本发明属于声学透镜，涉及一种高频涡旋声场透镜及微粒操纵装置。
背景技术：
1、基于光、磁和声的非接触式微粒操纵技术已经得到广泛的应用，如细胞弹性特性的测量、dna链力的测定以及微粒或细胞的组装等领域。由于光镊、磁镊操作方法和应用条件的限制，这两种方法不能直接用于生物样本的操纵。与光镊相比，声镊在安全性、深度穿透性和可操纵样品尺寸方面具有优势。更重要的是，由于辐射压力与波速成反比，在相同场强下，声镊的辐射力要比光镊高得多。而且与磁镊相比，声镊不需要事先对目标进行磁性修饰。常规的声镊可分为三大类：驻波声镊、单波束声镊和声流声镊。驻波声镊根据微粒和周围介质的声学特性将微粒限制在波节点或波前。驻波声镊的产生要么需要两个相对的超声换能器，要么需要一个换能器和一个相对的反射器，并且目标必须位于它们之间，因此在生物体内的适用性较差。相比之下，单波束声镊只需要一个超声波换能器，因此比驻波声镊具有更好的空间可操作性。除此之外，在超声波的作用下，还可以通过固体结构或振动微泡引起的声流来操纵微粒。然而，它们的空间分辨率较低，目前的应用主要局限于微流体。
2、传统的单波束聚焦声镊可以实现微粒的捕获和富集，但是其操纵模式单一，且大多数单波束声镊仅可以进行线性运动操纵，而基于驻波的声镊也仅限于在网格状空间模式中捕获和操纵微粒。因此，研制更高灵活性和可操作性的声场迫在眉睫。与单波束声镊相比，声涡旋通过调控位于目标区域一侧的声源来操纵物体，同时其特有的轨道角动量可以提供扭矩以实现微粒的旋转操纵，因此具有更高的灵活性和可操作性。
技术实现思路
1、(一)发明目的
2、本发明的目的是：提供一种高频涡旋声场透镜及微粒操纵装置，突破传统加工限制，精准调控高频超声波的轨道角动量，以实现更高频率和可操作性的涡旋声场透镜。
3、(二)技术方案
4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种高频涡旋声场透镜，其特征在于，包括不锈钢薄片基底，基底中心区域为实心区域，实心区域外围通过激光加工形成周期性螺旋线镂空结构；螺旋线镂空结构所在区域允许声波无遮挡通过，实心区域阻挡声波传播。
5、进一步地，所述螺旋线镂空结构上形成有多条栅状支撑结构，支撑结构与螺旋线镂空结构的螺旋线经激光加工同步形成。
6、进一步地，所述支撑结构沿螺旋线镂空结构的径向均匀间隔分布，穿过镂空结构区域并与螺旋线连接，用于稳定螺旋线镂空结构。
7、进一步地，所述透镜通过螺旋线镂空结构的声阻抗差异构建螺旋相位梯度，将入射平面声波转换为携带轨道角动量的涡旋声场，第m条螺旋曲线的半径表示为：
8、
9、其中，是中心实心区域的半径，zf为透镜的焦距，θ为螺旋线与水平方向的夹角，m是声涡旋的拓扑阶数，λ是声波波长。
10、进一步地，所述支撑结构设置8条。
11、进一步地，每条所述支撑结构的宽度小于一个声波波长，厚度为0.1mm-0.5mm，厚度与基底的厚度保持一致。
12、进一步地，所述螺旋线镂空结构为聚焦状的阿基米德螺旋线，其螺旋线线宽≤100μm。
13、进一步地，所述基底的材料为304不锈钢或316不锈钢。
14、进一步地，所述螺旋线镂空结构及支撑结构通过超短脉冲激光加工形成，支撑结构与实心区域连接处无尖锐棱角；超短脉冲激光为皮秒或飞秒激光。
15、本发明还提供一种微粒操纵装置，包括透镜、夹具和超声换能器；透镜为前述的高频涡旋声场透镜，夹具中心开孔，超声换能器由后部装入中心孔中；夹具前端面上开设与透镜外轮廓匹配的定位槽，透镜安装在定位槽内；透镜和超声换能器同轴布置，两者相邻端面之间留有一个声波波长的间隙。
16、(三)有益效果
17、上述技术方案所提供的高频涡旋声场透镜及微粒操纵装置，具有以下有益效果：
18、(1)本发明采用超短脉冲激光微加工技术，可在不锈钢薄片表面精准刻蚀出螺距、线宽及螺旋角严格匹配高频声波波长的螺旋线镂空结构，该结构通过“镂空区导通-实心区阻挡”的声阻抗差异，精准构建螺旋相位梯度，有效抑制高频下相位误差放大问题，使轨道角动量传递效率提升至90％以上，成功实现高频涡旋声场稳定生成；
19、(2)不锈钢基底兼具低声衰减与高声阻抗特性，结合螺旋线结构的相位调制作用使声能量高度聚焦于目标区域，旁瓣抑制比高，有效减少能量泄漏，提升涡旋声场的空间分辨率与操控精度；
20、(3)不锈钢材料的高机械强度可抵御高频振动引起的形变，结合其良好的热传导性，配合薄片化结构设计，有效降低高频激励下的热积累效应，避免材料参数漂移对声场特性的影响，保障透镜在复杂工况下的长期可靠运行；
21、(4)激光加工工艺灵活可控，可快速制备不同螺旋参数(如螺距、螺旋方向)的透镜，适配多场景需求；不锈钢基底的低成本与易加工性，突破了传统精密声学元件依赖复杂微纳加工的技术壁垒，显著降低量产成本，为高频涡旋声场在超声成像、微纳粒子操控等领域的规模化应用提供了关键器件支撑。激光非接触式加工技术凭借其高灵活性与不锈钢基底的易加工特性深度融合，可快速定制螺距、螺旋方向等参数的螺旋线透镜突破了传统精密声学元件依赖复杂微纳加工的技术壁垒，精准适配生物医学微操作、超声成像等多样化场景需求。
1.一种高频涡旋声场透镜，其特征在于，包括不锈钢薄片基底，基底中心区域为实心区域，实心区域外围通过激光加工形成周期性螺旋线镂空结构；螺旋线镂空结构所在区域允许声波无遮挡通过，实心区域阻挡声波传播。
2.如权利要求1所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，所述螺旋线镂空结构上形成有多条栅状支撑结构，支撑结构与螺旋线镂空结构的螺旋线经激光加工同步形成。
3.如权利要求2所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，所述支撑结构沿螺旋线镂空结构的径向均匀间隔分布，穿过镂空结构区域并与螺旋线连接，用于稳定螺旋线镂空结构。
4.如权利要求3所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，所述透镜通过螺旋线镂空结构的声阻抗差异构建螺旋相位梯度，将入射平面声波转换为携带轨道角动量的涡旋声场，第m条螺旋曲线的半径表示为：
5.如权利要求3所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，所述支撑结构设置8条。
6.如权利要求5所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，每条所述支撑结构的宽度小于一个声波波长，厚度为0.1mm-0.5mm，厚度与基底的厚度保持一致。
7.如权利要求6所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，所述螺旋线镂空结构为聚焦状的阿基米德螺旋线，其螺旋线线宽≤100μm。
8.如权利要求7所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，所述基底的材料为304不锈钢或316不锈钢。
9.如权利要求8所述的高频涡旋声场透镜，其特征在于，所述螺旋线镂空结构及支撑结构通过超短脉冲激光加工形成，支撑结构与实心区域连接处无尖锐棱角；超短脉冲激光为皮秒或飞秒激光。
10.一种微粒操纵装置，其特征在于，包括透镜、夹具和超声换能器；透镜为权利要求1-9中任一项所述的高频涡旋声场透镜，夹具中心开孔，超声换能器由后部装入中心孔中；夹具前端面上开设与透镜外轮廓匹配的定位槽，透镜安装在定位槽内；透镜和超声换能器同轴布置，两者相邻端面之间留有一个声波波长的间隙。