[发明专利]双向锥体光纤微小粒子旋转器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微小粒子旋转器，特别是一种利用锥体光纤形成的倏逝场产生光辐射压力驱动双体微小粒子旋转的旋转器。

背景技术

近些年来，微全分析系统(μTAS)也称为单晶片上构建的实验室已经在医学研究、生物应用分析和化学领域掀起了巨大的研究浪潮。由微小粒子构成的旋转器在微流系统中充当搅拌器这一至关重要的角色，因此设计和制备微小粒子旋转器变得也越来越重要。为了获得更高性能的旋转器，人们开始使用光驱动。

1936年，R.A.Beth在实验上让一束圆偏振光通过细丝悬挂的半波片，首次利用光束中光子的角动量实现了物体的旋转。自此以来人们一直在不停的探索着实现光致旋转的方法。自从1986年Askin在Opt.Lett.11，288-290上发表文章“Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles”把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，实现了对粒子的三维空间控制，因为此光束可以实现空间对微小粒子的夹持，因此得名“光镊”。也同时促进了光致旋转的发展，光镊是依靠一束强聚焦激光光束通过一个透明粒子(其折射率大于周围介质的折射率)时产生的梯度力形成三维捕获阱的。光镊已经在物理、生物、胶体化学、纳米科学等很多微观科学领域得到了越来越广泛的应用，人们已经利用光镊来捕获、操纵各种微小粒子，如细菌、动植物的细胞、聚四氟乙烯小球等。1991年Sato利用一束旋转的高阶Hermite-Gaussian光，首次实现了激光光阱中粒子的光致旋转。目前实现光学旋转主要采用三种方式：第一种方式是利用自旋角动量实现光致旋转。第二种方式是利用轨道角动量引起的光致旋转，轨道角动量与光场的特定空间分布相联系，凡是场分布不均匀的光束一般都携带有轨道角动量。第三种方式是设计制作具有特定外形结构的微型器件，利用器件对光束的反射、折射、吸收等相互作用来实现器件的旋转(祝安定，刘宇翔，郭锐，等.一种微型转子的激光加工和光致旋转.光电工程.2006，33(1)：10-13)。使用特殊形状如风车状的微粒，光束本身不携带角动量，可以是线偏振光也可以是非偏振光，其光致旋转的原理类似风吹风车转动，光场的光压力作用在风车状的微粒上会产生扭矩从而使微粒旋转，其转速与光强成正比(Bingelyte V，Leach J，Courtial J.Optical Controlled Three-dimensional Rotation of Microscopic Objects.Appl.Phys.Lett.2003，(82)：829-831)。匈牙利科学院的Ormos小组在这方面做了大量的研究工作。这种方法的优点是微粒的转速与方向可以人为控制，缺点是受到微粒的形状的限制。Bayoudh等人使用此方法成功地旋转了菠菜的叶绿体。另外还有双光纤法、双光阱法、干涉激光模式法等多种巧妙的方法。这些光学旋转方法的巧妙之处一般都在于光阱激光模式的选择以及光路的设计思想，但是样品粒子的制作对加工工艺依赖性比较强，这些方法还有待进一步改进和完善。但目前为止都是采用激光形成光镊进行驱动。由于激光光镊体积比较庞大，不易移动，造价高等不足我们提出双向锥体光纤进行驱动。