CN102222533A

CN102222533A - 基于多芯光纤的自组装式光动力钻

Info

Publication number: CN102222533A
Application number: CN2011101137826A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 毕思思
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2031-05-04
Also published as: CN102222533B

Abstract

本发明提供的是一种基于多芯光纤的自组装式光动力钻。包括前端经加工后的多芯光纤形成的光镊和微转子，前端经加工后的多芯光纤形成的光镊在溶液中自动俘获微转子后构成光动力钻；所述微转子结构包括球体、旋转轴、由多个翼构成的“类风车”转子结构和锥体尖端，球体位于旋转轴顶端，由多个翼构成的“类风车”转子结构位于旋转轴中部，锥体尖端位于旋转轴底端。本发明的微转子球体一旦被俘获可自行组装为光动力钻，操作方便，结构简单，易控制，并且光动力钻尺寸为微米级，转速受外界操控，可以广泛应用到微生物打孔中如细胞壁钻孔。因此，为微生命科学和生物医学研究提供了一种强有力的工具。

Description

基于多芯光纤的自组装式光动力钻

技术领域

本发明涉及的是一种光动力钻，具体地说是一种基于多芯光纤的自组装式光动力钻。

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，以及工艺加工技术和计算机技术的发展，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。

1936年，R.A.Beth在实验上让一束圆偏振光通过细丝悬挂的半波片，首次利用光束中光子的角动量实现了物体的旋转(Beth R A.Mechanical detection and measurement of the angualarmomentum of light.Phys.Rev.，1936，50：115-125)。自此以来人们一直在不停的探索着实现光致旋转的方法。自从1986年Askin等人提出了“光镊”实现了对粒子的三维空间控制(Ashkin，J.M.Dziedzic，J.E.Bjorkholm，S.Chu.Observation of a single-beam gradient force opticaltrap for dielectric particles.Opt.Lett.1986，11，288-290.)，同时也促进了光致旋转的发展。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；第二种方式是利用轨道角动量实现旋转；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 Micromachines Produced and Driven by Light.Appl.Phys.Lett.2001，78(2)：249-251)。利用第三种方式实现旋转的研究比较多，由于微粒的转速与方向可以人为控制，并且利用双光子聚合技术可以加工出适合于光学驱动的任意三维微器件，使得这种实验方法实现起来更加灵活，因此，目前有更多的研究人员致力于马达设计研究和改良。

匈牙利科学院的Ormos小组在这方面也做了大量的研究工作，提出了多种特殊形状的转子并通过实验进行了验证，利用激光光镊俘获并驱动螺旋形结构的转子，包括螺旋桨形，螺旋线形，洒水器形，经过实验验证对比在相同条件下螺旋桨形转子可以获得更高转速，10mw的功率下可达到几赫兹的旋转速率(Peter Galajda，Pal Ormos.Rotation of microscopic propellers in lasertweezers.Journal of Optics B：Quantum and Semiclassical Optics 2002，4(2)，pp.S78-S81)；为了得到连续的旋转控制方式，Ormos等人根据扁平粒子被产生线偏振光的激光光镊俘获旋转后，旋转方向与偏振面方向一致，因此设计了带有横截面为十字型齿轮粒子，虽然旋转方向易控制，但是相同的条件下产生的扭转力矩较小；另外，为了获得更好的实验结果，Ormos与他的同事又提出将多个转子组合形成齿轮带动装置，利用中心转子转动带动其它转子。考虑到激光光镊装置的复杂性，在某些应用下使用波导光驱动更有益，尤其在微流系统中，于是他们又提出了集成系统，包括光转子，光轴和利用双光子聚合方法形成的光波导，波导光输入功率10mw可以产生2rps旋转速率。

日本立命馆大学Ukita小组，也提出了多种转子结构如简单毽子状、带有斜面的毽子状，其中包括三个翼、四个翼以及多个翼及圆柱形带有斜面结构的转子(H.Ukita，M.Kanehira.Ashuttlecock optical rotor-Its design，fabrication and evaluation for a micro-fluidic mixer.IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics on Optical MEMS，8，pp.111-117，2002.)，通过理论计算光力矩和粘性阻力，并且通过实验进行了验证。这些转子结构均能实现稳定俘获、高速旋转；同时通过理论计算和仿真光束的各个参数如光强、数值孔径、焦距等对转子的转速影响，从而优化了光束特性和转子结构。Ukita等人考虑到微流系统中粘滞阻力的影响，提出了在带有斜面的转子的侧面制成圆柱形可以减少粘滞阻力，从而获得了更高的转速和性能。为了在微流系统中能够充分发挥搅拌器的作用，他们又提出了通过置换激光光镊光阱的位置来实现转子的逆时针和顺时针方向的变化，首先将两个带有三个翼的转子连接起来，经过激光照射整体，获得的转速为单一转子的2倍。基于这种设计原理，Shoii Maruo等人也设计了一种组合式转子，将具有相反方向翼的两个转子联系起来，并且在两个转子外面套一个圆柱形外罩，目的是固定两个转子和减少粘滞阻力，然后将激光光束聚焦到两个转子的中间，使得作用到转子翼的光压力方向相同，因此增加了光扭转力矩，可以获得较高的转速。

Queensland大学Vincent L.Y.Loke为了将光马达更好的应用到生物应用中，可以随时控制样本溶液的流动方向和位置，设计并利用双光子聚合技术制备了形状类似于哑铃状中间带有叶片的转子，在多光束驱动下实现转动，获得了较高的搅拌效率。(Gregor

SimonParkin，Timo A.Nieminen，Vincent L.Y.Loke，Norman R.Heckenberg，and Halina Rubinsztein-DunlopIntegrated optomechanical microelements.Optics Express，2007，15(9)，pp.5521-5530)为了获得更好的实验效果，他们提出将可产生扭转力矩的多种方式结合起来，首先将两个转子组合，然后利用带有角动量的光束进行照射并获得较理想的结果。

中国科技大学黄文浩小组利用一种丙烯酸酯光固化材料S-3的双光子聚合效应，在自行研制的飞秒激光微细加工系统中加工出直径为6微米的万字形微转子，并利用光镊装置实现了激光功率50mW时200rpm光致旋转(祝安定，刘宇翔，郭锐，肖诗洲，黄文浩.一种微型转子的激光加工和光致旋转.光电工程.2006(33)：10-13)，同时也提出了几种计算光扭矩的方法，并利用该方法对Ormos小组曾经设计的几种特殊转子进行了理论计算，求出的结果与实验基本相符。

全球有多所大学根据“类风车旋转”原理，在转子形状设计上做了较多研究，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，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操作方便，结构简单，易控制，转速受外界操控的基于多芯光纤的自组装式光动力钻。

本发明的目的是这样实现的：包括前端经加工后的多芯光纤形成的光镊和微转子，前端经加工后的多芯光纤形成的光镊在溶液中自动俘获微转子后构成光动力钻；所述微转子结构包括球体、旋转轴、由多个翼构成的“类风车”转子结构和锥体尖端，球体位于旋转轴顶端，由多个翼构成的“类风车”转子结构位于旋转轴中部，锥体尖端位于旋转轴底端。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述多个翼构成的“类风车”转子结构包括3-6个翼，每个翼为上面呈斜面的柱状。

2、每个翼的外端带有半圆柱。

3、所述的前端经加工后的多芯光纤，是将多芯光纤前端经精密研磨加工或熔融拉锥后形成倒角α，倒角α满足关系π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2形成光学势阱俘获微转子球体。

4、所述的多芯光纤的纤芯几何分布是呈正三角形分布的三芯光纤或呈正方形分布四芯光纤。

5、所述的微转子中部为带有三个翼或多个翼的转子结构可以与光束反射、折射、吸收等相互作用来产生扭矩实现旋转。所述的微转子两端为对称球体，旋转轴，中间为带有三个翼或多个翼的转子结构可以与光束反射、折射、吸收等相互作用来产生扭矩实现旋转。

本发明提供了一种新颖的基于多芯光纤的自组装式光动力钻，它主要由前端经精细加工后的多芯光纤形成的光镊在溶液中自动俘获微转子的球体后自行构成光动力钻系统；微转子结构包括顶端球体、旋转轴、连接带有斜面和半圆柱的多个翼的“类风车”转子结构，底端为锥体尖端；其中多芯光纤的前端俘获住球体后，起到定轴作用的同时，出射光垂直照射到带有斜面的翼，实现旋转，同时带动底端锥体旋转起到光动力钻的作用。由于微转子球体一旦被俘获可自行组装为光动力钻，操作方便，结构简单，易控制，并且光动力钻尺寸为微米级，转速受外界操控，可以广泛应用到微生物打孔中如细胞壁钻孔。因此，为微生命科学和生物医学研究提供了一种强有力的工具。

本发明具有如下特点：

1、本发明提供了一种新型的基于多芯光纤的自组装式光动力钻，利用多芯光纤经过精密研磨加工或熔融拉锥后形成光学势阱俘获微转子，体积小，节省了物理空间，操作容易，操控范围大，结构简单，可以实现人为外部操控。

2、微转子球体一旦被俘获，出射光同时照射到带有斜面的翼，实现旋转，同时带动底端锥体旋转起到光动力钻的作用，实现了自组装配。

3、光动力钻尺寸为微米级，转速受外界操控，可以广泛应用到微生物打孔中如细胞壁钻孔。因此，为微生命科学和生物医学研究提供了一种强有力的工具。

附图说明

图1基于多芯光纤的自组装式光动力钻示意图；

图2精细研磨加工的多芯光纤示意图；

图3熔融拉锥后多芯光纤结构示意图；

图4多芯光纤熔融拉锥示意图；

图5三芯光纤横截面示意图；

图6四芯光纤横截面示意图；

图7微转子结构示意图

图8微转子上视图；

图9微转子前视图。

具体实施方式

下面结合附图以三芯光纤为例对本发明做更详细地描述：

结合图1，3，它主要由前端经精细加工后的多芯光纤1形成的光镊4在溶液中自动俘获微转子5的球体后自行构成光动力钻系统；同时结合图7-9，微转子结构包括顶端球体、旋转轴、连接带有斜面和半圆柱的多个翼的“类风车”转子结构，底端为锥体尖端；其中多芯光纤的前端俘获住球体后，起到定轴作用的同时，出射光垂直照射到带有斜面的翼，实现旋转，同时带动底端锥体旋转起到光动力钻的作用。所述的前端经精细加工后的多芯光纤，是将多芯光纤前端经精密研磨加工或熔融拉锥后，倒角α满足关系π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2形成光学势阱俘获微转子球体。所述的多芯光纤的纤芯几何分布是呈正三角形分布的三芯光纤和呈正方形分布四芯光纤。所述的微转子中部为带有三个翼或多个翼的转子结构可以与光束反射、折射、吸收等相互作用来产生扭矩实现旋转。所述的微转子两端为对称球体，旋转轴，中间为带有三个翼或多个翼的转子结构可以与光束反射、折射、吸收等相互作用来产生扭矩实现旋转。

下面举例说明本发明的制作过程：

制作过程举例1：

1、研磨锥体多芯光纤制作：取一段纤芯分布呈正三角形的三芯光纤1前端进行精细研磨，成圆锥体形状4，为了保证出射光经过圆锥面折射后能够形成相互交叉的组合光束，半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内。对于纤芯折射率n_core＝1.4868，包层折射率n_cladding＝1.4571，和光纤光镊所处的液体折射率n_water＝1.333的情况下，该半锥角的范围应控制在26.3°-90°之间；

2、锥体抛光：将上述研磨好的光纤锥体进行抛光，在显微镜下经过检测合格后，放在超声清洗槽中清洗、烘干备用；

3、微转子的加工：其中微小粒子的加工如图7所示，首先在CAD中设计所需求的模型，然后按照CAD已经设计好的应用程序，转化为控制器可以识别的指令，再利用计算机的软件控制系统控制三维移动轴的精密运动和光闸的通断，实现飞秒激光有选择性加工，此时飞秒激光准直后从显微镜左侧入射，经过反射镜反射后，被100倍显微物镜聚焦到光敏树脂内，光敏树脂位于玻片表面，玻片固定在三维移动轴上，从而在光敏树脂内制作三维立体微器件，未曝光的材料用溶剂溶解，就得到所需的固化三维微结构即所设计的微转子。

制作过程举例2：

1、熔融拉锥后的锥体多芯光纤制作：结合图3、4，将三芯光纤1的光纤端进行熔融拉锥，进行加热至软化状态，然后进行拉锥，多芯光纤的纤芯距离随着拉锥距离成比例的缩小，直至半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内停止拉锥。对于纤芯折射率n_core＝1.4868，包层折射率n_cladding＝1.4571，和光纤光镊所处的液体折射率n_water＝1.333的情况下，该半锥角的范围应控制在26.3°-90°之间；。

2、微转子的加工：其中微小粒子的加工如图7所示，首先在CAD中设计所需求的模型，然后按照CAD已经设计好的应用程序，转化为控制器可以识别的指令，再利用计算机的软件控制系统控制三维移动轴的精密运动和光闸的通断，实现飞秒激光有选择性加工，此时飞秒激光准直后从显微镜左侧入射，经过反射镜反射后，被100倍显微物镜聚焦到光敏树脂内，光敏树脂位于玻片表面，玻片固定在三维移动轴上，从而在光敏树脂内制作三维立体微器件，未曝光的材料用溶剂溶解，就得到所需的固化三维微结构即所设计的微转子。

Claims

1.一种基于多芯光纤的自组装式光动力钻，其特征是：包括前端经加工后的多芯光纤形成的光镊和微转子，前端经加工后的多芯光纤形成的光镊在溶液中自动俘获微转子后构成光动力钻；所述微转子结构包括球体、旋转轴、由多个翼构成的“类风车”转子结构和锥体尖端，球体位于旋转轴顶端，由多个翼构成的“类风车”转子结构位于旋转轴中部，锥体尖端位于旋转轴底端。

2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的自组装式光动力钻，其特征是：所述多个翼构成的“类风车”转子结构包括3-6个翼，每个翼为上面呈斜面的柱状。

3.根据权利要求2所述的基于多芯光纤的自组装式光动力钻，其特征是：每个翼的外端带有半圆柱。

4.根据权利要求1、2或2所述的基于多芯光纤的自组装式光动力钻，其特征是：所述的前端经加工后的多芯光纤，是将多芯光纤前端经精密研磨加工或熔融拉锥后形成倒角α，倒角α满足关系π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2形成光学势阱俘获微转子球体。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于多芯光纤的自组装式光动力钻，其特征是：所述的多芯光纤的纤芯几何分布是呈正三角形分布的三芯光纤或呈正方形分布四芯光纤。

6.根据权利要求4所述的基于多芯光纤的自组装式光动力钻，其特征是：所述的多芯光纤的纤芯几何分布是呈正三角形分布的三芯光纤或呈正方形分布四芯光纤。