专利摘要

本发明属于光纤微纳米技术研究领域，具体涉及一种能够稳定改变吸收性粒子位置和振动频率的光驱动振动马达装置。本发明包括第一光纤光源，第二光纤光源，光纤波分复用器，单模光纤组成的光镊系统，并与吸收性黑球和液体组成光驱动振动马达装置，本发明利用两种光泳力对吸收性粒子起到光驱动作用，不仅可以以非接触的方式稳定捕获吸收性黑球，还可以对该光驱动振动马达所驱动的吸收性黑球的位置和振动频率进行控制。本发明通过改变两光源功率可以同时改变驱动吸收性粒子位置和振动频率；该装置位置控制准确，结构简单；可以轻松的对液体背景的吸收性粒子进行光驱动；采用的器件价格低廉，制备方法简单，适合于在生物医学领域推广。

权利要求

1.一种基于光纤的光驱动振动马达装置，其特征在于：包括第一光纤光源(1)、第二光纤光源(2)、光纤波分复用器(3)、单模光纤(4)、吸收性黑球(5)、液体(6)，第一光纤光源(1)和第二光纤光源(2)的出射端同时与光纤波分复用器(3)的入射端焊接，光纤波分复用器(3)的出射端与单模光纤(4)的一端焊接，单模光纤(4)的另一端激励起稳定分布的高斯光场，所述单模光纤(4)嵌入到内有吸收性黑球(5)的液体(6)中；

对于吸收性粒子，受到重力，浮力和液体的粘滞阻力，在液体中被稳定捕获时垂直方向上处于平衡状态，所受到的粘滞阻力沿着垂直方向；而激光提供的辐射压力和光泳力平行于光束轴向，吸收性粒子所受辐射压力背离光源方向，光泳力的方向与辐射压力同轴；吸收性粒子被激光照射时受到两种光泳力的作用，一种是由温度梯度引起的，另一种是由不同的热适应系数引起的；当第一光纤光源开启时，由于背景液体温度不受第一光纤光源的影响，仅吸收性粒子吸收激光产生光泳力，吸收性粒子与周围溶液间传递的两种光泳力主导着捕获和轴向振动；对于强吸收性颗粒，在照明侧会有更多的热吸收，一个正向的由于温度梯度引起的光泳力推离粒子至激光功率密度高的区域；

在竖直方向上重力F_g、浮力F_b和粘滞阻力Fη三者平衡；辐射压力F_rp和光泳力沿水平方向，左侧由于第一光纤光源1照射小球吸热，使得小球两侧液体存在温度差，即T₁>T₂产生由温度梯度引起的光泳力F_△T，由不同的热适应系数引起的光泳力为F_△α使粒子向右移动；

粒子在运动过程中内部发生热交换使两侧温度相等，当推离粒子至粒子两侧液体温度差趋近于0时，使得因温度梯度产生的光泳力基本消失，此时由不同的热适应系数引起的光泳力占主导，光泳力是由于液体与粒子表面的热交换诱发的，方向指向为从热适应系数高到热适应系数低的方向，取决于粒子构造和表面特性，光泳力使粒子又向着光源方向运动直致因温度梯度产生的光泳力再次增强到一定程度，之后重复上述过程达到振动的效果；

在竖直方向上重力F_g、浮力F_b和粘滞阻力Fη三者平衡；辐射压力F_rp和光泳力沿水平方向，由不同的热适应系数引起的光泳力为F_△α使粒子向左移动，移动至F_△T后重复上述两步的过程来达到振动效果；

当第二光纤光源如1550nm光源开启时，此波段光源会对溶液温度产生影响，整体溶液热适应系数会发生改变，吸收性黑球在运动方向上的力的大小也会发生改变，即由不同的热适应系数引起的光泳力为F_△α发生改变，起到对振动频率控制的效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光驱动振动马达装置，所述的第一光纤光源(1)具有稳定的输出波长，输出波长是吸收性黑球的吸收峰，且不是液体基质的吸收峰。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光驱动振动马达装置，所述的第二光纤光源(2)具有稳定的输出波长，输出波长是液体基质的吸收峰。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光驱动振动马达装置，所述的单模光纤(4)为OFS980单模光纤，且光纤端面为平端面。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光驱动振动马达装置，所述的吸收性黑球(5)的直径范围为6-10μm，吸收第一光纤光源(1)和第二光纤光源(2)。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤的光驱动振动马达装置，所述的液体(6)是甘油混合物溶液、乙二醇混合物溶液和蔗糖混合物溶液中的一种，密度在950kg/m³～1350kg/m³范围内，粘滞系数在1×10^-3m²/s～2×10^-3m²/s的范围内。

说明书

技术领域

本发明属于光纤微纳米技术研究领域，具体涉及一种能够稳定改变吸收性粒子位置和振动频率的光驱动振动马达装置。

背景技术

光镊是由美国科学家Ashkin及他的同事在1986年第一次提出的作为一种探索微观世界的工具。光镊利用的是光的物理特性，对粒子进行捕获和操控。它的优点是以温和的非接触性的方式来进行工作的。在光镊系统中的聚焦激光光束的中心具有捕获区域，当粒子一旦落入了这个区域中将自动地移向这束光束的几何中心，从而达到对粒子捕获的功能；并且一旦落入光束几何中心的粒子，如果没有外界的强烈干扰将会一直被捕获，即不会偏离光束中心；微调整光束时，粒子会随之移动从而达到操纵的功能。而光纤光镊与传统光镊相比结构更加简单易操作，价格更低廉。ChiouA等人曾在论文Mapping of three-dimensional optical force field on a micro-particle trapped in a fiber-optical dual-beam trap中描述了二氧化硅粒子振动的现象，但是整体结构比较复杂，并且达不到对液体中二氧化硅粒子的振动频率和位置同时操控的光驱动作用。虽然光镊对大多数的透明粒子都能很好的进行操控，但是由于吸收性粒子往往会受到更强的散射力，所以会破坏束缚它的光阱从而难以进行操控。光泳力来进行操控吸收性粒子是一个很好的选择。迄今对于透明的非吸收性粒子的操控手段和技术都已非常成熟，但是对于研究操控吸收性粒子尤其是在液体背景内悬浮的吸收性粒子研究很少。对于液体中强吸收粒子捕获主要困难在于，被照明的一侧有更多的吸收，这会诱发正向光泳力将粒子推离激光光功率密度强的区域，吸收性粒子会因受到较强的散射力难以捕获。

因此我们提出了一种新的光驱动马达装置，可以对液体中吸收性粒子进行更稳定的操控，因为不仅可以准确改变液体中吸收性粒子的位置，也可以同时改变液体中吸收性粒子振动的频率，整体结构更加简单易操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤的简单且能够操控液体中吸收性粒子位置并同时实现粒子振动的光驱动振动马达装置，利用背景液体如甘油等和吸收性粒子如黑球等的热力学性质，通过利用发散的高斯光引入的光泳力对粒子进行光驱动。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤的光驱动振动马达装置，包括第一光纤光源1、第二光纤光源2、光纤波分复用器3、单模光纤4、吸收性黑球5、液体6，第一光纤光源1和第二光纤光源2的出射端同时与光纤波分复用器3的入射端焊接，光纤波分复用器3的出射端与单模光纤4的一端焊接，单模光纤4的另一端激励起稳定分布的高斯光场，所述单模光纤4嵌入到内有吸收性黑球5的液体6中。

所述的第一光纤光源1具有稳定的输出波长，输出波长是吸收性黑球的吸收峰，且不是液体基质的吸收峰。

所述的第二光纤光源2具有稳定的输出波长。输出波长是液体基质的吸收峰。

所述的单模光纤4为OFS980单模光纤，且光纤端面为平端面。

所述的吸收性黑球5的直径范围为6-10μm，吸收第一光纤光源1和第二光纤光源2。

所述的液体6是甘油混合物溶液、乙二醇混合物溶液和蔗糖混合物溶液中的一种，密度在950kg/m³～1350kg/m³范围内，粘滞系数在1×10^-3[m²/s]～2×10^-3[m²/s]的范围内。

本发明的有益效果在于：

(1)提供一种光驱动振动马达装置，并且通过改变两光源功率可以达到同时改变驱动吸收性粒子位置和振动频率的功能；

(2)相比于一般的光驱动马达装置，该装置位置控制更加准确，结构更加简单；

(3)该装置可以轻松的对液体背景的吸收性粒子进行光驱动；

(4)采用的器件价格低廉，制备方法简单，适合于在生物医学领域推广。

附图说明

图1为吸收性粒子在高斯光场下两侧液体存在温度梯度时的受力示意图；

图2为吸收性粒子在高斯光场下两侧液体温度梯度较小时的受力示意图；

图3为本发明结构示意图；

图4为预期光驱动吸收性粒子图，粒子如图在两虚线圆位置发生反复振动。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明进行更为详细的论述。

一种基于光纤的光驱动振动马达装置，包括第一光纤光源1、第二光纤光源2、光纤波分复用器3、单模光纤4、吸收性黑球5、液体6，将第一光纤光源1和第二光纤光源2的出射端同时与光纤波分复用器3的入射端焊接，光纤波分复用器3的出射端与单模光纤4的一端焊接，在单模光纤4的另一端会激励起稳定分布的高斯光场。装置工作过程：打开第一光纤光源1如980nm光源，粒子被光照射的一侧吸热使粒子两侧温度不等，温度梯度引起的光泳力使粒子向远离光源的方向运动。粒子在运动的过程中，由于粒子内部热扩散使粒子两侧温度的温差变小，这时不同热适应系数引起的光泳力占主导，使粒子向光源运动，直到粒子运动到又产生一定温度差后重复上述运动达到振动效果。打开第二光纤光源2如1550nm光源，第二光纤光源2不同于第一光纤光源1，此波段光源会对溶液温度产生影响，造成整体溶液热传导系数发生改变，吸收性黑球在运动方向上的力也会发生改变，从而可以达到对频率控制的效果。

所述的第一光纤光源1和第二光纤光源2具有稳定的输出波长，功率可以改变，以确保产生的高斯光束可稳定改变液体中吸收性黑球的位置和振幅，其中第一光纤光源1如980nm光源的波长是吸收性粒子的吸收峰，且不是液体基质的吸收峰，可以改变吸收性黑球的位置，第二光纤光源2如1550nm光源的波长是液体基质的吸收峰，从而改变吸收性黑球振动的频率。

所述的单模光纤4为OFS980单模光纤，且光纤端面为平端面。

所述的吸收性黑球5的直径范围为6-10μm，对第一光纤光源1和第二光纤光源2吸收；

所述的液体6对第二光纤光源2吸收而不对或很少对第一光纤光源1吸收，可以是甘油混合物溶液、乙二醇混合物溶液或蔗糖混合物溶液等之一种，密度是在950kg/m³～1350kg/m³范围内，粘滞系数在1×10^-3[m²/s]～2×10^-3[m²/s]的范围内。

所述的一种基于光纤的光驱动振动马达装置，光纤4嵌入内有吸收性黑球的液体中且开光后黑球在平行于光束方向发生往复振动，调节第一光纤光源1功率可以改变其位置，调节第二光纤光源2功率可以改变其振动频率。

工作原理如下：

对于实验中的吸收性粒子来说，受到重力，浮力和液体的粘滞阻力，其在液体中被稳定捕获时垂直方向上处于平衡状态，所受到的粘滞阻力沿着垂直方向。而激光提供的辐射压力和光泳力平行于光束轴向，吸收性粒子所受辐射压力背离光源方向，光泳力的方向与辐射压力同轴。吸收性粒子被激光照射时受到两种光泳力的作用，一种是由温度梯度引起的，另一种是由不同的热适应系数引起的。当第一光纤光源1开启时，由于背景液体温度几乎不受第一光纤光源1的影响，仅吸收性粒子吸收激光产生光泳力，吸收性粒子与周围溶液间传递的两种光泳力主导着捕获和轴向振动。对于强吸收性颗粒，在照明侧会有更多的热吸收，因此，一个正向的由于温度梯度引起的光泳力推离粒子至激光功率密度高的区域。

结合图1，此时在竖直方向上重力F_g、浮力F_b和粘滞阻力Fη三者平衡。辐射压力F_rp和光泳力沿水平方向，左侧由于第一光纤光源1照射小球吸热，使得小球两侧液体存在温度差，即T₁>T₂产生由温度梯度引起的光泳力F_△T，由不同的热适应系数引起的光泳力为F_△α，F_△T>>F_△α使粒子向右移动。

粒子在运动过程中内部发生热交换使两侧温度几乎相等，当推离粒子至粒子两侧液体温度差趋近于0时，使得因温度梯度产生的光泳力基本消失，所以此时由不同的热适应系数引起的光泳力占主导，此光泳力是由于液体与粒子表面的热交换诱发的，它的方向指向为从热适应系数高到热适应系数低的方向，取决于粒子构造和表面特性，此力使粒子又向着光源方向运动直致因温度梯度产生的光泳力再次增强到一定程度，之后重复上述过程达到振动的效果。

结合图2，此时在竖直方向上重力F_g、浮力F_b和粘滞阻力Fη三者平衡。辐射压力F_rp和光泳力沿水平方向，由于运动过程中小球内部发生热交换使粒子两侧温度差非常小所以F_△T非常小，由不同的热适应系数引起的光泳力为F_△α，F_△α>>F_△T使粒子向左移动，移动至F_△T足够大后重复上述两部的过程来达到振动效果。

当第二光纤光源2如1550nm光源开启时，不同于第一光纤光源1的是此波段光源会对溶液温度产生影响，因此整体溶液热适应系数会发生改变，吸收性黑球在运动方向上的力的大小也会发生改变，即由不同的热适应系数引起的光泳力为F_△α发生改变，同理，结合之前的分析可以起到对振动频率控制的效果。

结合图4，粒子在两圆形虚线内反复运动，向右运动速度为V，向左运动速度为V’，改变第一光纤光源1功率可以改变捕获位置，改变第二光纤光源2功率可以改变粒子振动振幅。

具体实施例1

如图3所示，一种基于光纤的光驱动振动马达，包括了第一光纤光源1，第二光纤光源2，980nm-1550nm光纤波分复用器3，980单模光纤4，6μm吸收性黑球5，甘油6。

1、取一段单模光纤4，长度约1米，在单模光纤4的一端剥除光纤的涂覆层20-30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用；

2、用光纤切割刀将清洁后的单模光纤4的端面切割平整；

3、用步骤1和2中的方法对980nm波长的激光第一光纤光源1、1550nm波长的激光第二光纤光源2和用于980nm和1550nm激光波长范围的光纤波分复用器3的尾纤进行去除涂覆层、清洁以及平端面处理；

4、使用光纤焊接机，将光纤波分复用器3的入射端与980nm第一光纤光源1和1550nm第二光纤光源2焊接，将光纤波分复用器3的出射端与标准单模光纤4的一端焊接，组成光纤光路系统。

5、将处理好的标准单模光纤4的尾纤固定在三维精密调节位移平台上，调整标准单模光纤4使其浸入内有6微米黑球吸收性粒子的背景液体甘油中。所使用的吸收性粒子黑球是电子器件用于手机液晶面板的填塞物，黑球内部由二氧化硅组成，外部被碳粉包裹，粒子大小约6微米，外观纯黑色。

6、将带有均匀分散吸收性粒子黑球的甘油与上述的标准单模光纤4尾纤放置在显微镜的载物台上，调整三维位移平台在显微镜视野内找到光纤和吸收细粒子黑球，微调显微镜焦距保持光纤和部分黑球在视野中清晰。

7、打开第一光纤光源1，980nm光纤激光器，激光通过波分复用器传输从标准单模光纤尾纤出射，微调三维调节位移平台并保持光纤在显微镜视野中清晰，最终使得出射光束与吸收性黑球同轴并照射到吸收性黑球上，在980nm激光的作用下吸收性粒子黑球在甘油中振动，并且可以通过调节980nm激光功率改变黑球距离光纤端的距离，如图4。

8、打开第二光纤光源2，1550nm光纤激光器，由于甘油对1550nm波段的光具有吸收性，能够改变甘油基质的温度，液体基质的温度影响吸收性黑球在其内的振动频率，因此可以通过调节1550nm激光的功率调节黑球的振动频率。

一种基于光纤的光驱动振动马达装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。