【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术涉及的是全光纤微粒测速仪。主要用于检测生物分子、生物细胞、化合物颗粒等微小粒子在水、乙醇等媒质中的运动速度，属于光纤。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、微观流体环境存在于工业、农业、航空、航天、生物等各种领域中，探究微观流体环境的复杂流速场对于相关领域的发展具有重要意义。例如血液作为生物体内非常重要的微观流体环境，具有运输、调节体温、防御、调节酸碱平衡等作用，研究血液在体内的流动情况可以分析体内各器官、组织等的状态，血液在体内的流动与血细胞的运动密不可分，可以通过分析血细胞的运动速度来探索血液的流动情况。
2、测量微粒运动速度的方法有很多，例如激光多普勒测速技术(laser dopplervelocity，ldv)、激光诱导荧光技术(planar laser induced fluorescence，plif)以及粒子图像测速技术(particle imaging velocimetry，piv)等。激光诱导荧光技术与粒子图像测速技术都需要通过数字图像处理技术实现，则必须借助摄像机等工具实时拍摄，这限制了其可应用的场景，例如在生物体内部等不可视场景无法观测内部情况。
3、本专利技术利用激光多普勒效应原理测速。当激光光源的输出光入射到运动微粒的表面时产生后向散射光，出射光与后向散射光之间会存在变化的相位差，产生多普勒频移，多普勒频移与微粒运动速度成正比，由此可以得到微粒的运动速度。但是后向散射光的强度较弱，会对结果的准确性产生影响，因此需要提高后向散射光的强度或者接收能力。p>
4、公开号为cn202631566u的专利技术专利利用激光二极管、准直器、分束棱镜、聚焦透镜、散射光接收系统和信号处理系统构成了一种双光束激光多普勒测速仪；这种仪器利用空间光路系统实现测速功能，规模较为庞大，不够集成化，难以应用到复杂的微流环境中，公开号为cn106323393b的专利技术专利利用微流芯片、光纤、微球、泵浦激光器、显微镜和计算机平台及其配套软件构成了一种基于光操控的双模式微量液体流量计；该器件需要用到显微镜等可视化设备观测微球离光纤距离判断微量液体流量，应用场景受到限制，无法在生物体内等不可视微流环境中应用，公开号为cn115468944a的专利技术专利利用拉曼光谱仪、光纤耦合器、光纤激光器、光纤探针、用于容纳待测样本的核壳微透镜悬浮液构成了一种基于核壳微透镜的单分子拉曼光纤光镊；该器件利用钛前驱物与含有sio2微球的乙醇分散液反应获得核壳微透镜，该微透镜与拉曼信号产生回音壁共振效应使信号放大，但这种信号放大法只对满足特定条件的信号起作用，无法对所有频率的信号产生作用。
5、本专利技术为克服上述在技术上的不足，提出了一种全光纤微粒测速仪，具有集成度高、应用场景广、测量范围大的特点。上述特点的实现得益于全光纤器件的设计，全光纤器件将激光器的输出光调制成强汇聚光束可以在任意微观流体环境中捕获运动的微粒，同时也可将微粒产生的后向散射光接收回来，微粒在靠近纤端时受到光学力的影响逐渐变大并开始减速至停止运动的过程可以通过多普勒频移变化曲线获得，由此获得速度变化曲线，速度变化曲线的最大值即微粒的原运动速度，故本专利技术利用光纤制成高度集成化的器件，扩展了器件的应用场景，而且可测量的微粒运动速度范围较大。
技术实现思路
0、(三)
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种全光纤微粒测速仪的制备以及利用其对运动微粒进行速度测量的方法。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、如图1所示全光纤微粒测速仪的结构，包括输入光纤(1)、纤端第一微透镜(2)以及纤端第二微透镜阵列(3)。入射光(4)先进入输入光纤(1)，其结构包括包层(101)和纤芯(102)。纤端第一微透镜由几种方案制成，进入纤端第一微透镜(2)中的各级输入光束(4)因为衍射形成发散光束(5)，高阶发散光束(501)传输到纤端第一微透镜外轮廓(201)时发生全内反射形成全内反射光(6)，全内反射光(6)传输到纤端时发生折射在光轴上形成强汇聚光场(7)，强汇聚光场(7)在光轴上干涉形成光场交叉区域(8)，随后发散形成管状光场(9)。当微粒靠近纤端时，激光入射到微粒表面时会发生后向散射，后向散射光(13)通过纤端第二微透镜阵列(3)和纤端第一微透镜(2)时被汇聚形成汇聚后向散射光(14)，汇聚后向散射光(14)被输入光纤(1)收集输出，然后将探测到的后向散射光信号转化成电信号。当微粒(10)距离纤端的位置较远时受到的光学力影响较小，运动速度几乎不发生变化且后向散射光信号较弱，此时所做的频谱图无法得出多普勒频率值，在t1时刻随着微粒(10)向纤端靠近，运动速度开始减慢且后向散射光信号变强，此时所做的频谱图可以得出多普勒频率值f1，在t2时刻微粒(10)运动到光场交叉区域(9)突然减速为0被光学势阱捕获，且后向散射光信号最强，转换为电信号时信噪比最高，此时所做的频谱图可以得出多普勒频率值f2，产生多普勒频率移动δf(15)，同时在微粒(10)靠近纤端并被光学势阱捕获的运动过程中纤端第二微透镜阵列(3)使后向散射光(13)更加汇聚，提高了对后向散射光的收集能力，除此之外管状光场(9)会推开不在光轴上运动的微粒。
4、所述的全光纤微粒测速仪中所用的输入光纤(1)、纤端第一微透镜(2)是如图2(a)-2(e)所示的：多模光纤、单模光纤、毛细管光纤、光子晶体光纤、反谐振光纤或其他光纤。
5、本专利技术的全光纤微粒测速仪的制作方法为：
6、纤端的制作方法有三种方法，第一种：当制作纤端第一微透镜的第二光纤(2)为多模光纤时，如图3(a)-3(h)所示，将光纤熔接机中的两个第一可移动的夹持装置(16)分别固定待熔接的输入光纤(1)与制作纤端第一微透镜的第二光纤(2)，光纤切割刀(18)用于切割这两根待熔接光纤分别形成平整光纤端面，接着用熔接单元(17)将两根光纤熔接在一起。接着将两个第一可移动的夹持装置(16)移动一段距离到制作纤端第一微透镜的第二光纤(2)上，启动右端的可移动的夹持装置给制作纤端第一微透镜的第二光纤(2)施加一个拉力，同时放电将制作纤端第一微透镜的第二光纤(2)拉制成合适的轮廓并控制速度使其自然断裂或不断裂。当其自然断裂时，纤端轮廓末端呈锥体形如图3(e)所示，当其不断裂形成狭小的过渡区时，用光纤切割刀(18)切断，纤端轮廓末端呈台体形如图3(h)所示。当制作纤端第一微透镜的第二光纤(2)为毛细管光纤或者毛细管光纤与多模光纤的组合时，光纤的熔接与锥形纤端的制备方法有所不同，如图4(a)-4(h)所示：将两个第一可移动的夹持装置(16)固定毛细管光纤，用熔接单元(17)放电使空气芯塌陷，形成锥形过渡区，光纤切割刀(18)用于切断锥形过渡区，将两个第一可移动的夹持装置(16)分别固定输入光纤(1)与刚制备的毛细管光纤，接着用熔接单元(17)将两根光纤熔接在一起，再进行熔融拉锥方法制成锥形纤端。第二种：如图5(a)所示用第二可移动的夹持装置(19)固定住制作纤端第一微透镜的第二光纤(本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.本专利技术提供的是一种全光纤微粒测速仪，其特征是：该器件包括输入光纤(1)、纤端第一微透镜(2)以及纤端第二微透镜阵列(3)，其中输入光纤(1)包括包层(101)和纤芯(102)，入射光(4)经输入光纤(1)进入纤端第一微透镜(2)时因为衍射形成发散光束(5)，高阶发散光束(501)传输到纤端第一微透镜外轮廓(201)时发生全内反射，全内反射光(6)传输到纤端时发生折射形成强汇聚光场(7)，强汇聚光场(7)在光轴上干涉形成光场交叉区域(8)，随后会发散形成管状光场(9)，微粒(10)在微流通道(11)内随媒质(12)沿光轴向纤端靠近时，微粒(10)先后进入管状光场(9)和光场交叉区域(8)，在光场交叉区域(8)内突然减速为0被光学势阱捕获，低阶发散光束(502)通过纤端第一透镜(2)和纤端第二微透镜阵列(3)入射到微粒表面时会发生后向散射形成后向散射光(13)，后向散射光(13)通过纤端第二微透镜阵列(3)和纤端第一微透镜(2)时被汇聚形成汇聚后向散射光(14)，汇聚后向散射光(14)被输入光纤(1)收集输出，除此之外输入光纤(1)的端面和纤端第一微透镜(2)的端面都会反射一
2.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的全光纤微粒测速仪制备步骤如下：步骤1：应用微纳加工的方式在输入光纤(1)的纤端加工纤端第一微透镜(2)；步骤2：应用微纳加工的方式在纤端第一微透镜(2)的端面上加工纤端第二微透镜阵列(3)。
3.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的输入光纤(1)的纤芯形状结构是三角形、正方形、环形、圆形、椭圆形或其他多边形。
4.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的输入光纤(1)的纤芯数量是无芯、单芯、双芯、三芯、四芯或其他数量。
5.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的输入光纤(1)的纤芯空间分布是曲线、环形、三角形、矩形、六边形或其他多边形分布。
6.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的输入光纤(1)是单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤、反谐振光纤或其他光纤。
7.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的纤端第一微透镜外轮廓(201)形状是直线型、椭圆型、抛物线型或其他曲线。
8.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的纤端第一微透镜(2)形状是锥体、台体或其他多边体。
9.根据权利要求1所述的全光纤微粒测速仪，其特征是：所述的纤端第二微透镜阵列(3)的微透镜形状是球体、椭球体、锥体、台体、楔形体或其他多边体。
...【技术特征摘要】
1.本发明提供的是一种全光纤微粒测速仪，其特征是：该器件包括输入光纤(1)、纤端第一微透镜(2)以及纤端第二微透镜阵列(3)，其中输入光纤(1)包括包层(101)和纤芯(102)，入射光(4)经输入光纤(1)进入纤端第一微透镜(2)时因为衍射形成发散光束(5)，高阶发散光束(501)传输到纤端第一微透镜外轮廓(201)时发生全内反射，全内反射光(6)传输到纤端时发生折射形成强汇聚光场(7)，强汇聚光场(7)在光轴上干涉形成光场交叉区域(8)，随后会发散形成管状光场(9)，微粒(10)在微流通道(11)内随媒质(12)沿光轴向纤端靠近时，微粒(10)先后进入管状光场(9)和光场交叉区域(8)，在光场交叉区域(8)内突然减速为0被光学势阱捕获，低阶发散光束(502)通过纤端第一透镜(2)和纤端第二微透镜阵列(3)入射到微粒表面时会发生后向散射形成后向散射光(13)，后向散射光(13)通过纤端第二微透镜阵列(3)和纤端第一微透镜(2)时被汇聚形成汇聚后向散射光(14)，汇聚后向散射光(14)被输入光纤(1)收集输出，除此之外输入光纤(1)的端面和纤端第一微透镜(2)的端面都会反射一部分光束，因为光纤端面的位置相对于激光发射源的位置是固定的，所以光纤端面产生的反射光相位是不变的，而微粒(10)是运动的，微粒(10)相对于激光发射源的位置是变化的，所以微粒(10)产生的后向散射光(13)相位是变化的，因此通过纤端第二微透镜阵列(3)和纤端第一微透镜(2)时被汇聚形成的汇聚后向散射光(14)与端面反射的光束发生自混合干涉，然后将自混合干涉光信号转化为电信号，微粒(10)微粒靠近纤端并被光学势阱捕获...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，王云凯，王阳，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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