一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法技术

本发明专利技术公开了一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，属于声辐射力应用领域。本发明专利技术通过不规则栅格结构生成两束弯曲的半贝塞尔束，调节其无衍射性使其在空间上形成弯曲的驻波场，利用驻波场所形成的势阱的声辐射力，操控粒子沿着驻波的曲线轨迹运动。利用驻波形成的力学势阱来操控粒子，具有操控稳定等优点。相比于传统的使用一对相向的换能器激发驻波场操控粒子的方法，本发明专利技术中换能器放置在同一侧，提高了操控粒子的便利性，扩大了粒子的操控范围，同时实现了在自由空间，操控粒子沿曲线轨迹运动，扩展了粒子操控的维度。

【技术实现步骤摘要】
一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法
本专利技术属于声辐射力
，涉及一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，更具体地说，涉及一种通过设计不规则栅格结构，构造两束大角度弯曲的无衍射束，通过超构表面结构的空腔共振和相干衍射增强效应提高辐射效率，优化聚焦声场，实现提高聚焦增益和主旁瓣比的聚焦方法。
技术介绍
对生物微粒的操控是生物医学研究领域的一个重要课题，研究精确可靠，易于实现的操控方式是当今研究的前沿方向之一。ArthurAshkin等人通过两束聚焦激光束实现了对液体中微粒的操控——光镊子【PRL，1970，24,156-159,；APL，1971，19,283-285】。通过光镊子可以实现对微粒的非接触操控，在生物细胞，大分子领域应用广泛。然而光在液体介质中损耗巨大，需要很大的功率才能实现对微粒的操控，有可能造成粒子损伤。同时光镊子还存在成本高，体积大等劣势。声波作为一种机械波，利用其对声场中物体的声辐射力，可以实现对颗粒的捕获，移动，筛选等多种操控——声镊子。声镊子操控微粒所需要的能量远小于光镊子，其还具有技术简便，价格低廉等诸多优良特性，在生命科学，医学等领域有着巨大的应用潜力。1991年，Wujunru首先提出了声镊子的概念并通过实验实现。【jasa，1991,89(5)：2140-2143】。处于声场中的微粒会受到声波的声辐射力，声镊子通过声辐射力来实现对粒子的操控。随着对声镊子技术进一步研究，期间研究者们设计了多种声镊子。按照操控原理可以分为驻波型声镊子和波束声镊子【jasa，2005，117(5)，3273-3280】。驻波型声镊子是依靠一对换能器形成驻波场，通过调整驻波形成的力学势阱来操控粒子。所谓驻波，即两列振幅相同波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，一般来说驻波就应该是沿直线分布的。波束声镊子是依靠声波与微粒间的动量交换来实现对粒子的操控，只需要单个换能器就可以实现操控，但其无法捕获微粒。驻波型声镊子由于可以改变驻波声场中势阱的位置，因而可以实现对微粒的精确，可编程操控。然而，目前所研究的驻波型声镊子，大多需要相对的两个换能器形成驻波，由于驻波型声镊子依靠驻波的波节波腹形成的力学势阱来移动微粒，其所形成的驻波的波节波腹又位于一条直线上，因而其只能沿直线操控微粒。更进一步地，研究者们采用4个(或更多换能器)形成井字形驻波场(或更复杂的驻波场)的方式来实现对微粒的二维可编程操控，然而这种操控方式，微粒的运动范围受限于换能器所包裹的区域，虽然多声源(四个以上含四个)驻波型声镊子可以设计波节波腹在包裹区域内任意移动，能够实现操控粒子沿弯曲轨迹往返运动，但其只能操控粒子在包裹区域内。波束声镊子能够在自由空间操控粒子弯曲移动，但不能往返。从目前的技术来看能够实现往返操控的只能是驻波型声镊子，但驻波型声镊子已经是一项比较成熟的技术了，且操控微粒的运动范围受限于换能器所包裹的区域。Andrade在APL106,014101(2015)中采用一个换能器与凹面反射板形成略带弯曲的驻波场，实现了对液滴的弯曲轨迹的悬浮，但该方法使用的声波波长较大，使用声源为点声源，能量较小，操控的微粒受限制，同时操控区域也依然受限于声源与反射板之间的区域。还有研究者提出了一些变焦系统能够实现往返移动，但限制条件较多，虽有理论模型但未见有实验报道。如何在自由空间内稳定往返移动微粒沿曲线轨迹运动，这一点是未有文献提及的。经检索，目前公开的专利有关于操控粒子稳定移动的方案也较少，中国专利申请号201380013827X，申请日为2013年1月30日，专利技术创造名称为：使用可调谐声表面驻波进行微流体操控和颗粒分选；中国专利申请号2013800629002，申请日为2013年9月13日，专利技术创造名称为：使用多维驻波的声泳分离技术；如上述两个方案虽然也是关于操控微粒运动的，但所研究的侧重点也并不关于操控粒子在自由空间稳定往返移动。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服传统的双声源驻波型声镊子，只能够在两个换能器构成的驻波区域沿直线操控微粒的缺点，提出了一种在单侧放置换能器，构建弯曲的驻波场，构建弯曲驻波场后，只需要调节换能器间的相位就可以实现弯曲驻波波节波腹的移动，进而实现在自由空间中操控微粒沿弯曲轨迹运动的方法。本专利技术能够克服传统的多声源驻波型声镊子只能在换能器包裹区域实现微粒操控的缺点。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，其步骤为：步骤一、选择一个Helmholtz方程的具有大角度弯曲特性的非衍射解作为目标函数，并给出该弯曲非衍射解的函数图像；步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，并将该二极化分布应用栅格结构实现；步骤三、调整栅格结构的厚度h，减弱所生成弯曲声束的无衍射性，通过两束弱无衍射弯曲声束在操控区域形成弯曲的驻波场；调节两束声束的间隔d和无衍射性，调节驻波场的形态；步骤四、分析声辐射力分布，进一步调节声束间隔d和栅格厚度h；步骤五、根据上述步骤所得到的参数制作样品，调节两束声束的相对相位，改变驻波势阱，操控粒子沿弯曲轨迹运动。更进一步地，步骤二中所述将二极化分布应用栅格结构实现，具体为：(1)每一段栅格结构的宽度L与函数的区间宽度相对应；(2)栅格结构的厚度h需满足(h/λ0-h/λ1)＝0.5，λ0与λ1分别为介质与栅格结构材料中声波波长，使之在栅格结构的出射面上满足相位差π。更进一步地，步骤三中调节栅格结构的厚度h的具体过程为：将厚度h以h/100为间隔增加或减少，直到在中间区域的弯曲驻波场波腹与波节处声压级差达到最大值。更进一步地，所述弯曲驻波场波腹与波节处声压级差达到最大值要求至少大于3dB。更进一步地，步骤三中调节两束声束的间隔d的具体过程为：将间隔d以d/100为间隔增加或减少，直到在中间区域的弯曲驻波场形态满足需要。更进一步地，步骤四中声辐射力的分布需要满足在稳态时能够将微粒束缚在波节或波腹处，如果不满足要求需照步骤三反复微调声束间隔d和栅格厚度h，优化驻波场分布。更进一步地，步骤一选择半贝塞尔函数作为目标函数。更进一步地，步骤二中每一段栅格结构的宽度L与函数的区间宽度相等。更进一步地，两支换能器位于同一侧，通过加工栅格结构实现操控粒子沿弯曲轨迹运动。更进一步地，两支换能器位于同一侧，通过加工栅格结构实现操控粒子沿弯曲轨迹运动。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：(1)本专利技术的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，通过使用不规则栅格结构，生成两束弱无衍射的弯曲声束，并组成弯曲驻波，再利用驻波形成的力学势阱来操控粒子，在操控粒子时换能器只需要位于粒子同一侧，通过调节两束声束的相位，即可实现弯曲驻波波节波腹的移动，进而操控粒子沿弯曲轨迹运功，相对于传统的驻波型声镊子依靠一对换能器形成驻波场，只能沿直线操控微粒，采用4个(或更多换能器)形成井字形驻波场(或更复杂的驻波场)实现对微粒的二维可编程操控的方式，微粒的运动范围受限于换能器所包裹成的区域内，本专利技术通过调控弯曲波束的形态，就能够在任意位置形成弯曲驻波，粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，其步骤为：步骤一、选择一个Helmholtz方程的具有大角度弯曲特性的非衍射解作为目标函数，并给出该弯曲非衍射解的函数图像；步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，并将该二极化分布应用栅格结构实现；步骤三、调整栅格结构的厚度h，减弱所生成弯曲声束的无衍射性，通过两束弱无衍射弯曲声束在操控区域形成弯曲的驻波场；调节两束声束的间隔d和无衍射性，调节驻波场的形态；步骤四、分析声辐射力分布，进一步调节声束间隔d和栅格厚度h；步骤五、根据上述步骤所得到的参数制作样品，调节两束声束的相对相位，改变驻波势阱，操控粒子沿弯曲轨迹运动。

【技术特征摘要】
1.一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，其步骤为：步骤一、选择一个Helmholtz方程的具有大角度弯曲特性的非衍射解作为目标函数，并给出该弯曲非衍射解的函数图像；步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，并将该二极化分布应用栅格结构实现；步骤三、调整栅格结构的厚度h，减弱所生成弯曲声束的无衍射性，通过两束弱无衍射弯曲声束在操控区域形成弯曲的驻波场；调节两束声束的间隔d和无衍射性，调节驻波场的形态；步骤四、分析声辐射力分布，进一步调节声束间隔d和栅格厚度h；步骤五、根据上述步骤所得到的参数制作样品，调节两束声束的相对相位，改变驻波势阱，操控粒子沿弯曲轨迹运动。2.根据权利要求1所述的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，其特征在于：步骤二中所述将二极化分布应用栅格结构实现，具体为：(1)每一段栅格结构的宽度L与函数的区间宽度相对应；(2)栅格结构的厚度h需满足(h/λ0-h/λ1)＝0.5，λ0与λ1分别为介质与栅格结构材料中声波波长，使之在栅格结构的出射面上满足相位差π。3.根据权利要求2所述的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，其特征在于：步骤三中调节栅格结构的厚度h的具体过程为：将厚度h以h/100为间隔增加或减少，直到在中间区域的弯曲驻波场波腹与波节处声压级差达到最大值...

【专利技术属性】
技术研发人员：章东，林洲，郭霞生，屠娟，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32