[發(fā)明專利]一種基于多芯光纖的光致微馬達(dá)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010958557.1
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112068320B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張羽;王露;張亞勛;劉志海;楊軍;苑立波
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B6/35;G02B6/02
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本發(fā)明提供一種基于多芯光纖的光致微馬達(dá)，包括光纖光源1、光開關(guān)2、控制系統(tǒng)3、多芯光纖耦合器4、多芯光纖5、光吸收性條形轉(zhuǎn)子6、液體基質(zhì)7。在多芯光纖5的中心纖芯和某個徑向纖芯出射光場的作用下，光吸收性條形轉(zhuǎn)子6受到Δα型光泳力的作用而被穩(wěn)定地捕獲在兩束光之間。隨著激光在徑向纖芯中依次交替輸入，在多芯光纖5的出射端引入環(huán)形分布、順序出現(xiàn)的高斯光場，該光場在光纖附近的液體基質(zhì)7中產(chǎn)生溫度場，進(jìn)而產(chǎn)生光吸收性條形轉(zhuǎn)子6在液體基質(zhì)7中的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)光吸收性條形轉(zhuǎn)子6的旋轉(zhuǎn)，通過控制系統(tǒng)3實現(xiàn)光吸收性條形轉(zhuǎn)子6的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度的實時控制與調(diào)節(jié)。本發(fā)明轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)時間短、制備簡單，能應(yīng)用于生物領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于多芯光纖的光致微馬達(dá)，屬于光力驅(qū)動領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光驅(qū)動微馬達(dá)作為微納馬達(dá)研究領(lǐng)域中的一個重要分支，由于具有可控的運動性能，作 為可移動、可修飾的微納尺度平臺，已成功應(yīng)用在藥物運輸、癌細(xì)胞捕捉與隔離、DNA檢測、 生物醫(yī)藥等方面。

目前正在研究的光驅(qū)動微馬達(dá)主要有：光輻射壓微馬達(dá)、光化學(xué)微馬達(dá)，光熱微馬達(dá)， 以及光聲微馬達(dá)。光輻射壓微馬達(dá)是利用光輻射壓原理進(jìn)行的，光不僅具有線性動量，在某 些特定的條件下，光還攜帶有角動量，其中包括軌道角動量和自旋角動量。但是基于光鑷技 術(shù)的馬達(dá)裝置的光－機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率低，不利于實際應(yīng)用。光化學(xué)微馬達(dá)利用某特殊材料 的化學(xué)鍵相變造成的形變或彎曲達(dá)到驅(qū)動目。例如Yu等人在文章“Directbending of a polymer film by light”中提出了一種單晶聚合材料微驅(qū)動馬達(dá)，該種材料被兩個不同波長激光 按不同角度照射后會產(chǎn)生不同的彎曲形變，由此實現(xiàn)對微驅(qū)動器的控制。但是這種驅(qū)動機(jī)構(gòu) 的響應(yīng)速度一般受制于化學(xué)反應(yīng)的影響，反應(yīng)速度緩慢，并且在選材上有很大的限制。光熱 微馬達(dá)的原理類似于電熱微馬達(dá)，如Zhang等人在文章“Theoretical and experimental study of optothermal expansion and optothermalmicroactuator”中提出利用光束能量加熱馬達(dá)形成熱 脹冷縮形變而達(dá)到驅(qū)動目的，這種光動力驅(qū)動機(jī)構(gòu)相比于光化學(xué)微馬達(dá)在形變振幅、效率上 都有改進(jìn)。然而，這種熱脹冷縮機(jī)制的反應(yīng)時間長，當(dāng)激光高頻輸出時，驅(qū)動器便很難跟隨 激光做出響應(yīng)動作，因此難以滿足需要快速響應(yīng)的驅(qū)動環(huán)境。光聲微馬達(dá)利用激光誘導(dǎo)的表 面波驅(qū)動微轉(zhuǎn)子，如Orozco等人在文章“Artificial enzyme-powered microfish for water-quality testing”中提出一種光聲微馬達(dá)，在表面超聲駐波應(yīng)用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)固體微馬達(dá)后， 實現(xiàn)微馬達(dá)的運動。但光聲微馬達(dá)需要借助于復(fù)雜的表面加工工藝，無法在工業(yè)上大量推廣 應(yīng)用。因此需要找到一種轉(zhuǎn)化效率高，響應(yīng)時間短，制備工藝簡單的光驅(qū)動微馬達(dá)。

針對以上問題，本發(fā)明提出一種基于光泳原理的光驅(qū)動微馬達(dá)。當(dāng)光吸收性粒子的表面 被照明光不均勻加熱時，光泳力隨之產(chǎn)生。Shvedov等人在文章“Optical guidingof absorbing nanoclusters in air”中比較了輻射壓力和光泳力的大小，證實光泳力比光輻射壓力大6個量級 以上。光泳效應(yīng)更容易產(chǎn)生足夠大的力去平衡其他阻力，從而實現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動，進(jìn) 而提高光-機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化效率。光泳力分為Δα型光泳力和ΔT型光泳力，其中ΔT型光泳 力來自于粒子表面的溫度梯度，Δα型光泳力(F_Δα)來自于液體與顆粒表面之間的熱交換差 異性，這種光泳力是基于熱交換作用的產(chǎn)物。Δα型光泳力從熱調(diào)節(jié)系數(shù)高的一側(cè)指向熱調(diào)節(jié) 系數(shù)低的一側(cè)，并且熱調(diào)節(jié)系數(shù)取決于光吸收性粒子的粒子自身結(jié)構(gòu)和表面特性。粒子的熱 導(dǎo)率越大，粒子的導(dǎo)熱速度越快，粒子表面的溫度梯度越接近于0，這直接導(dǎo)致ΔT型光泳力 驟減甚至消失，此時，Δα型光泳力對粒子的運動起主導(dǎo)作用。

Δα型光泳力產(chǎn)生機(jī)理如下：

Δα型光泳力的方向由粒子兩側(cè)熱適應(yīng)系數(shù)α的差異來判定，根據(jù)熱調(diào)節(jié)系數(shù)α的定義，