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声学学报 2024年第3期49卷 464-471页

作者：张宇翔刘久玲刘明华游然何世堂中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

针对目前声表面驻波微操控方法在微流道的完整宽度上形成驻波图案,缺乏实现区域化操控的可行性的问题,量化分析了短脉冲激发的声表面波在声学微操控结构中产生与控制局部微粒图案的方法。通过对单指对叉指换能器机械波形的加式合成,建... 详细信息

针对目前声表面驻波微操控方法在微流道的完整宽度上形成驻波图案,缺乏实现区域化操控的可行性的问题,量化分析了短脉冲激发的声表面波在声学微操控结构中产生与控制局部微粒图案的方法。通过对单指对叉指换能器机械波形的加式合成,建立了短脉冲激励下的波形传播解析模型,结合有限元方法建立立式声表面波微操控器件的全截面仿真模型,研究对激励信号施加脉冲延迟和频率调制时,微操控器件的时均基底位移以及微流道内声场分布的变化规律。为验证理论模型,制作微操控器件进行实验测试。结果表明,通过修改激励信号的相对时延和有效脉冲时间,可以有效地控制声场中生成驻波区域的位置及宽度,二者均呈线性正相关,与理论及仿真结果相符。

关键词：声表面驻波微操控调制短脉冲微粒图案化

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硅基近场光镊的光学微操控研究

硅基近场光镊的光学微操控研究

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作者：应宙锋南京大学

学位级别：硕士

现代医学及生物学研究已经深入到对单个纳米级别生物分子的操控。这对传统的操控技术如微流控技术提出了很大的挑战,于是纳流控技术应运而生。其中,光镊技术因具有非接触、精度高和操控方便等优势成为了纳流控技术中的理想驱动力。然而... 详细信息

现代医学及生物学研究已经深入到对单个纳米级别生物分子的操控。这对传统的操控技术如微流控技术提出了很大的挑战,于是纳流控技术应运而生。其中,光镊技术因具有非接触、精度高和操控方便等优势成为了纳流控技术中的理想驱动力。然而这种传统的光镊技术受到了衍射极限的限制,无法操控尺寸小于100纳米的颗粒。得益于近几年纳米加工技术的迅猛发展,人类已经能够制作出极其精细的微结构,并提出了近场光镊技术成功突破了衍射极限。而硅基平台因易于集成和技术成熟等优势成为了实现近场光镊技术的最佳平台之一。硅基近场光镊技术主要包括基于倏逝场的光镊技术和基于表面等离子体的光镊技术。利用不同的硅基波导结构可以实现对为微粒的不同操控功能,包括捕获、运输、分选、存储和传感等。本文提出了多种新颖的原理和结构实现了多种光学微操控,包括能够实现纳米颗粒的捕获和传输的光学传送带、能够控制颗粒支路选择的导向系统和能够实现不同颗粒大小自动筛选的光学分选器,为片上硅基光镊系统的高度集成化提供了强有力的支持。本论文主要分为三部分：1、提出了一种波导激励型光学传送带,实现了纳米颗粒在纳米量级的精确捕获和传输。因为倏逝场尺寸处于百纳米量级,传统的波导型光镊只能捕获和操控百纳米级别的颗粒。要实现尺寸小于100纳米的颗粒捕获就必须提高光场梯度力,而等离子型近场光镊为该难题提供了一种有效的解决手段。比如一对以一定间隔摆放的金属棒就能实现有效地激励起局域光场,可以提供增强几十倍的光场梯度力,从而实现颗粒的捕获。这种结构还具有尺寸相关的波长选择特性,因此可以通过波长选择激励区域。将不同尺寸的金属颗粒对交替排列在波导上方,并不断切换输入的波长就可以实现热区以流水灯方式的移动。利用光镊技术,通过光场和颗粒移动的映射关系,最终可以实现颗粒在波导上前向或者后向的蠕动。每切换一次波长,颗粒步进一格。相比于利用散射力推动的方式,该方法可以精确控制颗粒的位移。该设计提供了一种新型的方式首次实现了在硅基波导平台上对纳米颗粒的捕获和可控传输。2、提出了一种通过切换输入光的偏振方向实现颗粒不同路径导向的装置。逻辑操控是光学微操控领域最为关键的功能之一,也是实现大规模复杂操控的最基本功能单元之一。但目前的颗粒导向器件绝大部分都是基于波长调控的,但这需要多波长的光源来实现,而且硅基结构尺寸较大。本文提出了一种基于偏振的颗粒导向系统。因狭缝波导具有很强的偏振敏感特性,通过参数优化,可以实现狭缝波导和纳米线波导之间的偏振选择性耦合,从而可以利用这两种波导结构实现简单的偏振分束器。当不同偏振的光输入到波导结构中时光会从不同的输出口输出。因此,在近场光镊的作用下,通过操控输入光的偏振态,可以实现颗粒导向。3、提出了一种利用不同尺寸颗粒对同一光场具有特异性响应的特性而实现的颗粒分选系统。颗粒分选是片上系统中关键的技术之一,能够实现不同种类或不同尺寸颗粒之间的自动分离,相比于传统的利用高性能相机观测后再主动拣选的方式具有非常大的优势。本文设计的结构由两根宽度不一致的波导组成,宽波导具有较大的光场包络,而窄波导具有较小的光场包络。当尺寸不同的颗粒处在这样的光场中时,大颗粒能够响应宽波导的光场给予的光力并忽略光场在相对于颗粒尺寸来说较小范围内的梯度力,而小颗粒因尺寸限制无法感知大包络的变化。因此尺寸相异的颗粒会对同一光场产生完全不同的响应,最终从不同出口输出。总之,本文利用了金属颗粒对的波长选择特性实现了颗粒的传输、利用狭缝波导的偏振选择特性实现了颗粒的导向以及利用不同尺寸颗粒对相同光场的不同响应实现了颗粒的分选。这些结构拓展了光流集成领域的操控方法和功能,具有较大实际的研究意义。

关键词：硅基波导光镊微操控颗粒捕获偏振选择颗粒分选

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面向玻璃微球靶丸的新型声流控装置设计与实验研究

面向玻璃微球靶丸的新型声流控装置设计与实验研究

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作者：王鑫南京航空航天大学

学位级别：硕士

玻璃微球靶丸作为惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF)实验的核燃料容器,其尺寸参数和表面形貌等对ICF实验的成败至关重要,因此通过检测挑选合格靶丸是ICF实验准备工作中重要的一环。然而,在检测过程中,置于多孔网格... 详细信息

玻璃微球靶丸作为惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF)实验的核燃料容器,其尺寸参数和表面形貌等对ICF实验的成败至关重要,因此通过检测挑选合格靶丸是ICF实验准备工作中重要的一环。然而,在检测过程中,置于多孔网格支架中的待测靶丸容易由于直接接触而造成表面损伤,影响靶丸筛选效率。声操控技术具有非接触性、无损、高效、无标签等优点,因此可以用于粘性强、尺寸小(100μm～1000μm)、结构脆弱的玻璃微球靶丸操控。然而,现有的声操控装置存在结构复杂、控制困难、操控范围局限等缺点。因此,本课题面向ICF靶丸在检测过程中的非接触无损操控应用需求,提出利用压电激励固体振动诱发声场和声流场原理构建压电换能器阵列式圆盘/圆环型声流控装置。本文的主要研究内容包括:1.基于振动模态与声场分布一致性的特点,提出模态规划的设计方法。采用COMSOL软件对装置依次进行固体力学、压力声学和层流仿真分析,分别确定工作模态、声场分布和声流场分布规律。该方法有效避免了设计过程中的盲目性,提高了设计效率。2.提出一种基于面外振动模态的圆盘型多模式声流控装置。首先,通过COMSOL软件规划圆盘容器的面外驻波和面外行波振动模态。然后,通过测振和操控实验分别验证了圆盘型多模式声流控装置的振动特性和操控性能,并探究了激励频率、工作电压、靶丸尺寸对靶丸运动的影响规律。结果表明:装置可以实现对靶丸的直线和旋转操控;靶丸运动速度与运动稳定度成负相关关系;电压大小和靶丸大小与靶丸运动速度成正相关;旋转操控时存在靶丸运动失稳的问题。3.针对圆盘型多模式声流控装置在靶丸旋转操控时出现的运动失稳问题,提出一种基于面内行波振动模态的圆环型旋转声流控装置。通过实验验证其操控性能,结果表明:频率对操控稳定性具有决定性影响,越接近共振频率,运动稳定性越低;在远离共振频率时,装置可以实现稳定的旋转操控,在32900 Hz激励频率和50 Vpp电压下,靶丸的最小旋转速度为56.6°/s,此时靶丸运动稳定度最高。圆盘型和圆环型声流控装置验证了模态规划设计方法的有效性,确认了结构设计和工作原理的可行性,为后续ICF靶丸的无损高效检测和筛选提供技术基础。

关键词： ICF靶丸声流控微操控压电换能器多模式操控

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空化微流体在生物医学方面的应用

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激光生物学报 2014年第4期23卷 289-293页

作者：古颖龙王海燕吴羽姜恒和郑嘉鹏邢晓波朱德斌华南师范大学激光生命科学研究所教育部重点实验室广东广州510631 华南师范大学信息光电子科技学院广东广州510006 广州计量检测技术研究院广东广州510663 广州大学实验中心广东广州510006 华南师范大学先进光电子研究院光及电磁波中心广东广州510006

空化效应是发生在液体内部的一种极其复杂的流体物理现象,能产生极高的中心能量密度,并伴随发光、发热、冲击波、高速射流等极端物理现象,它的存在能使一些极端的反应得以实现。空化效应发生时形成的空化微流体在破坏细胞形貌、微操控... 详细信息

空化效应是发生在液体内部的一种极其复杂的流体物理现象,能产生极高的中心能量密度,并伴随发光、发热、冲击波、高速射流等极端物理现象,它的存在能使一些极端的反应得以实现。空化效应发生时形成的空化微流体在破坏细胞形貌、微操控、微混合等方面有广泛地应用。本文综述了空化微流体及其产生的强烈冲击波在生物医学方面的应用,包含空化微流体在破坏细胞形貌、微小元件的操控以及加快液体混合等三个方面。

关键词：空化微流细胞形貌微操控微混合

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