CN102183818B

CN102183818B - 一种基于多芯光纤的光马达及微泵

Info

Publication number: CN102183818B
Application number: CN 201110113766
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: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-05-04
Also published as: CN102183818A

Abstract

本发明提供的是一种基于多芯光纤的光马达及微泵。包括前端为楔形的多芯光纤和微转子；所述微转子包括球体、旋转轴和翼，翼布置于旋转轴上、两个球体安装在旋转轴的两端构成对称结构的微转子；所述前端为楔形的多芯光纤包括形成双光镊俘获微转子的球体起到定轴作用的两对两侧对称的定轴纤芯，还包括发出出射光驱动微转子的翼的驱动纤芯。在玻璃基底上加工有两个V形槽和双U形流道，楔形的多芯光纤固定在V形槽中，将微转子置于双U形流道的U形弯曲处，利用前端为楔形的多芯光纤驱动微转子旋转带动液体流动形成微泵。相对传统光驱动装置本发明具备体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、节省操作空间等优点，可广泛应用在生物和化学领域。

Description

一种基于多芯光纤的光马达及微泵

技术领域

本发明涉及的是一种微型驱动装置。具体地说是一种应用到微泵中的多芯光纤驱动微转子旋转的装置。

背景技术

近些年来，微全分析***(μTAS)也称为单晶片上构建的实验室已经在医学研究、生物应用分析和化学领域掀起了巨大的研究浪潮。其中微泵是驱动微流运动的至关重要的部分之一，因此设计和制备微泵也变得越来越重要。然而，之前制备的微泵由于采用变形膜形成的容积(M.A.Unger，H.P.Chou，T.Thorsen，A.Scherer and S.R.Quake，″Monolithic Micro-fabricated Valves and Pumps by Multilayer Soft Lithography，”Science 288，113(2000))，所以很难减少它的尺寸。另外，这种方式制备的微泵会产生脉动这对高精度的化学和生物进程是很不利的因素，这些负面影响使得这种方式下的微泵需要得到更进一步的改进。为了克服以上不足，人们开始采用光驱动的方式，它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，另外采用光驱动微泵可以提供极低的流动速度(小于1pL/min)在不使用制动器的情况下。光驱动微泵主要分为两种。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(A.Terray，J.Oakey and D.W.M.Marr，″Microfluidic control using colloidal devices，”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(Shoji Maruo，Akira Takaura，and Yohei Saito.Optically driven micropump with a twinspiral Microrotor.Optics Express 17(21)，pp.18525-18532(2009))。

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。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等人在Opt.Lett.11，288-290上发表文章“Observation of a single-beamgradient force optical trap for dielectric particles提出了“光镊”实现了对粒子的三维空间控制，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，如文献(Sugiura T，Kawata S，MinamiS.Optical rotation of small particles by a circularly-polarized laser beam in anoptical microscope.J Spectrosc Soc Jpn 1990，39：342)中提到利用圆偏振光激光束作用到双折射材料；第二种方式是利用轨道角动量实现旋转，如文献(Sato S，I shigure M，InabaH.Optical trapping and manipulation of microscopic particles and biological cellsusing higher-order mode Nd：YAG laser beams.Electron.Lett.，1991，27：1831-1832)中提到的一种非均匀强度的高阶模式激光束照射；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(祝安定，刘宇翔，郭锐，等.一种微型转子的激光加工和光致旋转.光电工程.2006，33(1)：10-13)。使用特殊形状如风车状的微粒，光束本身不携带角动量，可以是线偏振光也可以是非偏振光，其光致旋转的原理类似风吹风车转动，光场的光压力作用在风车状的微粒上会产生扭矩从而使微粒旋转，其转速与光强成正比。匈牙利科学院的Ormos小组在这方面做了大量的研究工作。这种方法的优点是微粒的转速与方向可以人为控制，缺点是受到微粒的形状的限制，但随着双光子加工技术的发展，这种方法应用起来更加的灵活。另外还有双光纤法、双光阱法、干涉激光模式法等多种巧妙的方法，这些光学旋转方法的巧妙之处一般都在于光阱激光模式的选择以及光路的设计思想，还有待进一步改进和完善。但目前为止都是采用激光形成光镊进行驱动。激光光镊体积比较庞大，不易移动，造价高。

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、节省操作空间的基于多芯光纤的光马达。本发明的目的还在于提供一种包括基于多芯光纤的光马达的微泵。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于多芯光纤的光马达包括前端为楔形的多芯光纤和微转子；所述微转子包括球体、旋转轴和翼，多个翼布置于旋转轴上、两个球体安装在旋转轴的两端构成对称结构的微转子；所述前端为楔形的多芯光纤包括形成双光镊俘获微转子的球体起到定轴作用的两对两侧对称的定轴纤芯，还包括发出出射光驱动微转子的翼的驱动纤芯。

本发明基于多芯光纤的光马达还可以包括：

1、所述的前端为楔形的多芯光纤，是将多芯光纤前端经精密加工以倒角为α两侧对称切除形成楔形多芯光纤，并且角度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。

2、所述的楔形的多芯光纤包括4根定轴纤芯和1根驱动纤芯，纤芯的几何分布是4根定轴满足矩形分布，1根驱动纤芯与其中一对称驱动纤芯构成等腰三角形。

3、所述的楔形的多芯光纤包括4根定轴纤芯和2根驱动纤芯，纤芯的几何分布是4根定轴满足矩形分布，2根驱动纤芯各自与其中一对称驱动纤芯构成等腰三角形。

本发明的包括基于多芯光纤的光马达的微泵包括玻璃基底，在玻璃基底上加工有两个V形槽和双U形流道，楔形的多芯光纤固定在V形槽中，将微转子置于双U形流道的U形弯曲处，利用前端为楔形的多芯光纤驱动微转子旋转带动液体流动形成微泵。

本发明的包括基于多芯光纤的光马达的微泵还可以包括：

所述楔形的多芯光纤固定在V形槽中是利用环氧树脂将前端为楔形的多芯光纤固定在微槽的V形槽中，并且楔形端交棱与微转子的旋转轴平行。

本发明提出的新型微结构多芯光纤利用前端为楔形的特殊结构可以形成双光镊***稳定俘获微转子两端起到定子作用，余下光纤驱动翼起到转子作用，实现稳定旋转。相对传统光驱动装置它不仅具备体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、易操作、更方便地修改操作位置、节省操作空间并且在双U形流道微槽中容易固定光纤，易装配，因此更加广泛应用在生物和化学领域。

本发明的优点主要体现在：

1、本发明提供了一种新型的基于多芯光纤的光马达***，利用前端为楔形的特殊结构可以形成双光镊***稳定俘获微转子两端起到定子作用，余下光纤驱动翼起到转子作用，实现稳定旋转。

2、利用多芯光纤驱动微转子相对传统激光驱动微转子装置，它具备体积小、结构简单、质量轻、价格便宜、操作自由度大、易操作等优点。同时解决了多根光纤驱动不易排布的问题，节约物理空间。

3、微槽设计有双V形槽，容易固定光纤，易装配。

附图说明

图1基于多芯光纤驱动的光马达的结构示意图；

图2前端为楔形的多芯光纤示意图；

图3前端为楔形的多芯光纤的第一种横截面示意图；

图4前端为楔形的多芯光纤的第二种横截面示意图；

图5前端为楔形的多芯光纤的第三种横截面示意图；

图6微转子示意图；

图7图6的俯视图；

图8图6的前视图；

图9玻璃基底上加工的V形槽和双U形流道示意图；

图10包括基于多芯光纤的光马达的微泵示意图。

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，本发明的基于多芯光纤的光马达包括前端为楔形的多芯光纤1和微转子2；同时结合图6-8，微转子包括球体、旋转轴和翼，3-8个翼布置于旋转轴上、两个球体安装在旋转轴的两端构成对称结构的微转子；所述前端为楔形的多芯光纤包括形成双光镊俘获微转子的球体起到定轴作用的两对两侧对称的定轴纤芯3，还包括发出出射光驱动微转子的翼的驱动纤芯4。所述的前端为楔形的多芯光纤，是将多芯光纤前端经精密加工以倒角为α两侧对称切除形成楔形多芯光纤，并且角度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。

楔形的多芯光纤可以有多种形式。结合图2-4，其中一种形式为：在包层6中分布4根定轴纤芯和1根驱动纤芯，纤芯的几何分布是4根定轴满足矩形分布，1根驱动纤芯与其中一对称驱动纤芯构成等腰三角形；结合图5，另外一种形式为：包括4根定轴纤芯和2根驱动纤芯，纤芯的几何分布是4根定轴满足矩形分布，2根驱动纤芯各自与其中一对称驱动纤芯构成等腰三角形。

结合图9-10，本发明的包括基于多芯光纤的光马达的微泵包括玻璃基底，在玻璃基底上加工有两个V形槽和双U形流道，楔形的多芯光纤固定在V形槽中，将微转子置于双U形流道的U形弯曲处，利用前端为楔形的多芯光纤驱动微转子旋转带动液体流动形成微泵。

本发明的制作过程主要包括：

1、前端为楔形的多芯光纤制作：取一段纤芯分布呈多边形的多芯光纤1前端经精密研磨加工以倒角为α(角度α满足关系π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2)两侧对称切除形成楔形多芯光纤；

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***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。

3、微槽加工：结合图9，利用抛磨机在玻璃基底上加工微槽结构。

4、多芯光纤固定：利用环氧树脂将前端为楔形的多芯光纤固定在微槽的V形槽中，使得楔形端交棱与微转子的旋转轴平行。

Claims

1.一种基于多芯光纤的光马达，其特征是：包括前端为楔形的多芯光纤和微转子；所述微转子包括球体、旋转轴和翼，多个翼布置于旋转轴上、两个球体安装在旋转轴的两端构成对称结构的微转子；所述前端为楔形的多芯光纤包括形成双光镊俘获微转子的球体起到定轴作用的两对两侧对称的定轴纤芯，还包括发出出射光驱动微转子的翼的驱动纤芯；所述的前端为楔形的多芯光纤，是将多芯光纤前端经精密加工以倒角为α两侧对称切除形成楔形多芯光纤，并且角度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。

2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的光马达，其特征是：所述的楔形的多芯光纤包括4根定轴纤芯和1根驱动纤芯，纤芯的几何分布是4根定轴满足矩形分布，1根驱动纤芯与其中一对称驱动纤芯构成等腰三角形。

3.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的光马达，其特征是：所述的楔形的多芯光纤包括4根定轴纤芯和2根驱动纤芯，纤芯的几何分布是4根定轴满足矩形分布，2根驱动纤芯各自与其中一对称驱动纤芯构成等腰三角形。

4.一种包括基于多芯光纤的光马达的微泵，其特征是：包括玻璃基底，在玻璃基底上加工有两个V形槽和围绕着两个V形槽的双U形流道，楔形的多芯光纤固定在V形槽中，将微转子置于双U形流道的U形弯曲处，利用前端为楔形的多芯光纤驱动微转子旋转带动液体流动形成微泵；所述的前端为楔形的多芯光纤，是将多芯光纤前端经精密加工以倒角为α两侧对称切除形成楔形多芯光纤，并且角度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4所述的包括基于多芯光纤的光马达的微泵，其特征是：所述楔形的多芯光纤固定在V形槽中是利用环氧树脂将前端为楔形的多芯光纤固定在微槽的V形槽中，并且楔形端交棱与微转子的旋转轴平行。