专利摘要

本发明提出了一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置和方法，用于解决光声效应和声波驱动流体效应的简单结合并不能产生宏观液体流动的问题。本发明采用注入技术将纳米金颗粒注入到光纤的一端面，将其固定并浸没在被驱动溶液中，同时将纳秒激光脉冲从光纤另一端面耦合进光纤，激光脉冲与注入到光纤中纳米金颗粒相互作用，纳米金颗粒在激光作用下由于光声效应产生超声，同时又由于声波驱动流体效应而驱动液体发生流动。本发明不仅不需要固定的液液界面和液流通道，而且对流动的液体和环境也没有特殊的要求，适用于任何液体，可实现被驱动液体流速和方向的可调谐，采用CCD在线实时监测被驱动液体的流动，大大提高了控制精度，而且操作方便、简单。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子学、声学、纳米制备学、流体动力学、固态力学等相交叉学科的技术领域，可应用在激光驱动、微流控、激光外科清洗、输运或液体混合等领域，尤其涉及一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置和方法。

背景技术

1960年第一台激光器的诞生标志着光电技术进入了一个全新的领域，然而随着光学技术的蓬勃发展，传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化等现代光学技术的发展，同时对激光操纵技术和驱动技术带来了更大的挑战，尤其是激光驱动液体流动技术。激光不仅代表着高强度和方向性，而且由于光子具有线动量，其还具有机械动力，所以如果能够实现有效的动量转换，利用激光这个独一无二的特性能够产生物质流。

光控液体流动技术是促进微流控系统和液体动力学等领域发展的一个新的技术。精确控制液体流动的实现必须依赖于外部的换能器，例如泵、阀门、机械动力、液压技术、或者气动系统等，然而在微流动系统中建立这样的外部换能器无疑增加了系统的复杂性和成本，而且这些设备容易对液体造成污染，复杂液体流动的操作又给制造业提出了更高的挑战。光驱动很好地克服了这些局限性，光不但能够实现非接触驱动，而且能够实现可调谐（波长和功率），具有很好的空间(~μm)和时间分辨率(<ms)。除此之外，光驱动最大的优点是具有生物相容性，这对其在生物、医学、化学、物理等前沿交叉学科领域提供了便利。目前，采用光产生和控制液体流动的方法和原理主要有光压驱动、光镊、光生湿度梯度驱动、热毛细管效应驱动等。

光具有辐照压，但是由于这种辐照压很微弱而常常被忽视，光压可致液体发生变形。当激光束辐照在两折射率不同且不互溶的液体界面时，光子辐照产生辐照压，导致界面向折射率低的一侧发生畸变，畸变方向跟光束传播方向无关。然而利用激光辐照压产生液体流动或者使液面发生畸变，需要液体强烈散射入射光，同时还需要接近零的表面张力，对于液体来说这些条件都是很难实现的。相对于光子将动量直接转换为界面畸变，光子还可以捕获和操纵微米尺寸的固体粒子和细胞，这些粒子可以作为移动源驱动液体流动，也就是我们俗称的光镊。但是，利用光镊实现的液流驱动装置不仅产生的液体流速不高，而且往往需要复杂的微加工步骤，装置灵活性很低，最大的体积流量也仅有几十pL/min，所以也仅适用于微量液体流的控制；毛细管力也可以操纵和传输液体流，在平衡状态下，界面力达到平衡而形成自由表面，如果界面能发生改变，这种平衡将被打破而产生流动。广义地说，毛细管力实现液体流动的方法有两种：改变固液表面张力或者产生一液气表面张力分量。由于光生湿度梯度效应或光生Marangoni效应，光辐照不仅能够实现固液表面张力改变，而且能够产生液气表面张力分量。然而光生湿度梯度只能在湿度特性对光敏感的介质上产生，这在一定程度上限制了应用。而光生Marangoni效应是指光由于热效应在两不互溶液体界面产生张力梯度，从而导致液体从界面张力低的区域流向界面张力高的区域。虽然光致热毛细管效应可以驱动液体流动，但是实现液体流动不仅需要高强度激光，而且还需要对入射激光能够强吸收的材料产生局域加热，然而很多生物系统对热都是非常敏感的，这就严重限制了光致热毛细管效应驱动液体流动的应用领域。

某些物质在受到周期性强度调制的光辐照时，由于光声效应会产生超声波，同时又由于声波驱动流体效应，产生的超声波能够驱动液体的流动，然而光声效应和声波驱动流体效应的简单结合并不能产生宏观液体流动。

发明内容

针对光声效应和声波驱动流体效应的简单结合并不能产生宏观液体流动的技术问题，本发明提出一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置和方法，利用注入有纳米金颗粒的光纤可以将光声效应和声波驱动流体效应完美地耦合在一起，采用注入技术将金纳米颗粒注入光纤一端端面，同时将纳秒激光脉冲通过光纤另一端面耦合进光纤，注入光纤的纳米金颗粒在激光作用下由于光声效应产生超声波，同时又由于声波驱动流体效应而导致光纤附近液体发生流动，从而实现宏观液体高速流动。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于光纤的激光驱动宏观液流方法，采用注入技术将纳米金颗粒注入到光纤的一端面，将其固定并浸没在被驱动溶液中，同时将纳秒激光脉冲从光纤另一端面耦合进光纤，激光脉冲与注入到光纤中的纳米金颗粒相互作用，纳米金颗粒在激光作用下由于光声效应产生超声，同时又由于声波驱动流体效应而驱动液体发生流动，其步骤如下：

步骤一：将注入有纳米金颗粒的光纤一端固定并浸没在被驱动液体中，光纤固定方向与被驱动液体流动方向一致；

步骤二：打开纳秒脉冲激光器，激光脉冲经透镜聚焦后耦合到光纤另一端，即光纤的未注入纳米金颗粒端；

步骤三：调节激光器输出激光脉冲能量，从而控制液体流动速度，同时调节夹持光纤方向，从而控制液流方向；

步骤四：通过CCD实时监测驱动流体的液体流场，并将监测结果实时传送给计算机控制系统，计算机控制系统进行记录；

步骤五：计算机控制系统根据接收的CCD传送的实时数据计算液体流场的流速和流向，并将分析得到的流速和流向与客户输入的流速和流向进行对比，根据对比结果微调纳秒激光器输出能量控制液体的流动速度和微调光纤夹持器固定光纤位置改变液体流动方向。

所述纳米金颗粒通过金离子注入技术向光纤的驱动液体流动端注入。

所述被驱动液体为除能够对光纤产生腐蚀作用和对微量的纳米金颗粒敏感的液体外的所有液体。

一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置，包括纳秒激光器、透镜、光纤、光纤夹持器、容器、CCD、同步控制器和计算机控制系统，光纤固定在光纤夹持器上，光纤两端分别为未注入纳米金颗粒端和驱动液体流动端，光纤的驱动液体流动端注入纳米金颗粒；透镜和光纤的未注入纳米金颗粒端设置在纳秒激光器的输出光路上，光纤的驱动液体流动端浸没在容器内的被驱动液体内；所述容器前面设有CCD，CCD与计算机控制系统相连，计算机控制系统与同步控制器相连，同步控制器分别与纳秒激光器、光纤夹持器和CCD相连接。

所述纳秒激光器是波长为527nm的纳秒激光器，纳秒激光器的脉宽为150ns、重复频率1kHz；所述透镜为短焦透镜，光纤夹持器为五维调节控制器，光纤夹持器可控制光纤沿任意方向移动。

所述光纤的未注入金纳米颗粒端的端面位于透镜焦点处，纳秒激光器输出的激光脉冲耦合进光纤的耦合效应大于50%。

所述光纤未注入金纳米颗粒端固定，固定方向可根据用户要求液流方向自由改变，驱动液体流动端为注入金纳米颗粒端、浸没在被驱动液体中。

所述容器选用在可见光波段透过率大于90%的材料，容器面向CCD一侧的形状为平面结构；所述被驱动液体为纯水。

所述CCD为光电探测器，CCD的像素为1280×1024。

其工作过程为：所述纳秒激光器发出的激光脉冲经短焦距透镜聚焦后耦合进入光纤，光纤注入金纳米颗粒端的一端浸没在容器内的被驱动液体中，CCD实时观测被驱动液体的流场，并将观测结果实时传送给计算机控制系统，计算机控制系统实时对观测结果进行分析，同时根据分析结果和用户需求通过同步控制器对纳秒激光器的输出能量、光纤夹持器固定光纤的位置和CCD的位置进行微调。

本发明的有益效果：利用注入光纤端面中的纳米金颗粒在纳秒激光脉冲作用，由于光声产生超声波，同时又由于声波驱动流体效应而引起被驱动液体发生宏观流动；不仅不需要固定的液液界面和液流通道，而且对流动的液体和环境也没有特殊的要求，适用于任何液体，即使是纯水也能实现高速流动，且方向可控；不仅液体流动速度高，流速高达4cm/s，而且流动液体也突破了μL液滴的限制，达到了宏观尺度的整体流动。本发明可通过控制纳秒激光脉冲的能量控制被驱动液体流速，同时可以通过控制光纤注入金纳米颗粒端的方向控制被驱动液体流动方向，即可实现被驱动液体流速和方向可调谐。本发明采用CCD在线实时监测被驱动液体的流动，并把监测结果实时反馈给计算机控制系统实时处理，根据处理的结果和用户的实际需要对纳秒激光脉冲能量和光纤注入金纳米颗粒端位置进行微调，大大提高了控制精度，而且操作方便、简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明驱动纯水发生宏观流动的结果示意图。

图3为本发明驱动纯水发生宏观流动时超声信号

其中，1是纳秒激光器，2是透镜，3是光纤，4是光纤夹持器，5是容器，6是CCD，7是同步控制器，8是计算机控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于光纤的激光驱动宏观液流方法，采用注入技术将金纳米颗粒注入光纤一端端面，同时将纳秒激光脉冲经透镜聚焦后，从光纤另一端面耦合进入光纤，注入光纤的纳米金颗粒在激光作用下由于光声效应产生超声波，同时又由于声波驱动流体效应而导致光纤附近液体发生流动，从而实现宏观液体流动。通过改变纳秒激光脉冲的能量可以控制液体的流动速度；而液体流动方向与注入纳米金颗粒的光纤端方向一致，通过控制光纤放置方向可改变液体流动方向，其步骤如下：

步骤一：将注入有纳米金颗粒的光纤一端固定并浸没在被驱动液体中，光纤固定方向需要与要求液体流动方向一致。

光纤注入纳米金颗粒端固定在一五维调节控制器上，而且五维调节控制器可以控制光纤注入纳米金颗粒端沿任意方向移动，液体流动方向与光纤此端面方向一致，这样可以实现任意方向的液体流动。采用金离子注入技术向光纤的端面注入一定量的纳米金颗粒。

步骤二：打开纳秒脉冲激光器，激光脉冲经透镜聚焦后耦合到光纤未注入纳米金颗粒端；

光纤未注入金纳米颗粒端端面正好位于透镜焦点处，透镜正好将纳秒激光脉冲聚焦到光纤未注入金纳米颗粒端端面，而且纳秒激光脉冲需要正入射进入光纤，同时，透镜需要选用短焦距透镜，这样才能保证激光以最大的耦合效率耦合进光纤，纳秒激光器输出的激光脉冲耦合进光纤的耦合效率应大于50%。纳秒激光脉冲波长为527nm，脉冲宽度为150ns，平均功率大于50mW。

步骤三：调节激光器输出激光脉冲能量，从而控制液体流动速度，同时调节夹持光纤方向，从而控制液流方向。

液体流动速度与输出激光脉冲能量成正比，液体流动方向与光纤注入纳米金颗粒端方向一致。

步骤四：通过CCD实时监测液体流场，并将监测结果实时传送给计算机控制系统，计算机控制系统进行记录。

步骤五：计算机控制系统根据接收的CCD传送的实时数据计算流场的流速和流向，并将分析得到的流速和流向与客户输入的流速和流向进行对比，根据对比结果通过同步控制器微调纳秒激光输出能量和光纤夹持器固定光纤位置，直至满足客户需要。

根据对比结果微调纳秒激光器输出能量控制液体的流动速度和微调光纤夹持器固定光纤位置改变液体流动方向。计算机控制系统还可以通过同步控制器选择CCD的积分时间、分辨率等参数。

本发明耦合进光纤的纳秒激光脉冲与注入光纤的纳米金颗粒相互作用，纳米金颗粒吸收入射激光能量而发生膨胀，由于纳米金颗粒工作在重复频率为1kHz的高重复频率脉冲作用下，重复脉冲作用引起纳米金颗粒温度出现高频率升降，从而引起金颗粒体积出现高频率涨缩，因而向外辐射超声波，即所谓的光声效应，也即注入光纤的纳米金颗粒在纳秒激光脉冲的作用下，由于光声效应产生超声波。同时又由于声波驱动流体效应，液体在超声波的作用下发生宏观流动。光声效应和声波驱动流体效应的简单叠加并不能驱动液体发生流动，将纳米金颗粒注入光纤后，将光声效应和声波驱动流体效应有机的耦合在一起，从而驱动附近液体发生宏观流动。液体流动速度与入射激光脉冲能量成正比，液体流动方向与光纤注入金纳米颗粒端方向一致。本发明还为基于光纤的激光驱动宏观液流方法提供了一种基于光纤的激光驱动液流装置，该装置能够在激光的作用下驱动液体发生宏观流动，而且该装置中的计算机控制系统可根据用户的需要精确控制液体的流速和流向，不仅不需要固定的液液界面和液流通道，而且对流动的液体和环境也没有特殊的要求，适用于任何液体，即使是纯水也能实现高速流动，且方向可控。

如图1所示，一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置，包括纳秒激光器1、透镜2、采用注入技术在一端注入有纳米金颗粒的光纤3、光纤夹持器4、可以盛放被驱动液体的容器5、可以观测液体流场的CCD 6、同步控制器7和计算机控制系统8。光纤3固定在光纤夹持器4上，光纤3两端分别为未注入纳米金颗粒端和驱动液体流动端，光纤3的驱动液体流动端通过金离子注入技术注入纳米金颗粒。透镜2和光纤3的未注入纳米金颗粒端设置在纳秒激光器1的输出光路上，透镜2将纳秒激光器1发出的激光聚焦到光纤3的未注入纳米金颗粒端的端面上，光纤3的驱动液体流动端浸没在容器5内的被驱动液体内。所述容器5前面设有CCD6，CCD6与计算机控制系统8相连，计算机控制系统8与同步控制器7相连，同步控制器7分别与纳秒激光器1、光纤夹持器4和CCD6相连接。

优选地，光纤3未注入金纳米颗粒端固定，便于纳秒激光器1发出的激光脉冲以最大的耦合效率耦合进光纤3，从而驱动液体流动。驱动液体流动端为注入金纳米颗粒端，浸没在被驱动液体中，在光纤夹持器4的作用下，固定方向可根据用户要求液流方向自由改变。

从纳秒激光器1发出的纳秒激光脉冲经透镜2聚焦到光纤未注入金纳米颗粒端的端面，耦合进入光纤3，纳秒激光脉冲需要正入射进入光纤3。耦合进入光纤3的纳秒激光脉冲与光纤3注入金纳米颗粒端的金纳米颗粒相互作用，由于光声效应和声波驱动流体效应共同作用引起光纤3注入金纳米颗粒端附近液体发生高速宏观流动，流动方向与光纤3注入金纳米颗粒端一致。CCD 6实时观测并记录液体流场图像，并将记录的图像送给计算机控制系统8。计算机控制系统8首先保存CCD 6传送过来的图像，其次根据CCD 6传送过来的流场图像实时分析液体流速和流向，并将分析得到的流速和流向与客户输入的流速和流向进行对比，根据对比结果，通过同步控制器7微调纳秒激光器1输出能量和光纤夹持器4固定光纤的位置，最终实现客户要求液体流速和流向。计算机控制系统8还可以根据CCD 6传送过来的流场图片的质量，通过同步控制器7调节CCD 6的积分时间和分辨率等参数。

本发明利用注入光纤的金纳米颗粒将光声效应和声波驱动流体效应有机的耦合在一起，在没有固定的液液界面和液流通道的情况下，实现了宏观液体高速流动。本发明可驱动除对光纤具有腐蚀作用和对微量金纳米颗粒敏感外的所有液体，液体流速高达几cm/s，与纳秒激光脉冲能量成正比，液体流动方向与光纤注入金纳米颗粒端一致。同步控制器7分别与纳秒激光器1、光纤夹持器4、CCD 6和计算机控制系统8相连接，计算机控制系统8根据客户对液体流速和流向的需要，通过同步控制器7控制纳秒激光器1的开启和输出能量、光纤夹持器4夹持光纤位置和CCD 6的开启和参数设置，CCD 6实时监测液体流场，并将监测图像传送给计算机控制系统8，计算机系统8对图像进行分析得到液体流速和流向，并将分析结果与客户输入结果进行对比，根据对比结果，通过同步控制器7微调纳秒激光器1输出能量和光纤夹持器4夹持光纤位置，精确控制流场流速和流向。

具体实例：

进一步地，光纤3为纤芯直径为200μm的多模光纤，长度为30cm，光纤3一端采用注入技术注入金纳米颗粒，注入量通常为4×1016Au/cm2，注入能量为60keV。

纳秒激光器1是发出激光脉冲的波长为527nm、脉宽为150ns、平均功率为120mW。透镜2是聚焦为50mm的短焦透镜。CCD 6为光电探测器，像素为1280×1024。CCD 6为PixelinkPL-B742U型CCD。同步控制器7内部采用12位A/D、D/A转换，分辨率可达0.1%。计算机控制系统8为一般的PC机。

按照图1所示结构连接好各元件，打开计算机控制系统8中的激光驱动液流装置控制软件，本控制软件基于WINDOWS操作系统，采用C++语言自行编制的控制软件，用于控制和协调图1的光路中各光学元件的运行、实验数据的处理以及输出等。将纯水装入容器5，并浸没光纤3的驱动液体流动端。利用激光驱动液流装置控制软件通过控制光纤夹持器4调节光纤3注入金纳米颗粒端夹持位置，夹持位置是根据客户需要的液流方向调节的。然后再在激光驱动液流装置控制软件中输入液流速度，液流速度也是根据客户需求而输入的。计算机控制系统8通过同步控制器7打开纳秒激光器1和CCD 6，同时通过激光驱动液流装置控制软件设置CCD 6积分时间和分辨率等运行参数。计算机控制系统8自动保存CCD 6送回的流场图像，同时对CCD 6送回的流场图像进行分析，得到液体流速和液流方向。计算机控制系统8同时将分析得到的流速和流向等流场参数与客户输入的流场参数相对比，根据对比结果，通过同步控制器对纳秒激光器1、光纤夹持器4和CCD 6进行微调，直到与输入一致。任务结束时，计算机控制系统8输出触发信号将所有装置关闭。

纳秒激光器1发出的纳秒激光脉冲经透镜2聚焦后耦合进入光纤3，纳秒激光脉冲与光纤3中注入的纳米金颗粒相互作用，由于光声效应和声波驱动流体效应共同作用而驱动液体发生流动，如图2所示。根据图2所示结果，纯水在激光的驱动下发生了高速流动，流速为2.5cm/s。图3给出了液体发生高速流动时，光声效应产生的超声信号。根据图3所示结果，光纤3中注入的纳米金颗粒在纳秒激光脉冲的作用下，由于光声效应产生了持续时间较长的超声信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置和方法专利购买费用说明

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》。