【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术涉及的是一种基于全光纤光流控微粒操纵系统。主要用于生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小粒子的动态调控，包括但不仅限于捕获、输运、振荡、旋转和组装等等，属于光流控。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、1986年，美国的科学家ashkin和他的同事首次提出光镊[optical letters,18(5):288-290,1986]这个概念，开拓了光捕获微粒研究的新领域。光镊技术使用汇聚激光束形成的光学势阱，对尺度在微米或者纳米量级的微粒进行非入侵式的捕获和操控，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子的周围生物环境；光镊技术主要分为两个类别：传统光镊技术和光纤光镊技术。传统的光镊通常是基于光学显微镜系统来进行微粒操纵，虽然技术成熟，但是其结构复杂，体积庞大、造价昂贵且自由度小；光纤光镊系统是利用光的反射原理，在经处理后的光纤端面处改变出射光的传播方向从而形成汇聚光学势阱实现微粒的微操控；光纤光镊形成的光阱操纵灵活，系统自由度大。其用于细胞操作的非接触力，精确到100an的力分辨率以及对液体介质环境的亲和力，可以将其应用于外来物质输送到单细胞、细胞群特定形状的组装以及在微流体系统中对细胞进行分选等组织工程和再生医学生物领域。
2、微流控技术作为一种可以精确控制和操控微尺度流体，又称其为芯片实验室(lab-on-a-chip)或微流控芯片技术。近些年来，微流控技术发展迅速，它将生物化学等领域中基本的操作，如样品的制备检测及微生物的培养挑选等，集成在几平方厘米的器件上，由微通道内的可控流体
3、作为一种探索微观世界的科学研究工具，光镊技术经过多年的发展与探索，其中的光纤光镊部分已然成为光镊技术中一项重要的研究分支；为了克服传统光纤光镊技术的不足，1993年constable及其同事利用光纤易于制造、灵活性高、操作系统与观测系统相分离等优点提出光纤光镊[optical letters,18(21)：1867-1869，1993]的概念,但在早期探索研究中，研究者们采用的是两根正对的单模光纤实现粒子的捕获与操作，然而在捕获过程中对光纤与微粒的位置提出了苛刻要求使得实际操作中光纤光镊技术系统并不灵活；1997年taguchi等人为了实现光镊对目标物体灵活控制的目标，提出了基于光纤的光学微操手[electronics letters,33(5):413-414,1997]，利用多芯光纤、环形芯光纤、同轴双波导光纤等特殊结构的光纤通过光纤微加工实现对目标粒子的旋转、输运、振动等功能，这大大提高了光纤光镊粒子捕获的灵活性和功能丰富性，扩展了光纤对粒子的操作方式；随着人们对光纤光镊研究以及微粒子操纵、探测等相关技术的深入，不同的光学操纵对象和不同的操纵环境要求对光纤光镊的操纵性能提出了更高的要求。
4、随着微流控技术的发展以及静态液体环境中光镊的特定的局限性，例如操控颗粒的速度较低，需要移动光束到达颗粒所在位置，功能局限在捕获、移动和定位等，研究者们提出了光学操控与微流控相结合的操控方式，即光流控光镊技术；光流控光镊技术在微流控芯片的基础上在微通道中引入光镊，兼具微流控有效传输颗粒的优点，为光镊技术注入了新的活力，可以实现高效分离颗粒等更多的功能；2019年zhu.j.m等人总结了异质介质中独特的流体动力学特性，如分子扩散、热传导、离心效应、光物质相互作用等对光的调制，通过理解光和流动液体相互作用产生的新现象，介绍了大量可调谐和可重构的光流体器件，如波导、透镜和激光器[opto-electronic advances,2(11):1-10,2019]，这些研究使得光流控技术在生物化学分析和环境监测方面为高效、高质量的芯片上实验室系统提供更好的解决方案；基于微流芯片的光流控光镊技术详尽的探究光与微流之间的作用关系，但微流芯片的成本较高且一个微流芯片只能探究固定微流力下的光与微流关系，自由度小，因此如何摆脱微流芯片的限制作用，在更灵活更多自由度的基础上探究光与微流力的关系就成为研究者们努力的方向。
5、为了提高光流控研究时的灵活性，设计了以自由液滴为操作环境的光流控光镊；利用出射光照射在液滴的液面与空气的交界面时制造的局部热场来产生相应的微流力，通过构造的微流力与出射光学力场之间的平衡关系实现对微粒如旋转、曲线输运、微粒组装等方面的操控；通过对光纤数量、光纤位置、液滴形状等相关因素的调控可以产生不同的独立微流力或者多个微流力叠加后的复合微流力，实现不同的微流力的构建；通过对激光功率、激光脉冲形式等因素的调控可以产生不同的出射光场，实现不同的光学力场的构建；本专利技术提出的全光纤光流控粒子操控技术可通过微流力与光学力场之间的不同搭配对微粒操控产生不同的操纵效果，如微粒旋转，微粒曲线运输、微粒自组装等。
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光流控微粒操控系统。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、全光纤光流控微粒操纵系统是包括光电探测装置(1)、激光器(2)、输入光纤(5)、输入光纤末端结构(6)以及样品池(7)；利用出射光场(10)照射在液滴(9)的液面与空气的交界面时会产生热场(11)，对于液滴(9)两相界面处的液体来说，温度不同会影响液体的表面张力变化，温度越高液体表面张力越小，因此上述的热场(11)处的液体表面张力将变小从而向着周围温度低但表面张力大的液体区域流动，引起沿着两相界面的微流场(12)，而微流场(12)在逆着光轴方向上存在微流分量，引起微流力(13)；将输入光纤(5)放置在液滴(9)顶部的气液两相分界面附近，此时的光学力(14)与微流力(13)方向相反，两个力相互叠加会产生捕获势阱从而实现微粒(15)的捕获；
4、通过调控输入光纤(5)数量、俯仰角等因素可以对液滴(9)中热点(11)产生的微流力进行控制，在光学力方向一定的情况下，微流力的定向调控对微粒施加了不同形式的力，可以实现对微粒如旋转、运输、组装等操控。
5、微流力由斯托克斯阻力定律定义的热对流产生：
6、
7、其中u和v分别是流体速度和粒子速度，mp是微粒质量，tp是颗粒由于斯托克斯阻力而加速的特征时间尺度，
8、
9、其中是ρp颗粒密度，μ是流体动态粘度，rp是微粒半径。在我们的实验中，由于粒子非常小，粒子相对于流体的速度也不太大，因此斯托克斯阻力定律可适用于我们的微流力计算。
10、在微粒表面反射的情况下，假设光垂直入射，且介质微粒表面反射率为100％，此时入射到物体上的n个光子会全都被反本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：它包括光电探测装置(1)、激光器(2)、耦合器(3)、光纤探针(4)、输入光纤(5)、纤端微结构(6)和样品池(7)；激光器(2)发出的输出激光(8)经耦合器(3)后沿着输入光纤(5)传播，在光纤探针(4)的操纵下，输入光纤(5)插入到样品池(7)上的液滴(9)中，且输出激光(8)经纤端微结构(6)的汇聚作用后出射形成出射光场(10)；出射光场(10)沿着光轴方向直线传播最终照射在液滴(9)的气液界面处形成热场(11)，热场(11)会引起液滴(9)内部的温度梯度，而温度梯度的存在会引起沿着气液界面向着低温区运动的微流场(12)，微流场(12)在逆着光轴的方向上会存在微流分量，进而产生微流力(13)；因此在光学力(14)与微流力(13)的共同作用下，液滴(9)内部会形成为微粒(15)的捕获势阱；出射光场(10)入射到微粒(15)的表面并发生后向散射，后向散射光(16)传输回纤端微结构后，经过输入光纤(5)与耦合器(3)的传输，后向散射光(16)会从耦合器(3)的另一端口输出到光电探测装置(1)中，并在光电探测装置(1)的转
2.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：所述的输入光纤(5)的纤芯形状为：圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形。
3.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：所述的输入光纤(5)的光纤类型为：无芯光纤、毛细管光纤、光子晶体光纤、反谐振光纤或其他光纤。
4.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：所述的输入光纤(5)的纤芯分布为：三芯光纤、四芯光纤、五芯光纤、七芯光纤、同轴双波导光纤或其他不同纤芯分布的阵列多芯光纤。
5.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：所述的纤端微结构(6)的形状是尖锥形、锥台形、楔形、椭球形、平端形以及其他能产生沿光纤方向传播的出射光线的形状。
6.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：所述的液滴(9)的轮廓形状为以一次函数型、二次函数型、三次函数型以及其他多次函数型。
7.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：所述的输入光纤(5)数量为一根、双根、三根或其他多根。
...【技术特征摘要】
1.根据权利要求1所述的全光纤光流控微粒操纵系统，其特征是：它包括光电探测装置(1)、激光器(2)、耦合器(3)、光纤探针(4)、输入光纤(5)、纤端微结构(6)和样品池(7)；激光器(2)发出的输出激光(8)经耦合器(3)后沿着输入光纤(5)传播，在光纤探针(4)的操纵下，输入光纤(5)插入到样品池(7)上的液滴(9)中，且输出激光(8)经纤端微结构(6)的汇聚作用后出射形成出射光场(10)；出射光场(10)沿着光轴方向直线传播最终照射在液滴(9)的气液界面处形成热场(11)，热场(11)会引起液滴(9)内部的温度梯度，而温度梯度的存在会引起沿着气液界面向着低温区运动的微流场(12)，微流场(12)在逆着光轴的方向上会存在微流分量，进而产生微流力(13)；因此在光学力(14)与微流力(13)的共同作用下，液滴(9)内部会形成为微粒(15)的捕获势阱；出射光场(10)入射到微粒(15)的表面并发生后向散射，后向散射光(16)传输回纤端微结构后，经过输入光纤(5)与耦合器(3)的传输，后向散射光(16)会从耦合器(3)的另一端口输出到光电探测装置(1)中，并在光电探测装置(1)的转化作用下，后向散射光(16)转换为电信号并显示出来，实现对微粒(15)特性的探测；改变输入光纤(5)插入液滴(9)的位置、方位...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，王阳，王云凯，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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