一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A laser driven macro liquid flow device and method based on optical fiber

The invention provides a laser driven macro liquid flow device and method based on optical fiber, which can solve the simple combination of the photoacoustic effect and the sound wave driven fluid effect, and can not produce the problem of the macroscopic liquid flow. The invention uses injection technology to inject nano gold particles into the one end of the fiber and immerse them in the driven solution. At the same time, the nanosecond laser pulse is coupled into the optical fiber from the other end of the fiber. The laser pulse is interacted with the nanoscale particles injected into the optical fiber, and the nano gold particles have the photoacoustic effect under the action of the laser. Ultrasound should be generated, and fluid will be driven by acoustic wave driving fluid effect. The invention not only does not need fixed liquid liquid interface and liquid flow channel, but also has no special requirements for liquid and environment. It is suitable for any liquid, can realize the tunable flow velocity and direction of the driven liquid. The CCD is used to monitor the flow of the driven liquid in real time, and the control precision is greatly improved and the operation is improved. It is convenient and simple.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置和方法
本专利技术涉及光电子学、声学、纳米制备学、流体动力学、固态力学等相交叉学科的
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤的激光驱动宏观液流方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤的激光驱动宏观液流方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于光纤的激光驱动宏观液流方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于光纤的激光驱动宏观液流方法，其特征在于，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。4.一种基于光纤的激光驱动宏观液流装置，其特征在于，包括纳秒激光器（1）、透镜（2）、光纤（3）、光纤夹持器（4）、容器（5）、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，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秋慧，栗科峰，付国定，徐勉之，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南,41