[发明专利]一种三维声镊发射器、三维聚焦声镊操控系统及其应用

说明书

本发明提供一种三维声镊发射器、三维聚焦声镊操控系统及其应用。三维声镊发射器包括一个结构板，所述结构板上设置有同中心轴设置的两组螺线槽以及八个同心圆环，第一组螺线槽与第二组螺线槽在同一位置直接叠加形成复合螺线槽。八个同心圆环分为内部四个同心圆环为焦距fsubgt;2/subgt;的菲涅尔波带片，外部四个同心圆环为焦距fsubgt;3/subgt;的菲涅尔波带片，且复合螺线槽位于同心圆环的外围。当入射超声平面波通过该声镊发射器时，横向的声聚焦花瓣波束和轴向的两个聚焦波束共同组成一个三维的中心场强为零的三维声镊。实验证明了在水中此声镊可用于Mie粒子的三维操控。该声镊在生物工程、微粒子组装及药物的靶向运输等领域有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于声学器件领域，具体涉及一种基于杂化人工结构板的三维声镊发射器、三维聚焦声镊操控系统及其应用。

背景技术

由于声镊在材料科学、化学、生物医学等领域的重要应用而受到广泛关注和研究。与其他微操控技术相比，声镊具有生物无损伤、无标记、工作距离远等优点以及可以在广泛的物体尺寸范围内进行精确操纵。同时，声镊对介质的光透明度没有要求，可以在非透明介质中进行，这就使得声镊可能在空气、水中、甚至可以直接操纵微粒、细胞、生物等。

从产生方式上看，声镊主要有两种：主动声镊和被动声镊。主动声镊是由具有一定几何形状的单一声源、具有一定空间排列的多个声源、和声源阵列等主动发射器产生的声镊。通过电控制每个单位声源的相位偏移，从而实现预先设计的声场。得到的声场对其中的物体产生声辐射力，从而实现对物体的捕获或操纵。然而，主动声镊存在的缺陷和不足是为了产生声学镊子通常需要几十个几百个甚至上千个主动换能器，通过复杂的电路系统来控制每一个主动换能器的振幅和相位，庞大的结构体积、巨大的设计成本和繁琐的操作流程极大的限制了它的应用与发展。被动声镊是利用声学人工结构如声子晶体、超材料、超表面和人工结构板来调节入射声场并实现声镊。其中人工结构板是一种高效、简单和低成本的声场调制方法。然而，由于现有的被动声镊不能提供足够的轴向声辐射力，大多都集中于捕获和操纵较小的瑞利尺度的微粒，而对于使用被动声镊子在水中操控较大Mie粒子的三维运动仍然是一个挑战。因此通过一个紧凑而简单的人工结构对换能器发射的入射超声波进行调制从而产生鲁棒的三维声镊是非常必要和有意义的。

发明内容

为了改善上述技术问题，本发明提供一种三维声镊发射器，包括一个结构板，所述结构板上设置有同中心轴的第一组螺线槽、第二组螺线槽和同心圆环组；

所述第一组螺线槽为逆时针方向的螺线槽，所述第二组螺线槽为顺时针方向的螺线槽，两组螺线槽在同一位置直接叠加，组成复合螺线槽，所述第一组螺线槽与所述第二组螺线槽产生涡旋的拓扑电荷大小相等但符号相反；

所述同心圆环组由八个宽度不同的同心圆环构成，分别为：内部四个同心圆环，即焦距为f₂的菲涅尔波带片；以及外部四个同心圆环，即焦距为f₃的菲涅尔波带片；

所述第一组螺线槽和第二组螺线槽均位于所述同心圆环组的外围。

当一束声平面波沿z轴方向入射到所述结构板上时，位于第一组螺线槽和第二组螺线槽内的螺线槽将使透射声波在焦距为f₁处产生横向的聚焦花瓣波束，两个菲涅尔波带片(即同心圆环组)在焦距分别为f₂和f₃处各产生一个轴向的聚焦波束；花瓣波束和双焦点波束的位置被预先精心设定，f₂f₁f₃；横向的聚焦花瓣波束与两个轴向的聚焦波束共同组成一个三维的、中心强度为零的三维聚焦声镊。

根据本发明的实施方案，所述结构板的材质可以为不锈钢材料、黄铜材料或钛合金材料等金属材料；本发明优选不锈钢材料，其密度、纵波速度和横波速度分别为7900kg/m³、5240m/s和2978m/s，但并不限制于此，本领域技术人员可以理解，其他声阻抗足够大的硬质材料均可被用于制作结构板。