CN102185398B - 用于光马达的复合材料双体转子 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用于光马达的复合材料双体转子。包括由密度较小的材质制成的光驱动层和由密度较大的材质制成的作业工具层，所述光驱动层包括旋转轴和上体转子，所述作业工具层包括下层转子及尖端状旋转轴，上体转子位于旋转轴上端，下层转子位于旋转轴下端，尖端状旋转轴连接于旋转轴的下顶端，还包括基底，所述尖端状旋转轴嵌套在基底上的孔径略大于旋转轴轴径的锥形小孔中。本发明的转子能稳定的旋转，同时解决了单体转子翼的个数受驱动和功能的限制问题，利用双体转子可以同时获得最优效果。由于转子功能层的不同结构，可以实现微流搅拌、微泵、测量微观拉力、微结构盘绕等功能，因此，为微生命科学和生物医学提供了一种强有力的工具。

Description

用于光马达的复合材料双体转子

技术领域

本发明涉及的是一种用于光马达的复合材料双体转子。

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***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 ofthe angualarmomentum oflight.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 ofOptics 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***中，于是他们又提出了集成***，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.KanehiraAshuttlecock 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***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***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，Shoji 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。(GregorSimonParkin，Timo A.Nieminen，Vincent L.Y.Loke，Norman R.Heckenberg，and Halina Rubinsztein-Dunlop.Integrated 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***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，为了获得较高的扭转力矩要牺牲掉功能范围等不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转稳定，能获得较高的扭转力矩的用于光马达的复合材料双体转子。

本发明的目的是这样实现的：

包括由密度较小的材质制成的光驱动层和由密度较大的材质制成的作业工具层，所述光驱动层包括旋转轴和上体转子，所述作业工具层包括下层转子及尖端状旋转轴，上体转子位于旋转轴上端，下层转子位于旋转轴下端，尖端状旋转轴连接于旋转轴的下顶端，还包括基底，所述尖端状旋转轴嵌套在基底上的孔径略大于旋转轴轴径的锥形小孔中。

本发明的还可以包括这样一些结构特征：

1、所述光驱动层、作业工具层的密度与被驱动溶液的密度关系应满足ρ溶液＜ρ光驱动层＜ρ作业工具层。

2、所述上体转子为具有三个或四个翼的“类风车”结构。

3、所述上体转子的各个翼呈扇形柱状。

4、所述上体转子的各个翼呈四棱柱状，四棱柱状的上面为斜面，翼的端部带有半圆柱，还包括球体，球***于旋转轴的上顶端。

5、所述的作业工具层由两个翼、三个翼或是多个翼构成，每个翼为弧线形、螺旋形、花瓣形、长方形或锥形。

实现用于光马达的复合材料双体转子的基本原理是：

光具有产生辐射压力的线性动量，在一定条件下，光还携带有角动量，包括自旋角动量和轨道角动量。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，利用光束在反射、散射或透射时由于动量的改变而产生的辐射压力或梯度力，作用于具有特殊几何形状的粒子类似风吹风车转动，光场的光压力作用在风车状的微粒上会产生扭转力矩实现的，其转速与光强成正比。因此将转子形状设计成“类风车”结构，并且利用两种密度的材料，上层密度较小，下层密度较大，复合材料双体转子在溶液中倾斜时，由于浮力与重力作用点不重合，产生扭转力矩使得转子恢复到直立平衡位置。并且锥形尖端嵌套在基底锥形小孔上接触面积最小减少摩擦力，使得转子稳定的绕轴旋转。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供了一种用于光马达的复合材料双体转子，利用不同密度材料制成的具有特定结构的微小粒子，上层密度较小，下层密度较大，复合材料双体转子在溶液中倾斜时，由于浮力与重力作用点不重合，产生扭转力矩使得转子恢复到直立平衡位置。

2、旋转轴顶端采用球体结构，目的是可以在双体转子可以稳定的被俘获到，并且在旋转时不宜偏离光源作用区。

3、由于采用双体结构的微小粒子，分为光驱动层和作业工具层，可以使得驱动光源装置和作业工具层分离开，避免由于直接接触损伤溶剂活性，同时解决了单体转子翼的个数受驱动和功能的限制问题，双体转子可以同时获得最优效果。

4、由于将轴末端尖端嵌套基底的圆锥形小孔中，接触面积最少，减少了摩擦力，而且可以使转子稳定的绕轴旋转。

5、由于转子功能层的不同结构，可以实现微流搅拌、微泵、测量微观拉力、微结构盘绕等功能，因此，为微生命科学和生物医学提供了一种强有力的工具。

附图说明

图1用于光马达的复合材料双体转子及使用示意图；

图2带有微孔的基底示意图；

图3光源位移转子正上方时复合材料双体转子结构示意图；

图4光源出射方向平行转子时复合材料双体转子结构示意图；

图5光源位移转子正上方时光驱动层示意图；

图6光源出射方向平行转子时光驱动层示意图；

图7搅拌液体功能的双体转子作业工具层示意图。

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1-3，本发明的用于光马达的复合材料双体转子的第一种实施方式是用于光源发出的光位于转子正上方时.包括由密度较小的材质制成的光驱动层和由密度较大的材质制成的作业工具层，所述光驱动层包括旋转轴7和上体转子8，所述作业工具层包括下层转子9及尖端状旋转轴10，上体转子位于旋转轴上端，下层转子位于旋转轴下端，尖端状旋转轴连接于旋转轴的下顶端，还包括基底4，所述尖端状旋转轴嵌套在基底上的孔径略大于旋转轴轴径的锥形小孔5中。所述上体转子为具有三个或四个翼的“类风车”结构。所述上体转子的各个翼呈四棱柱状，四棱柱状的上面为斜面，翼的端部带有半圆柱，还包括球体6，球***于旋转轴的上顶端。

结合图4，本发明的用于光马达的复合材料双体转子的第二种实施方式，是用于光源出射方向平行转子时。它与第一种实施方式的区别在于所述上体转子的各个翼呈扇形柱状，但不省略了球体。

上述各实施方式中：光驱动层、作业工具层的密度与被驱动溶液的密度关系应满足ρ_溶液＜ρ_光驱动层＜ρ_{作业工具层}。

上述各实施方式中：作业工具层由两个翼、三个翼或是多个翼构成，每个翼为弧线形、螺旋形、花瓣形、长方形或锥形。

上述实施方式制作过程为：

1、双体转子的加工：其中转子的加工如图3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双体转子。

2、溶液的匹配：利用水溶液中添加NaCl等物质，调节溶液密度，使得溶液密度比聚合加工后所得双体转子密度小。

3、微孔加工：利用157nm激光在玻璃基质上打孔径约为4.5微米的圆锥形小孔。

4、双体转子与孔径嵌合：利用如光纤光镊或是其它俘获装置1发出的光2将沉于溶液底部的双体转子3俘获并移动到孔径中，由于双体转子自身材质及结构的影响，可以稳定直立于孔径中。

Claims (4)

1.一种用于光马达的复合材料双体转子，其特征是：包括由密度较小的材质制成的光驱动层和由密度较大的材质制成的作业工具层，所述光驱动层包括旋转轴和上体转子，所述作业工具层包括下层转子及尖端状旋转轴，上体转子位于旋转轴上端，下层转子位于旋转轴下端，尖端状旋转轴连接于旋转轴的下顶端，还包括基底，所述尖端状旋转轴嵌套在基底上的孔径略大于旋转轴轴径的锥形小孔中，所述上体转子为具有三个或四个翼的“类风车”结构。

2.根据权利要求1所述的用于光马达的复合材料双体转子，其特征是：所述上体转子的各个翼呈扇形柱状。

3.根据权利要求1所述的用于光马达的复合材料双体转子，其特征是：所述上体转子的各个翼呈四棱柱状，四棱柱状的上面为斜面，翼的端部带有半圆柱，还包括球体，球***于旋转轴的上顶端。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于光马达的复合材料双体转子，其特征是：所述的作业工具层由两个翼、三个翼或是多个翼构成，每个翼为弧线形、螺旋形、花瓣形、长方形或锥形。

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