一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法与流程

本发明属于声辐射力技术领域，涉及一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，更具体地说，涉及一种通过设计不规则栅格结构，构造两束大角度弯曲的无衍射束，通过超构表面结构的空腔共振和相干衍射增强效应提高辐射效率，优化聚焦声场，实现提高聚焦增益和主旁瓣比的聚焦方法。

背景技术：

对生物微粒的操控是生物医学研究领域的一个重要课题，研究精确可靠，易于实现的操控方式是当今研究的前沿方向之一。arthurashkin等人通过两束聚焦激光束实现了对液体中微粒的操控——光镊子【prl，1970，24,156-159,；apl，1971，19,283-285】。通过光镊子可以实现对微粒的非接触操控，在生物细胞，大分子领域应用广泛。然而光在液体介质中损耗巨大，需要很大的功率才能实现对微粒的操控，有可能造成粒子损伤。同时光镊子还存在成本高，体积大等劣势。

声波作为一种机械波，利用其对声场中物体的声辐射力，可以实现对颗粒的捕获，移动，筛选等多种操控——声镊子。声镊子操控微粒所需要的能量远小于光镊子，其还具有技术简便，价格低廉等诸多优良特性，在生命科学，医学等领域有着巨大的应用潜力。

1991年，wujunru首先提出了声镊子的概念并通过实验实现。【jasa，1991,89(5)：2140-2143】。处于声场中的微粒会受到声波的声辐射力，声镊子通过声辐射力来实现对粒子的操控。随着对声镊子技术进一步研究，期间研究者们设计了多种声镊子。按照操控原理可以分为驻波型声镊子和波束声镊子【jasa，2005，117(5)，3273-3280】。驻波型声镊子是依靠一对换能器形成驻波场，通过调整驻波形成的力学势阱来操控粒子。所谓驻波，即两列振幅相同波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，一般来说驻波就应该是沿直线分布的。波束声镊子是依靠声波与微粒间的动量交换来实现对粒子的操控，只需要单个换能器就可以实现操控，但其无法捕获微粒。驻波型声镊子由于可以改变驻波声场中势阱的位置，因而可以实现对微粒的精确，可编程操控。

然而，目前所研究的驻波型声镊子，大多需要相对的两个换能器形成驻波，由于驻波型声镊子依靠驻波的波节波腹形成的力学势阱来移动微粒，其所形成的驻波的波节波腹又位于一条直线上，因而其只能沿直线操控微粒。更进一步地，研究者们采用4个(或更多换能器)形成井字形驻波场(或更复杂的驻波场)的方式来实现对微粒的二维可编程操控，然而这种操控方式，微粒的运动范围受限于换能器所包裹的区域，虽然多声源(四个以上含四个)驻波型声镊子可以设计波节波腹在包裹区域内任意移动，能够实现操控粒子沿弯曲轨迹往返运动，但其只能操控粒子在包裹区域内。波束声镊子能够在自由空间操控粒子弯曲移动，但不能往返。

从目前的技术来看能够实现往返操控的只能是驻波型声镊子，但驻波型声镊子已经是一项比较成熟的技术了，且操控微粒的运动范围受限于换能器所包裹的区域。andrade在apl106,014101(2015)中采用一个换能器与凹面反射板形成略带弯曲的驻波场，实现了对液滴的弯曲轨迹的悬浮，但该方法使用的声波波长较大，使用声源为点声源，能量较小，操控的微粒受限制，同时操控区域也依然受限于声源与反射板之间的区域。还有研究者提出了一些变焦系统能够实现往返移动，但限制条件较多，虽有理论模型但未见有实验报道。如何在自由空间内稳定往返移动微粒沿曲线轨迹运动，这一点是未有文献提及的。经检索，目前公开的专利有关于操控粒子稳定移动的方案也较少，中国专利申请号201380013827x，申请日为2013年1月30日，发明创造名称为：使用可调谐声表面驻波进行微流体操控和颗粒分选；中国专利申请号2013800629002，申请日为2013年9月13日，发明创造名称为：使用多维驻波的声泳分离技术；如上述两个方案虽然也是关于操控微粒运动的，但所研究的侧重点也并不关于操控粒子在自由空间稳定往返移动。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服传统的双声源驻波型声镊子，只能够在两个换能器构成的驻波区域沿直线操控微粒的缺点，提出了一种在单侧放置换能器，构建弯曲的驻波场，构建弯曲驻波场后，只需要调节换能器间的相位就可以实现弯曲驻波波节波腹的移动，进而实现在自由空间中操控微粒沿弯曲轨迹运动的方法。本发明能够克服传统的多声源驻波型声镊子只能在换能器包裹区域实现微粒操控的缺点。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，其步骤为：

步骤一、选择一个helmholtz方程的具有大角度弯曲特性的非衍射解作为目标函数，并给出该弯曲非衍射解的函数图像；

步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，并将该二极化分布应用栅格结构实现；

步骤三、调整栅格结构的厚度h，减弱所生成弯曲声束的无衍射性，通过两束弱无衍射弯曲声束在操控区域形成弯曲的驻波场；调节两束声束的间隔d和无衍射性，调节驻波场的形态；

步骤四、分析声辐射力分布，进一步调节声束间隔d和栅格厚度h；

步骤五、根据上述步骤所得到的参数制作样品，调节两束声束的相对相位，改变驻波势阱，操控粒子沿弯曲轨迹运动。

更进一步地，步骤二中所述将二极化分布应用栅格结构实现，具体为：

(1)每一段栅格结构的宽度l与函数的区间宽度相对应；

(2)栅格结构的厚度h需满足(h/λ0-h/λ1)＝0.5，λ0与λ1分别为介质与栅格结构材料中声波波长，使之在栅格结构的出射面上满足相位差π。

更进一步地，步骤三中调节栅格结构的厚度h的具体过程为：将厚度h以h/100为间隔增加或减少，直到在中间区域的弯曲驻波场波腹与波节处声压级差达到最大值。

更进一步地，所述弯曲驻波场波腹与波节处声压级差达到最大值要求至少大于3db。

更进一步地，步骤三中调节两束声束的间隔d的具体过程为：将间隔d以d/100为间隔增加或减少，直到在中间区域的弯曲驻波场形态满足需要。

更进一步地，步骤四中声辐射力的分布需要满足在稳态时能够将微粒束缚在波节或波腹处，如果不满足要求需照步骤三反复微调声束间隔d和栅格厚度h，优化驻波场分布。

更进一步地，步骤一选择半贝塞尔函数作为目标函数。

更进一步地，步骤二中每一段栅格结构的宽度l与函数的区间宽度相等。

更进一步地，两支换能器位于同一侧，通过加工栅格结构实现操控粒子沿弯曲轨迹运动。

更进一步地，两支换能器位于同一侧，通过加工栅格结构实现操控粒子沿弯曲轨迹运动。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，通过使用不规则栅格结构，生成两束弱无衍射的弯曲声束，并组成弯曲驻波，再利用驻波形成的力学势阱来操控粒子，在操控粒子时换能器只需要位于粒子同一侧，通过调节两束声束的相位，即可实现弯曲驻波波节波腹的移动，进而操控粒子沿弯曲轨迹运功，相对于传统的驻波型声镊子依靠一对换能器形成驻波场，只能沿直线操控微粒，采用4个(或更多换能器)形成井字形驻波场(或更复杂的驻波场)实现对微粒的二维可编程操控的方式，微粒的运动范围受限于换能器所包裹成的区域内，本发明通过调控弯曲波束的形态，就能够在任意位置形成弯曲驻波，粒子的操控范围将不必受限于换能器所包裹的区域，能够在半自由空间中实现对粒子的操控，拓展了驻波型声镊子使用的灵活性；

(2)本发明的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，换能器只需要位于粒子一侧就能够实现操控粒子沿弯曲轨迹运动，扩展了使用单侧换能器操控粒子的维度；

(3)本发明的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，其不需要对换能器的制作工艺作较大改变，只需要加工栅格结构，具有加工难度低，稳定性好，易于实现的优点。

附图说明

图1为本发明构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的流程图；

图2为helmhotz方程的一个无衍射解半贝塞尔函数的图像及其对应的不规则栅格结构的示意图；

图3中的(a)为所构造的弯曲驻波的声场分布图；图3中的(b)为换能器间相对相位为0时的弯曲驻波声场分布图；图3中的(c)为换能器间相对相位为π/2时的弯曲驻波声场分布图；图3中的(d)为换能器间相对相位为π时的弯曲驻波声场分布图；

图4中的(a)为换能器间相对相位为0时声辐射力的分布情况，箭头的大小和方向分别代表声辐射力的大小和方向；图4中的(b)为换能器间相对相位为π时声辐射力的分布情况，箭头的大小和方向分别代表声辐射力的大小和方向；

图5为模拟中的粒子随换能器间相位变化的运动情况；

图6为实验中粒子的运动情况；

图7中的(a)为传统多换能器驻波型声镊子的结构示意图；图7中的(b)本发明提供方案的结构示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，构造两束大角度弯曲的无衍射束，并通过削弱其无衍射性使在空间中形成具有弯曲形态的驻波场，通过调节声束的相对相位，连续的改变弯曲驻波波节波腹的位置，利用驻波的势阱操控粒子沿弯曲轨迹运动，并通过调节声束间隔d和栅格厚度h修正无衍射性来调节弯曲驻波的具体形态。其形成驻波场的换能器结构有别于如图7中的(a)所示的传统多换能器驻波型声镊子，参看图7中的(b)，其包括两个换能器，且两个换能器位于同一侧。本实施例中操控粒子沿弯曲轨迹运动的流程如图1所示，具体步骤为：

步骤一、首先选择一个helmholtz方程的具有弯曲特性的非衍射解作为目标函数，选择helmholtz方程的具有弯曲特性的非衍射解的具体过程为：在本实施例选择半贝塞尔函数作为目标函数(选择其他类型的具有弯曲特性的非衍射解亦可)，半贝塞尔函数由下式获得：

式中ψ，k和α分别表示速度势、波数和阶数。其中α阶数越高则生成波束的无衍射性越好，函数也越复杂。经比较α取20在无衍射与函数复杂性都较为适中。将所设计的工作频率f，带入k＝2πf/c，c为媒质中声速。x，y是二维空间坐标，取y＝0，即为半贝塞尔函数在声源处的函数图像，其归一化的函数形式为图2所示。

步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，具体过程为：

绘制出声源处半贝塞尔函数的形式(如图2所示)，将函数以0为分界分别赋予相位0与π简化，并将该二极化分布应用于栅格结构实现，即：

(1)每一段栅格结构的宽度l与函数的区间宽度相对应(本实施例中即相等)，具体操作如图2所示，x<2.4的部分用一整块结构表示，函数上第一块大于0的区间用栅格结构的空表示(长度对应为l1)，紧接着的小于0的区间用栅格结构的实部表示(长度对应为l2)，以此类推；

(2)设计栅格结构的厚度h，需要满足(h/λ0-h/λ1)＝0.5，λ0与λ1分别为介质与栅格结构材料中声波波长，使之在栅格结构的出射面上满足相位差π；

带入实际参数，在频率500khz，介质水中声速1500m/s，结构材料的声速2700m/s条件下，相位差条件(h/λ0-h/λ1)＝0.5，可以得到h＝3.4mm。

步骤三、调整栅格结构的厚度h，减弱所生成弯曲声束的无衍射性，通过两束弱无衍射弯曲声束在操控区域形成弯曲的驻波场；其中，调节厚度h的具体过程为：将厚度h以h/100为间隔增加或减少，直到在两束弯曲声束的交汇区域(图7b中的操控区域)的弯曲驻波场形态最显著，即波腹与波节处声压级差达到最大值(至少大于3db)。

调节两束声束的间隔d调节驻波场的形态，其中，调节间隔d的具体过程为：将间隔d以d/100为间隔增加或减少，直到在中间区域的弯曲驻波场形态满足需要。调节好弯曲驻波的形态后，通过改变换能器间的相对相位就可以实现对波节波腹的移动，即可实现对微粒的操控。

图3中的(a)中给出了所构造的弯曲驻波，图3中的(b)(c)(d)分别给出了换能器间相对相位为0，π/2，π驻波场波节波腹的移动情况，随着这换能器间相对相位的改变，驻波场的波节波腹沿顺时针方向移动，驻波场的形态以2π为周期重复显现。

步骤四、分析声辐射力分布，进一步调节声束间隔d和栅格厚度h，具体过程为：

声辐射力由两部分组成，保守力：

非保守力：

其中f1＝(κp-κ0)/κp和f2＝2(ρp-ρ0)/(2ρp-ρ0)，κp和κ0分别是微粒和媒质的弹性模量，ρp和ρ0分别是微粒和媒质的密度。r为粒子半径，s为波印廷矢量s＝<pu^*>。p与u分别表示声压与速度，c0为媒质中声速。

保守力与非保守力的合力即为微粒在驻波场中所受到的声辐射力。声辐射力的分布需要满足在稳态时能够将微粒束缚在波节或波腹处(与微粒的材料有关)，如果不满足要求需照步骤三微调声束间隔d和栅格厚度h，优化驻波场分布。

图4中的(a)和(b)给出了换能器间相对相位为0和π时声辐射力的分布情况，箭头的大小和方向分别代表的声辐射力的大小和方向。声辐射力指向波腹处(与微粒材料与介质相关，此处为聚二甲基硅氧烷(pdms)颗粒在水的受力情况)，意味着微粒将像波腹处聚集。图4(a)和(b)中显示出，随着相位变化，驻波场中波腹的位置随之移动，但声辐射力始终保持指向波腹处，形成势阱，能够实现对微粒的稳定移动。

步骤五、通过仿真工具模拟粒子运动的图像，根据上述步骤所得到的参数制作样品，用于操控粒子。

图5中给出了模拟中的粒子随换能器间相位变化的运动情况。图6中给出了实验中粒子的运动情况，微粒位于箭头所指的位置。在图5的模拟结果中，随着换能器间相位变化，粒子的位置随之移动，并且粒子的运动过程中粒子始终被束缚于波腹处，即本实施例能够提供一种稳定的移动粒子的方法。图6是实验中拍摄到的相位变化时，粒子的运动情况。在图6中粒子首先被束缚于图7(b)中所示的操控区域的中心，后随着换能器间相位的变化开始移动。随着相位差增加粒子首先向顺时针方向移动，后相位差减少粒子沿逆时针方向返回，越过操控区域中心后进一步向逆时针方向移动，最后随着相位差恢复，粒子移动回中心区域。图6展示了粒子的一次完整的沿弯曲路径的往返移动的结果。

本实施例中换能器只需要位于粒子一侧就能够实现操控粒子沿弯曲轨迹运动，扩展了使用单侧换能器操控粒子的维度；不需要对换能器的制作工艺作较大改变，只需要加工栅格结构，具有加工难度低，稳定性好，易于实现的优点。且本实施例相对于现有的方法，通过调控弯曲波束的形态，能够提供多一个维度的操控，即能够在任意位置形成弯曲驻波，粒子的操控范围将不必受限于换能器所包裹的区域，能够在半自由空间中实现对粒子的操控，拓展了驻波型声镊子使用的灵活性。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。