一种光驱动旋转装置的制作方法

本发明涉及微型驱动研究领域，具体涉及一种光驱动旋转装置。

背景技术：

微纳马达是指在外界各种能量如光、电、磁等的刺激下，具有运动性能如旋转、梭动、聚集等，且尺寸为微米或纳米级的微观器件。相对于传统的微纳颗粒而言，微纳马达的可控运行的特性使之在生物临床、环境治理、微纳加工等领域有着不可或缺的作用，特别的是在微流系统中充当搅拌器这一至关重要的角色。于是为了获得高转速、非接触驱动的高性能旋转器，人们开始使用光驱动。

光不仅具有产生辐射压力的线性动量，在某些特定的条件下，光还携带有角动量，其中包括轨道角动量和自旋角动量。到目前为止实现光驱动旋转主要有以下两种方式：第一种是利用角动量实现光驱动旋转，s.sato等人使用的是一种非均匀强度的高阶模式激光束照射来实现光驱动旋转；第二种是利用光的线性动量实现光驱动旋转，毕思思等人公布了一种基于多芯光纤的光马达及微泵，将多芯光纤的前端经精密加工形成楔形多芯光纤，利用前端特殊的楔形的结构形成双光镊系统稳定捕获微粒的系统，而微转子两端起到了定子作用，光纤驱动翼起到转子作用，实现稳定旋转，但是该发明所使用的多芯光纤制作工艺难度较大，制作成本较高；微转子的结构复杂，且需要配合v型槽使用。苑立波等人公布了一种可实现微小粒子旋转的卫星式螺旋多芯光纤微光手及制法，将标准单模光纤的另一端与卫星式螺旋多芯光纤之间热熔融拉椎耦合连接构成第一热熔融拉椎位置，卫星式螺旋多芯光纤附着在光程改变装置上，经过光程改变装置的卫星式螺旋多芯光纤再次经过热熔融拉椎操作构成第二热熔融拉椎位置，卫星式螺旋多芯光纤的另一端经精细研磨的加工方式制成椎体形状，可以在光纤端自然形成涡旋状光学势阱，使微粒实现旋转，但是该发明所使用的卫星式螺旋多芯光纤制作难度大，成本高，整个实验装置制作复杂，不易操作。综上所述，现有光驱动旋转装置所使用的多芯光纤制作工艺难度较大，制作成本较高，且实验装置结构复杂，不易操作。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有光驱动旋转装置所使用的多芯光纤制作工艺难度较大，制作成本较高，且实验装置结构复杂，不易操作的问题，提供了一种对微粒的捕获更加灵活、精准，具备可调节性，装置制造成本低廉，制作方法简单，无需使用特种光纤就可以使被捕获的微粒实现旋转的一种光驱动旋转装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种光驱动旋转装置，从下往上依次为光纤光源1、单模光纤2、错芯连接区域3、阶跃多模光纤4、圆锥台结构5；光纤光源1和单模光纤2一端连接，单模光纤2另一端通过错芯连接区域3和阶跃多模光纤4一端在两光纤轴线相交错芯处连接，阶跃多模光纤4另一端经精细研磨制成圆锥台结构5。

所述单模光纤2和阶跃多模光纤4的包层直径为125μm，光纤纤芯为光纤轴心。

所述光纤光源1注入单模光纤2纤芯中的光束，以入射角度β通过错芯连接区3，满足n代表折射率，入射位置为阶跃多模光纤的纤芯区域。

所述圆锥台结构5的研磨角度为α，满足

本发明的有益效果在于：

1、本发明提出了一种新的光驱动旋转装置，不仅仅节约了物理空间，还降低了在捕获微粒时对微粒的伤害；

2、本发明无需特种光纤，仅利用普通的单模光纤和多模光纤就可以实现对微小粒子进行捕获，并使微粒在被捕获处旋转；

3、本发明采用的器件价格低廉，制备方法简单，可广泛的应用于生物化学、分子生物学、生物医学等众多领域。

附图说明

图1为光驱动旋转装置结构示意图；

图2为错芯连接示意图；

图3为阶跃多模光纤中光线传播轨迹图；

图4-1、4-2和4-3为光驱动旋转原理图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图本发明作进一步说明。

结合附图1，本发明装置从下往上依次为光纤光源1、单模光纤2、错芯连接区域3、阶跃多模光纤4、圆锥台结构5；光纤光源1和单模光纤2一端连接，单模光纤2另一端通过错芯连接区域3和阶跃多模光纤4一端在两光纤轴线相交错芯处连接，阶跃多模光纤4另一端经精细研磨的加工方式制成圆锥台结构5。由光纤光源1注入单模光纤2纤芯中的光束，以合适的入射角度和位置通过错芯连接区3，在阶跃多模光纤4纤芯中沿着空间螺旋折线的轨迹传播，在圆锥台结构5斜面处发生全反射后，最终在圆锥台结构5端面上螺旋出射，出射的激光束照射到微粒上时，发生折射和反射，导致光的动量发生改变，小球获得与动量改变方向相反的力，在竖直方向上，光的散射力与重力平衡，即被捕获；沿着微粒切向方向上，微粒受到螺旋推力，即发生旋转，实现粒子固定位置的光驱动旋转。

本发明基于如下原理：

阶跃多模光纤中光线的传播分为两类：子午光线和斜光线。子午光线是指在子午平面上传播的光线，其中子午平面是指与光纤的轴线相交的且与纤壁垂直的所有平面；斜光线是指光纤中不在子午面内的光线，其光路轨迹是空间螺旋折线。图2展示了错芯连接示意图，将单模光纤与阶跃多模光纤错芯连接，入射到阶跃多模光纤纤芯中的光束演变为圆柱表面相切空间螺旋折线。

图3展示了阶跃多模光纤中光线传播轨迹图。将阶跃多模光纤端面磨制设计好的圆锥台结结构，使纤芯中沿着空间螺旋折线的轨迹传播的光在圆锥台结构斜面处发生全反射，在圆锥台端面上出射，产生对微小粒子的捕获力，使出射光束的动量能集中的传递到粒子之上。其中光纤端面的研磨角度需要满足

如图4-1所示，当出射光束通过小球时，当关于球心对称的入射光束a，b通过小球时，在小球表面发生折射和反射，导致光的动量发生改变，反射光束为a1、b1，折射光束为a2、b2。由动量守恒知，微粒会获得与动量改变方向相反的力，使得微粒被捕获且旋转。图4-2为小球在xz平面上的受力示意图，当入射光束a、b穿过小球时，反射光束为a1和b1，其动量的改变量分别为为δpa1和δpb1，由动量守恒可知，反射光束a1和b1对微粒的作用力为fa1和fb1，两个力合力为f1，方向沿z轴竖直向上；透射光束为a2和b2，其动量的改变量分别为为δpa1和δpb1，由动量守恒可知，反射光束a1和b1对微粒的作用力为fa1和fb1，其动量改变为合力为f2，方向沿z轴竖直向下。f1和f2大小相等，小球在z轴方向受力平衡，小球被捕获住。图4-3为小球在xy平面上的受力示意图，当入射光束a、b穿过小球时，反射光束为a1和b1，其动量的改变量分别为为δf′a1和δf′b1，由动量守恒可知，反射光束a1和b1对微粒的作用力为f′a1和f′b1，f′a1和f′b1沿着微粒切向方向，给微粒顺时针的力；透射光束为a2和b2，其动量的改变量分别为为δf′a2和δf′b2，由动量守恒可知，反射光束a1和b1对微粒的作用力为f′a2和f′b2，f′a2和f′b2沿着微粒切向方向，给微粒顺时针的力，微粒在xy平面上受到的沿着微粒切向方向的顺时针力使得微粒在被捕获位置进行旋转。

下面结合一具体实施例对光驱动旋转装置的制作过程进行进一步说明。步骤如下：

1、首先，取一段外包层直径为125μm单模光纤2和一段外包层直径为125μm阶跃多模光纤4，两者长度皆为2米左右，使用光纤扒线钳，将阶跃多模光纤和单模光纤两端的涂覆层去除约3cm，然后用浸润了酒精的无纺布进行擦洗。

2、将擦洗干净后的单模光纤2和阶跃多模光纤4放入光纤切割刀的凹槽中，并将单模光纤2和阶跃多模光纤4的两个端面都切割平整。

3、使用光纤焊接机，将单模光纤2一端与光纤光源1进行对芯焊接。单模光纤2另一端与多模光纤一端实现两光纤轴线相交错芯连接，使激光微束入射到阶跃多模光纤纤芯的入射角β为46°，入射位置为阶跃多模光纤端面的纤芯区域，如图2所示，错芯如图1错芯连接区3所示。

4、使用光纤磨锥机，将阶跃多模光纤4一端磨出特定的圆锥台光纤结构5。研磨角度为18°，研磨深度为13.4μm，如图1磨锥区域5所示。

5、将步骤4得到的圆锥台光纤端面5进行长时间抛光，使圆锥台结构的斜面光滑且平整。然后在显微镜下经过检测合格后，放入超声清洗机中清洗，烘干。

6、打开光纤光源1，如图3所示，发出的激光微束经圆锥台形光纤结构5汇聚后，出射的激光微束穿过小球，如图4-1所示，有一部分光束被小球折射，还有一部分光束被小球反射，如图4-2所示，对小球进行受力分析可知，竖直方向上，小球受力平衡，即被捕获；如图4-3所示，沿着微粒切向方向上，小球受到推力，即发生旋转。

一种光驱动旋转装置，从下往上依次为光纤光源1、单模光纤2、错芯连接区域3、阶跃多模光纤4、圆锥台结构5；光纤光源1和单模光纤2一端连接，单模光纤2另一端通过错芯连接区域3和阶跃多模光纤4一端在两光纤轴线相交错芯处连接，阶跃多模光纤4另一端经精细研磨的加工方式制成圆锥台结构5。由光纤光源1注入单模光纤2纤芯中的光束，以合适的入射角度和位置通过错芯连接区3，在阶跃多模光纤4纤芯中沿着空间螺旋折线的轨迹传播，在圆锥台结构5斜面处发生全反射后，最终在圆锥台结构5端面上螺旋出射，出射的激光束照射到微粒上时，发生折射和反射，导致光的动量发生改变，小球获得与动量改变方向相反的力，在竖直方向上，光的散射力与重力平衡，即被捕获；沿着微粒切向方向上，微粒受到螺旋推力，即发生旋转，实现粒子固定位置的光驱动旋转。

单模光纤2和阶跃多模光纤4，包层直径为125μm，光纤纤芯为光纤轴心。光纤光源1注入单模光纤2纤芯中的光束，以合适的入射角度和位置通过错芯连接区3，其入射角度为β，满足n代表折射率，入射位置为阶跃多模光纤的纤芯区域。圆锥台结构5的研磨角度为α，满足