【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术涉及的是基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，主要涉及光流控操纵，更具体地，涉及一种可以实现对微纳粒子等在光纤端面产生气泡的输运及捕获的方法与装置。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、21世纪中后期，微流控与光学技术的创新结合推动了光控微流控技术的发展。传统的光镊依靠对激光强度、偏振和相位结构的精确控制来捕获和操纵目标物体。然而，这种方法需要高能激发光源来克服周围液体的粘性力，限制了操纵范围，限制了对微/纳米流体和流体中材料的控制。此外，高性能传统激光器复杂且昂贵，激光准直、聚焦和偏振态转换所需的光学元件和通路复杂，使得设备庞大而复杂，难以与现有微流控芯片系统集成，极大地限制了其应用。利用光热转换材料将光能转化为热能，进而转化为驱动流体动能，展示了光控微流控技术的典型应用。
2、光热效应是指激光照射在介质上引起内部变化并产生热能的一种光学物理现象。在光学微流控系统中，基于光热效应的技术具有多种优势。首先，这些技术具有广泛的适用性，不受材料的限制。光热效应可以在各种形式的介质中产生，例如气体、固体和液体，这表明基于光热的技术可以在任何形式的介质中有效运行。其次，它们的特点是安全性高。基于光热效应的技术通常是非接触式的，确保目标物体不受机械损伤，从而提高操作过程中的安全性。通过利用光纤结构的光热效应，可以为实现高集成度、多功能传感和操控技术提供更具工业竞争力的平台。光纤不仅通过其侧壁、内部和端面充当平台，而且还在其较小的几何尺寸内集成了功能材料和特殊结构，从而实现了更紧凑的整体结构和更高的集成度
3、最初，光热效应的研究与应用主要是通过透镜耦合的方式实现的。然而，使用庞大的聚焦物镜和复杂的光学系统会限制光热效应的作用位置，从而降低操作的灵活性。光纤，作为一种小尺寸的光波导结构，能够将激光传输至任意位置，非常适合在精密、狭窄环境中应用，并在精密仪器制造与检测、生物医学治疗与诊断等领域中展现出巨大的应用潜力。近年来，国内外研究机构已相继报道了多种采用光吸收材料或特殊光纤结构来实现的基于光热效应的光纤微流操控技术。
4、w.liu等人对端面具有无定形碳薄膜的光纤在813nm连续光和脉冲光作用下进行了分析，研究了激光出射功率、薄膜储存光功率、以及薄膜温度变化情况[computerassisted surgery,2017,22:251-257]，证明了无定形碳薄膜可有效地将光能转化为热能，且具有良好的热能储存能力。但是无定形碳薄膜在连续波模式下的转换效率为45.4％，薄膜无定形碳薄膜需要大约一半的功率来将热量转化为热。x.xing等人对表面吸附了氧化石墨烯纳米片的微纳光纤进行研究[optics express,2013,21(28):31882-31871]，发现其光热转化效率增强，能够在较低的光功率下产生气泡，并通过使用这些气泡对微纳米粒子进行捕获、收集、迁移和分离等操作。因此，当氧化石墨烯纳米片沉积在微纳光纤上膨胀时，光被散射和吸收，导致光损耗增加，输出功率降低。
技术实现思路
0、(三)
技术实现思路
1、针对当前技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统。通过光纤端面的光热效应产生气泡，通过操纵光注入不同纤芯的位置能够引起力学势阱的变化，可以实现对微纳粒子进行操纵的目的。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、该系统包括激光器(1)，光纤耦合器(2)，光功率控制模块(3)，多芯光纤连接器(4)，多芯光纤(5)，光纤探针(6)，光热转换材料(7)；其中多芯光纤(5)包括包层(501)和中央纤芯(502)和多个周围纤芯(503)；激光器(1)输出的光束经过光纤耦合器(2)分路，通过光功率控制模块(3)控制注入到多芯光纤(5)中的中央纤芯(502)和周围纤芯(503)，将多芯光纤(5)插入光纤探针(6)的套管(601)与套管(601)平齐并放置在盛有溶液(8)的样品池(9)中，一方面，耦合进入多芯光纤(5)中的中央纤芯(502)时形成激发光(10)，而多芯光纤(5)端面涂覆有光热转换材料(7)，当激发光(10)作用在光热转换材料(7)上形成第一热源(11)，由于光热转换材料(7)的光热转换性能，进而在多芯光纤(5)端面有气泡(12)形成；另一方面，耦合进入到多芯光纤(5)中的周围纤芯(503)形成操纵光(13)，操纵光(13)作用在光热转换材料(7)上形成第二热源(14)；由于第一热源(11)和第二热源(14)的作用形成的非对称温度差引起了气液表面温度梯度变化，进而会在第二热源(14)的位置相对于气泡(12)的对侧引起涡流(15)的产生，当气泡(12)周围存在微纳粒子(16)时，将引起力学势阱的产生，此时，微纳粒子(16)将沿着微流方向(17)被力学势阱所捕获，并且在流场的作用下沿环形的轨迹运动，实现了微纳粒子(16)的三维旋转；通过光功率控制模块(3)改变操纵光(13)注入不同的周围纤芯(503)，涡流(15)的位置也不同，从而实现对微纳粒子(16)的捕获位置和运动状态的控制。这种控制可以实现微纳粒子在三维空间的旋转，并使微纳粒子(16)进行圆周运动；此外，通过切换光功率调制函数还可以实现对微纳粒子(16)的释放和重新捕获。
4、下面详细阐述该专利技术装置中的光纤端面的光热气泡对微纳粒子操纵的原理。
5、光热气泡周围的气体-液体表面会因为表面张力的变化产生一种名为热毛细力的净力，一般改变表面张力的方法有很多，而通过局部激光加热而产生温度梯度改变表面张力的办法又叫热毛细效应，其中由温度梯度产生由流体的粘性力平衡的热毛细力。
6、热毛细效应所引起的液体之间的速度场可以从气泡表面处的切向应力平衡获得用于液体中运动的参考速度：
7、
8、其中r0是气泡半径，μ是黏度系数，g为恒定温度梯度。σt为表面张力随温度的变化率。当液体和气体界面存在温度梯度时，该界面的表面张力会受到影响，因为温度高处表面张力低，而温度低处表面张力高，这种温度梯度与表面张力梯度相反。在热毛细效应的作用下，液体表面张力较大的区域对周围的液体产生的拉力更强，这将引起相对于气泡切向方向的力，从而导致气泡周围的液体形成涡流场。如果存在两个热源，则会更改气泡表面的温度场。
9、当光束作用在光热转换材料上时，气泡的周围环境给出流体中的热传递方程式
10、
11、其中ρ是溶液密度，cp是溶液热容(w/(m·k))，其中k是导热系数(j/(kg·k))，t是温度(k)，是温度梯度(k)，q表示源项(w/m3)。
12、实验中总热通量主要由两种不同的机制形成：能量辐射，自然对流，激光形成的热源如下
13、q＝αi0 (3)
14、q为单位体积的热源，α为光纤材料的吸收系数。
15、而系统中的流场运动可以由广义连续性动量方程给出：
16、
17、
18、其中ρ是流体的密度，μ是动态本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，其特征是：该系统包括激光器(1)，光纤耦合器(2)，光功率控制模块(3)，多芯光纤连接器(4)，多芯光纤(5)，光纤探针(6)，光热转换材料(7)；其中多芯光纤(5)包括包层(501)和中央纤芯(502)和多个周围纤芯(503)；激光器(1)输出的光束经过光纤耦合器(2)分路，通过光功率控制模块(3)控制注入到多芯光纤(5)中的中央纤芯(502)和周围纤芯(503)，将多芯光纤(5)插入光纤探针(6)的套管(601)与套管(601)平齐并放置在盛有溶液(8)的样品池(9)中，一方面，耦合进入多芯光纤(5)中的中央纤芯(502)时形成激发光(10)，而多芯光纤(5)端面涂覆有光热转换材料(7)，当激发光(10)作用在光热转换材料(7)上形成第一热源(11)，由于光热转换材料(7)的光热转换性能，进而在多芯光纤(5)端面有气泡(12)形成；另一方面，耦合进入到多芯光纤(5)中的周围纤芯(503)形成操纵光(13)，操纵光(13)作用在光热转换材料(7)上形成第二热源(14)；由于第一热源(11)和第二热源(14)的作用形成的非对称温度差引起了气
2.根据权利要求1所述的基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，其特征是：所述的中央纤芯(502)的形状是圆形、三角形、四边形、环形、椭圆形或者其他多边形。
3.根据权利要求1所述的基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，其特征是：所述的周围纤芯(503)的形状是圆形、三角形、四边形、环形、椭圆形或者其他多边形。
4.根据权利要求1所述的基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，其特征是：所述的周围纤芯(503)是呈曲线形、三角形、矩形或其他多边形阵列化排布。
5.根据权利要求1所述的基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，其特征是：所述的光热转换材料(7)是光刻材料、金属材料、金属-介质复合材料或其他具有光热转换性能的材料。
6.根据权利要求1所述的基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，其特征是：所述的光热转换材料(7)是覆盖光纤纤芯区域或覆盖光纤纤端区域。
...【技术特征摘要】
1.基于光热效应的多芯光纤微流操纵系统，其特征是：该系统包括激光器(1)，光纤耦合器(2)，光功率控制模块(3)，多芯光纤连接器(4)，多芯光纤(5)，光纤探针(6)，光热转换材料(7)；其中多芯光纤(5)包括包层(501)和中央纤芯(502)和多个周围纤芯(503)；激光器(1)输出的光束经过光纤耦合器(2)分路，通过光功率控制模块(3)控制注入到多芯光纤(5)中的中央纤芯(502)和周围纤芯(503)，将多芯光纤(5)插入光纤探针(6)的套管(601)与套管(601)平齐并放置在盛有溶液(8)的样品池(9)中，一方面，耦合进入多芯光纤(5)中的中央纤芯(502)时形成激发光(10)，而多芯光纤(5)端面涂覆有光热转换材料(7)，当激发光(10)作用在光热转换材料(7)上形成第一热源(11)，由于光热转换材料(7)的光热转换性能，进而在多芯光纤(5)端面有气泡(12)形成；另一方面，耦合进入到多芯光纤(5)中的周围纤芯(503)形成操纵光(13)，操纵光(13)作用在光热转换材料(7)上形成第二热源(14)；由于第一热源(11)和第二热源(14)的作用形成的非对称温度差引起了气液表面温度梯度变化，进而会在第二热源(14)的位置相对于气泡(12)的对侧引起涡流(15)的产生，当气泡(12)周围存在微纳粒子(16)时，将引起力学势阱的产生，此时，微纳粒子(16)将沿着微流方向(17)被...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，谢青松，覃小梅，魏剑，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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