉。自此以來人們一直在不停的探索著實現(xiàn)光致旋轉的方法。自從1986年Askin等人在Opt. Lett. 11，288-290上發(fā)表文早“Observation of asingie—beam gradient force optical trap for dielectricparticles提出了 “光鑷”實現(xiàn)了對粒子的三維空間控制，同時也促進了光致旋轉的發(fā)展。到目前為止實現(xiàn)光驅動旋轉主要采用如下幾種方式第一種方式是利用自旋角動量實現(xiàn)萬定轉，如又獻(Sugiura T, Kawata S, Minami S. Opticalrotation of small particlesby a circularly-polarized laser beam in an optical microscope. JSpectroscSocJpn 1990,39:342)中提到利用圓偏振光激光束作用到雙折射材料；第二種方式是利用軌道角動量實現(xiàn)旋轉，如文獻(Sato S, Ishigure M, Inaba H. Optical trapping andmanipulation ofmicroscopic particles and biological cells using higher-oraermode Nd YAG laserbeams. Electron. Lett. ,1991,27 :1831-1832)中提到的一種非均勻強度的高階模式激光束照射；第三種方式是利用光的線性動量實現(xiàn)旋轉，設計制作具有特定外形結構的微型器件，利用器件對光束的反射、折射、吸收等相互作用來實現(xiàn)器件的旋轉(祝安定，劉宇翔，郭銳，等.ー種微型轉子的激光加工和光致旋轉.光電工程.2006，33(1) :10-13)。使用特殊形狀如風車狀的微粒，光束本身不攜帶角動量，可以是線偏振光也可以是非偏振光，其光致旋轉的原理類似風吹風車轉動，光場的光壓力作用在風車狀的微粒上會產生扭矩從而使微粒旋轉，其轉速與光強成正比。匈牙利科學院的Ormos小組在這方面做了大量的研究工作。這種方法的優(yōu)點是微粒的轉速與方向可以人為控制，缺點是受到微粒的形狀的限制，但隨著雙光子加工加工技術的發(fā)展，這種實驗方法應用起來更加的靈活。另外還有雙光纖法、雙光阱法、干渉激光模式法等多種巧妙的方法，這些光學旋轉方法的巧妙之處一般都在于光阱激光模式的選擇以及光路的設計思想，還有待進ー步改進和完善。但目前為止都是采用激光形成光鑷進行驅動。由于激光光鑷體積比較龐大，不易移動，造價高等不足我們提出雙向彎曲表面芯光纖進行驅動。
自 1992 年 S. Kawata 和 T. Sugiura (S. Kawata and Τ· Sugiura, “Movement ofmicrometer-sizedparticles in the evanescent field of a laser beam,，，Opt.Lett. 17，772-774，1992)第一次證明了可以用棱鏡產生的倏逝場對微粒進行操縱后，基于倏逝場的微粒操作得到了逐步的發(fā)展。人們利用光波導產生的倏逝波對多種微粒的操作進行了研究。Grujic 等(K. Grujic, O. G. Helles0, J. S. Wilkinson and J. P. Hole,‘‘Optical propulsion of microspheres along a channel waveguide producedbyCs+ion-exchange in glass, Opt. Commun. 239, 227-235, 2004)對沿著銫離子交換法制作的波導運動的微粒進行了研究，使小生物分子吸附在乳膠球上進而可以被光場操縱，并且用同樣的方法制作了 Y形分支結構的波導，通過改變在多模主干波導的光場分布來觀測分支結構對微粒的篩選效率(K. Grujic, O. G. Helles0, J. S. Wilkinson, J. P. Hole,“borting οι poiystyrenemicrospheres 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. Derouard, and J. M. Fedeli, “Opticalmanipulation of microparticlesand cells on silicon nitride waveguides,，，Opt. Express, vol. 13, pp. 6956-6963,Sep. 2005)他們對無便簽的紅細胞和酵母細胞進行操縱，這是首次把這項技術應用于生物細胞的操作上，并成功對紅細胞和酵母細胞以I μ m/s的速度推進。此外，Yang等 (Allen H. J. Yang, Sean D. Moore, Bradley S. Schmidt, Matthew Klug， Michal Lipsonand DavidErickson. “Optical manipulation of nanoparticles and biomoleculesinsub-wavelength slotwaveguides，，，Nature. Letters, Vol. 457, pp. 71-75, January. 2009)采用狹縫波導對微小粒子的光操縱進行了研究。這種狹縫波導把電磁能量縮減到60nm的尺寸內，以此來克服光的衍射問題。并用這種方法捕獲和傳輸了 75nm的電介質納米球和λ-DNA分子。相比于傳統(tǒng)的點捕獲，這種方法可以看為是線捕獲，因此可以對延展的生物大分子進行直接的操作。而 Shen 等(Fang-Wen Sheu,Hong-Yu ffu, and Sy-Hann Chen. “Usinga slightly tapered optical tiber toattract and transport microparticles，，,OPTICSEXPRESS, Vol. 18，No. 6，pp. 5574-5579，2010)通過光纖拉錐的方法產生的倏逝場對微粒進行操縱。他們把ー根標準的125 μ m直徑的單模傳輸光纖拉成腰直徑為50 μ m的錐形光纖，當通入960m激光后,可以使10 μ m的微球產生運動。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具備體積小、重量輕、結構簡單、成本低、易操作、易封裝固定等優(yōu)點，能避免由于直接接觸損傷溶劑活性的雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
包括兩根彎曲單芯光纖和微小粒子，所述彎曲單芯光纖是可以使纖芯表面的倏逝場透射出包層的至少在彎曲部位纖芯是靠近包層表面的單芯光纖，兩根彎曲光纖相向一端分別與光源連接，兩根彎曲單芯光纖對稱排布并且彎曲弧度相同，微小粒子位于兩根彎曲單芯光纖的對稱中心位置，所述微小粒子的上體為密度較小材質制成的ー個圓柱、底部為密度較大的材質制成的帶有多個翼的螺旋狀。
本發(fā)明還可以包括
I、所述彎曲單芯光纖是彎曲表面單芯光纖。[0010]2、所述彎曲單芯光纖是標準單模光纖在彎曲一定弧度后在纖芯的正上方將光纖包層拋磨到倏逝場存在的區(qū)域制成的彎曲的拋磨表面芯光纖。

3、所述彎曲單芯光纖是偏心光纖在彎曲一定弧度后在纖芯的正上方將光纖包層拋磨到倏逝場存在的區(qū)域制成的彎曲的拋磨表面芯光纖。
4、所述拋磨表面芯光纖的包層拋磨段的橫截面相似于D形，未拋磨部分的橫截面為圓形。
利用倏逝場光學捕獲與操控的光學系統(tǒng)在微流驅動中體現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。因為基于倏逝場光學捕獲與操控的光學系統(tǒng)的操縱區(qū)域不會受到激光光斑尺寸的限制，僅受限于系統(tǒng)的散射和吸收損耗，此外，増加了器件的集成度，減少了成本，使器件朝著高密度低成本的方向發(fā)展。我們還可以利用高折射率材料控制光場能量的分布區(qū)域的空間尺寸，使之遠小于自由空間光的波長，從而來實現(xiàn)微納粒子的捕獲與旋轉。
本發(fā)明提供了一種新穎的基于雙向彎曲表面芯光纖驅動微小粒子構成的旋轉器，它采用了由兩根彎曲表面單芯光纖或兩根彎曲的拋磨表面芯光纖和微小粒子組成，并且在兩根彎曲光纖中相向注入光。相對傳統(tǒng)利用激光驅動微粒構成的旋轉器，它不僅具備體積小、重量輕、結構簡單、價格便宜、易操作、易封裝固定等優(yōu)點，并且在封閉的環(huán)境中可進行非接觸操控等優(yōu)點，也更方便地修改操作位置，并且具有倏逝場利用的區(qū)域方便人為操控的巨大優(yōu)勢，由于利用光纖的倏逝場產生的光輻射カ驅動微粒旋轉，避免了由于功率過大灼燒微粒的現(xiàn)象而且系統(tǒng)采取非接觸驅動，避免由于直接接觸損傷溶劑活性，所以廣泛應用在生物和化學領域。
實現(xiàn)雙向彎曲表面芯光纖驅動微小粒子旋轉的基本原理是由于表面芯光纖的結構，纖芯中的傳輸光由纖芯福射出去，在光纖表面形成福射場或倏逝場，形成了光梯度場，因此在光場附近會產生カ場，力的矢量從光功率最小值指向光功率最大值，從而處于光纖表面的微小粒子會受到カ的作用，其所受到的合力可以分解為指向光纖纖芯中心的力和沿著光傳播方向的力，這兩個カ就是微小粒子受到的捕獲カ和推進カ。由于兩根彎曲表面芯光纖相向注入光共同作用微小粒子，微小粒子收到四個カ的作用下，垂直光傳播方向受カ平衡，沿著光傳播方向根據(jù)光致旋轉的原理類似風吹風車轉動，光場的光壓力作用在風車狀的微粒上會產生扭矩從而使微粒旋轉，其轉速與光強成正比。相対的光傳播方向可以使扭矩疊加，從而獲得更高的轉速。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
I、本發(fā)明提供了一種基于雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器，它采用了新穎的由兩根彎曲表面單芯光纖或兩根彎曲拋磨表面芯光纖形成的倏逝場產生的カ對微小粒子驅動，相對傳統(tǒng)激光驅動微轉子裝置，它具備體積小、結構簡単、質量輕、價格便宜、操作自由度大、易操作可以方便地修改操作位置、實現(xiàn)外部控制俘獲和旋轉的優(yōu)點。
2、雙向彎曲表面芯光纖水平對稱分布使得微攪拌器裝置下表面水平，易于裝配、固定。
3、由于采用倏逝場產生的光輻射カ驅動微粒旋轉，其光束能夠避免傳統(tǒng)激光驅動裝置由于功率過大在微轉子的表面產生灼傷的現(xiàn)象。
4、由于采用非接觸驅動，避免由于直接接觸損傷溶劑活性，所以廣泛應用在生物和化學領域。[0021]5、利用不同密度材料制成的微小粒子，使重心在底部，從而使得微小顆粒直立懸浮在液體中，可以穩(wěn)定驅動粒子旋轉。


圖I基于雙向彎曲表面單芯光纖微小粒子旋轉器示意圖；
圖2雙向彎曲表面單芯光纖橫截面示意圖；
圖3基于雙向彎曲拋磨偏芯光纖微小粒子旋轉器示意圖；
圖4-1至圖4-4雙向彎曲拋磨表面芯光纖拋磨前后橫截面示意圖，其中圖4-1標準單模光纖拋磨前其橫截面示意圖；圖4-2標準單模光纖拋磨后其橫截面示意圖；圖4-3偏心光纖拋磨前其橫截面示意圖；圖4-4偏心光纖拋磨后其橫截面示意圖；
圖5-1至圖5-4微小粒子結構示意圖，其中圖5-1微小粒子三維空間圖；圖5_2微小粒子上視圖；圖5-3微小粒子前視圖；圖5-4微小粒子右視圖；
圖6光源尾纖與表面單芯光纖或偏芯光纖的焊接對準示意圖；
圖7連接有光源尾纖的彎曲表面單芯光纖結構示意圖；
圖8基于偏芯光纖拋磨成表面芯光纖連接光源尾纖結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
結合圖1、2所示，本發(fā)明第一種實施方式是由兩根彎曲表面單芯光纖I和微小粒子2組成，兩根彎曲光纖相向一端分別與光源連接，在兩根彎曲表面芯光纖中相向注入光。兩根彎曲單芯光纖對稱排布并且彎曲弧度相同，微小粒子位于兩根彎曲單芯光纖的對稱中心位置。同時結合圖5-1至圖5-4，所述微小粒子的上體為密度較小材質制成的ー個圓柱、底部為密度較大的材質制成的帶有多個翼的螺旋狀。因為彎曲表面單芯光纖的結構，纖芯中的傳輸光3以倏逝波4的形式透射出包層并作用在微小粒子2上，這部分透射出來的倏逝場對微小粒子2產生光輻射壓力形成扭轉カ矩實現(xiàn)旋轉。
結合圖3、圖4-3、圖4-4，本發(fā)明第二種實施方式是由兩根偏心光纖5經(jīng)彎曲拋磨后形成彎曲拋磨表面芯光纖和微小粒子2組成，并且在兩根彎曲表面芯光纖中相向注入光。利用拋磨區(qū)域6形成的倏逝場作用在微小粒子2上，這部分透射出來的倏逝場對微小粒子2產生光輻射壓力形成扭轉カ矩實現(xiàn)旋轉。
結合圖3、圖4-1、圖4-2所示，本發(fā)明第三種實施方式是由兩根標準單模光纖7經(jīng)彎曲拋磨后形成彎曲拋磨表面芯光纖和微小粒子2組成，并且在兩根彎曲表面芯光纖中相向注入光。利用拋磨區(qū)域6形成的倏逝場作用在微小粒子2上，這部分透射出來的倏逝場對微小粒子2產生光輻射壓力形成扭轉カ矩實現(xiàn)旋轉。
上述實施方式中的光纖的組成包括纖芯11和包層12。
下面舉例說明本發(fā)明的制作過程
制作過程I :
I、光源尾纖耦合連接取兩段表面單芯光纖，分別將兩段光纖各一端進行涂覆層祛除、切割，然后相向一端與帶光源尾纖的單模光纖8進行對準焊接如圖6所示。在圖7所示的焊點9處進行加熱至軟化狀態(tài)，然后進行拉錐，并進行光功率監(jiān)測，直到耦合到表面單芯光纖的光功率達到最大時為止；
2、封裝保護將內徑大于標準光纖和表面單芯光纖的石英管調至圖7所示的耦合區(qū)10處，利用環(huán)氧樹脂固定好，然后進行二次涂覆完成整體保護；
3、旋轉微粒將制備好的兩段表面單芯光纖，按照相同角度彎曲，中心距離20微米，水平對稱排布，相向通入光。
4、微粒的加工其中微小粒子的加工如圖5所示，首先在CAD中設計所需求的模型，然后按照CAD已經(jīng)設計好的應用程序，轉化為控制器可以識別的指令，再利用計算機的軟件控制系統(tǒng)控制三維移動軸的精密運動和光閘的通斷，實現(xiàn)飛秒激光有選擇性加工，此 時飛秒激光準直后從顯微鏡左側入射，經(jīng)過反射鏡反射后，被100倍顯微物鏡聚焦到不同密度的光敏樹脂內，光敏樹脂位于玻片表面，玻片固定在三維移動軸上，從而在光敏樹脂內制作三維立體微器件，未曝光的材料用溶劑溶解，就得到所需的固化三維微結構即所設計的微小粒子。
制作過程2:
I、光源尾纖耦合連接取兩段偏芯光纖，分別將兩段光纖各一端進行涂覆層祛除、切割，然后相向一端與帶光源尾纖的單模光纖8進行對準焊接如圖6所示。在圖8所示的焊點9處進行加熱至軟化狀態(tài)，然后進行拉錐，并進行光功率監(jiān)測，直到耦合到偏芯光纖的光功率達到最大時為止；
2、封裝保護將內徑大于標準光纖和偏芯光纖的石英管調至圖8所示的耦合區(qū)10處，利用環(huán)氧樹脂固定好，然后進行二次涂覆完成整體保護；
3、彎曲拋磨表面芯光纖制作將經(jīng)過1、2步驟制備好的兩段連接光源尾纖的偏芯光纖分別用環(huán)氧膠固定在ー塊上面開著弧型槽的玻璃基塊上，然后將光纖與此基塊一起在商用光學拋磨機上研磨，拋磨至有倏逝場4形成，拋磨完畢后，需用其他化學溶劑來溶解環(huán)氧膠。同理取另外一段相同長度光纖做相同處理。拋磨區(qū)域6的橫截面為D形，未拋磨區(qū)域的橫截面為圓形。將已經(jīng)過拋磨后的兩段光纖彎曲一定角度后，拋磨區(qū)域6相對并水平布置在玻璃基底上，并用膠進行固定，并相向通入光。
4、微粒的加工如制作過程I中步驟4。
制作過程3
I、彎曲拋磨表面芯光纖制作去兩段帶有光源的標準單模光纖7分別用環(huán)氧膠固定在ー塊上面開著弧型槽的玻璃基塊上，然后將光纖與此基塊一起在商用光學拋磨機上研磨，拋磨至有倏逝場4形成，拋磨完畢后，需用其他化學溶劑來溶解環(huán)氧膠。同理取另外一段相同長度光纖做相同處理。拋磨區(qū)域6的橫截面為D形，未拋磨區(qū)域的橫截面為圓形。將已經(jīng)過拋磨后的兩段光纖彎曲一定角度后，拋磨區(qū)域6相對并水平布置在玻璃基底上，并用膠進行固定，并相向通入光。
2、微粒的加工如制作過程I中步驟4。
權利要求
1.一種雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器，其特征是包括兩根彎曲單芯光纖和微小粒子，所述彎曲單芯光纖是可以使纖芯表面的倏逝場透射出包層的至少在彎曲部位纖芯是靠近包層表面的單芯光纖，兩根彎曲光纖相向一端分別與光源連接，纖芯中的傳輸光以倏逝波的形式透射出包層并作用在微小粒子上，這部分透射出來的倏逝場對微小粒子產生光輻射壓力形成扭轉カ矩實現(xiàn)旋轉，兩根彎曲單芯光纖對稱排布并且彎曲弧度相同，微小粒子位于兩根彎曲單芯光纖的對稱中心位置，所述微小粒子的上體為密度較小材質制成的ー個圓柱、底部為密度較大的材質制成的帶有多個翼的螺旋狀。
2.根據(jù)權利要求
I所述的雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器，其特征是所述彎曲單芯光纖是彎曲表面單芯光纖。
3.根據(jù)權利要求
I所述的雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器，其特征是所述彎曲單芯光纖是標準單模光纖在彎曲一定弧度后在纖芯的正上方將光纖包層拋磨到倏逝場存在的區(qū)域制成的彎曲的拋磨表面芯光纖。
4.根據(jù)權利要求
I所述的雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器，其特征是所述彎曲單芯光纖是偏心光纖在彎曲一定弧度后在纖芯的正上方將光纖包層拋磨到倏逝場存在的 區(qū)域制成的彎曲的拋磨表面芯光纖。
5.根據(jù)權利要求
3或4所述的雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器，其特征是所述拋磨表面芯光纖的包層拋磨段的橫截面相似于D形，未拋磨部分的橫截面為圓形。
專利摘要
本發(fā)明提供的是一種雙向彎曲表面芯光纖微小粒子旋轉器。包括兩根彎曲單芯光纖和微小粒子，所述彎曲單芯光纖是可以使纖芯表面的倏逝場透射出包層的至少在彎曲部位纖芯是靠近包層表面的單芯光纖，兩根彎曲光纖相向一端分別與光源連接，兩根彎曲單芯光纖對稱排布并且彎曲弧度相同，微小粒子位于兩根彎曲單芯光纖的對稱中心位置，所述微小粒子的上體為密度較小材質制成的一個圓柱、底部為密度較大的材質制成的帶有多個翼的螺旋狀。本發(fā)明具備體積小、重量輕、結構簡單、成本低、易操作、易封裝固定等優(yōu)點，并且方便人為操控。能避免由于功率過大灼燒微粒的現(xiàn)象及由于直接接觸損傷溶劑活性，在生物和化學領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號G21K1/00GKCN102183820SQ201110113793
公開日2012年8月22日 申請日期2011年5月4日
發(fā)明者畢思思, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3), 非專利引用 (1),