[发明专利]一种基于多芯光纤的光致微马达

说明书

本发明提供一种基于多芯光纤的光致微马达，包括光纤光源1、光开关2、控制系统3、多芯光纤耦合器4、多芯光纤5、光吸收性条形转子6、液体基质7。在多芯光纤5的中心纤芯和某个径向纤芯出射光场的作用下，光吸收性条形转子6受到Δα型光泳力的作用而被稳定地捕获在两束光之间。随着激光在径向纤芯中依次交替输入，在多芯光纤5的出射端引入环形分布、顺序出现的高斯光场，该光场在光纤附近的液体基质7中产生温度场，进而产生光吸收性条形转子6在液体基质7中的转矩，实现光吸收性条形转子6的旋转，通过控制系统3实现光吸收性条形转子6的旋转方向和旋转速度的实时控制与调节。本发明转化效率高、响应时间短、制备简单，能应用于生物领域。

技术领域

本发明涉及一种基于多芯光纤的光致微马达，属于光力驱动领域。

背景技术

光驱动微马达作为微纳马达研究领域中的一个重要分支，由于具有可控的运动性能，作 为可移动、可修饰的微纳尺度平台，已成功应用在药物运输、癌细胞捕捉与隔离、DNA检测、 生物医药等方面。

目前正在研究的光驱动微马达主要有：光辐射压微马达、光化学微马达，光热微马达， 以及光声微马达。光辐射压微马达是利用光辐射压原理进行的，光不仅具有线性动量，在某 些特定的条件下，光还携带有角动量，其中包括轨道角动量和自旋角动量。但是基于光镊技 术的马达装置的光－机械能的转换效率低，不利于实际应用。光化学微马达利用某特殊材料 的化学键相变造成的形变或弯曲达到驱动目。例如Yu等人在文章“Directbending of a polymer film by light”中提出了一种单晶聚合材料微驱动马达，该种材料被两个不同波长激光 按不同角度照射后会产生不同的弯曲形变，由此实现对微驱动器的控制。但是这种驱动机构 的响应速度一般受制于化学反应的影响，反应速度缓慢，并且在选材上有很大的限制。光热 微马达的原理类似于电热微马达，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热马达形成热 胀冷缩形变而达到驱动目的，这种光动力驱动机构相比于光化学微马达在形变振幅、效率上 都有改进。然而，这种热胀冷缩机制的反应时间长，当激光高频输出时，驱动器便很难跟随 激光做出响应动作，因此难以满足需要快速响应的驱动环境。光声微马达利用激光诱导的表 面波驱动微转子，如Orozco等人在文章“Artificial enzyme-powered microfish for water-quality testing”中提出一种光声微马达，在表面超声驻波应用于驱动旋转固体微马达后， 实现微马达的运动。但光声微马达需要借助于复杂的表面加工工艺，无法在工业上大量推广 应用。因此需要找到一种转化效率高，响应时间短，制备工艺简单的光驱动微马达。

针对以上问题，本发明提出一种基于光泳原理的光驱动微马达。当光吸收性粒子的表面 被照明光不均匀加热时，光泳力随之产生。Shvedov等人在文章“Optical guidingof absorbing nanoclusters in air”中比较了辐射压力和光泳力的大小，证实光泳力比光辐射压力大6个量级 以上。光泳效应更容易产生足够大的力去平衡其他阻力，从而实现马达转子的高速转动，进 而提高光-机械能的能量转化效率。光泳力分为Δα型光泳力和ΔT型光泳力，其中ΔT型光泳 力来自于粒子表面的温度梯度，Δα型光泳力(F_Δα)来自于液体与颗粒表面之间的热交换差 异性，这种光泳力是基于热交换作用的产物。Δα型光泳力从热调节系数高的一侧指向热调节 系数低的一侧，并且热调节系数取决于光吸收性粒子的粒子自身结构和表面特性。粒子的热 导率越大，粒子的导热速度越快，粒子表面的温度梯度越接近于0，这直接导致ΔT型光泳力 骤减甚至消失，此时，Δα型光泳力对粒子的运动起主导作用。

Δα型光泳力产生机理如下：

Δα型光泳力的方向由粒子两侧热适应系数α的差异来判定，根据热调节系数α的定义，