基于多孔光纤的光热助推器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于多孔光纤的光热助推器。其特征为，该光热助推器由一段经微加工处理过的多孔光纤和光源组成。将多孔光纤加工制备成类喷射泵的样子，其中多孔光纤的一端形成实心单芯光纤端，然后通过空气加压加热的方法，制备出一个近球形加热室，该加热室空气孔之间的包层膨胀变薄直至完全热熔消失，纤芯贯穿整个加热室悬挂于中间。在加热室外表面采用飞秒打孔加工技术，制备出一个微流液体微孔作为进液入口，在开放端通过单侧热熔拉锥的方法制备出一个拉瓦尔喷嘴，与所需使用的微流控芯片内的微流通道相连。这种能用于微流控芯片的多孔光纤光热助推器制备简单，一致性好，便于嵌入在芯片内，与光源连接方便快捷，适合规模化大批量生产。

【技术实现步骤摘要】
基于多孔光纤的光热助推器(一)
本专利技术涉及一种基于多孔光纤的光热助推器，便于嵌入微流控芯片内，同样在微米尺度操作微量液体中可以代替微量注射泵和微流蠕动泵等大尺寸进样设备，为微流控芯片在化学、生物、医药等领域高通量分析及检测的外围控制设备提供了一种便捷的方法，属于光流控
(二)
技术介绍
微流控技术(Microfluidics或Lab-on-a-chip)指的是使用几十微米或数百微米的微通道处理或操纵微小流体的系统。微流控技术经过几十年的发展，已经成为一门涉及化学、流体物理、光学、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。由于微流控芯片中的样品体积小，检测光程短，灵敏度高、响应时间快、功耗低的光学检测器和新型检测方法对于微流控技术向实用化发展至关重要，并且无论是生物检测、药物测试，还是化学分析、环境监测，需要微升级液体的系统越来越多。微流系统中除了芯片为主要的技术集成单元，还需要很多其他外围设备，如进样设备、流体驱动控制设备、温度控制和检测控制等单元，这些设备进而再与具备不同用途的微流控芯片单元连接，完成功能需求。现如今已存在的与光纤相结合的微流控芯片及应用包括：光纤型微流控电泳芯片【苏波等，光纤型微流控电泳芯片的研制。测控技术，2005，24(11)：5-8】，该芯片实现了在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上制作深度不同的微流控沟道和光纤沟道，使光纤与微流控沟道能够方便地对准。还有一种是内嵌光纤型微流控芯片【金永龙等，基于准分子激光加工技术的内嵌光纤型微流控器件的制备。中国激光，2008，35(11)：1821-1824】，其制备方法是利用248nm的KrF准分子激光在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片上进行微加工，构建芯片结构，并嵌入腐蚀过的直径35μm的单模光纤，从而形成内嵌光纤型芯片。这两种均是传统微流控芯片结合光纤实现的，除此之外，也可以将带有空气孔的特种光纤作为芯片微通道的一部分，如直接利用中空光子晶体光纤的中空光学通道作为微流物质通道【江超，飞秒激光脉冲精密制作微流光纤器件及其应用。激光杂志，2009，30(5)：6-8】。这种微流测量器件的工作原理是基于光纤中传输的光场直接与微流物质相互作用，从而改变光纤中光波的特性。也有通过某些加工技术对光纤进行微加工处理，近而达到微流控芯片的功能。例如利用飞秒激光辅助加工的方法也可以在单模光纤中加工出平行于纤芯的微流通道，从而制成了一种能够应用于液体折射率传感的新型光纤微流体器件【李翔，光纤微流体器件的飞秒激光制备及液体折射率传感。哈尔滨工业大学，2013；孙慧慧，光纤内马赫泽德干涉微腔的飞秒激光制备及温盐传感特性。哈尔滨工业大学，2015】，这种微流体器件具有耐高温特性，液体在微流通道内部流动，避免被测液体与外界接触，具有很强的抗干扰能力。专利CN106582903提出了一种光热波导的微流控芯片，该光热波导浸没在长方体的微流室底部，并且微流室的长宽高一定，光波导表面涂有导热性能的纳米材料，流体流动强度和光功率成正相关关系。在以上这几种与光纤有关的微流系统中，进样液体往往需要被驱动、控制或者进行各种各样的操作，均未用及光纤中的光热效应特性。以上微流系统中，进样方式依然需要连接微泵，如蠕动泵或微流注射器等大体积外围设备。本专利技术通过喷射泵原理启发，基于多空气孔结构的光纤，提出了一种微米尺寸的光热助推器。将喷射泵中的流体动力用光热动力代替，光热助推器的加热室内液体高速喷出后，产生低压，将微流控芯片外的微流液体吸入加热室，光能转变为动能再转变为压强能，经过喷射管后喷出。光热助推器的喷射管被加工成拉法尔喷嘴的形状，喷嘴的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉，窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底，液体受高压流入喷嘴的前半部，穿过窄喉后由后半部逸出，这一结构可使流体的速度因喷截面积的变化而变大。为了能进一步提高微流控芯片的集成度和小型化，克服上述在先进技术中的缺点和不足，本专利技术给出了一种基于多孔光纤的光热助推器，这种能用于微流控芯片的多孔光纤光热助推器制备简单，一致性好，便于嵌入芯片内，避免了分离情况下的光学对准与调节，适合规模化大批量生产。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种在微米尺度操作微量液体时可以代替微流控芯片外围大尺寸进样设备的光热助推器。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于多孔光纤的光热助推器。其主要特征为，该助推器由图1所示的纤芯多孔光纤制作加工而成。将多孔光纤加工制备成类喷射泵的样子，其中多孔光纤的一端通过加热熔缩变细，直至使光纤的空气孔被密封上，形成实心单芯光纤端2-1，作为与外部光源相互连接的光接口。一端密封后，通过空气加压加热的方法，制备出一个近球形加热室2-2，该加热室空气孔之间的包层膨胀变薄直至完全热熔消失，纤芯贯穿整个加热室悬挂于中间。在加热室外表面采用飞秒打孔加工技术，制备出一个微流液体微孔作为进液入口2-3，该微孔与芯片外进样口位置对应，在开放端通过单侧热熔拉锥的方法制备出一个拉瓦尔喷嘴2-4，未加工的末端为开放式通道口2-5，如图2所示。为了实现微流控芯片中助推器的功能，塌缩成实心单芯光波通道的一端和外部光源相连接，当多孔光纤被注入光能后，光沿着纤芯传播，当光纤中的空气孔充满液体时，光纤纤芯与液体充分接触，光能转化为被液体吸收的热能进而转化为动能，推动液体前进。被加热的液体被快速推进至微流控芯片的微通道内后，助推器腔内压力减小，且小于外界大气压，该光热助推器外的液体通过刻蚀的微流物质微孔通道进入到助推器的腔内，如此只需在微流控芯片外加待测液体即可，无需再额外连接其他外围设备。具体原理如下：众所周知，光是电磁波的一种，该光热助推器所连接的光源所提供的光能量即为电磁波，并通过纤芯表面放射出来，由于纤芯与微流液体直接接触，这种电磁波在纤芯中传递并再次到达微流液体转换成内能，当光源能量越强时，纤芯的温度就随之越高，放射性能量也就越大。所以该助推器是通过电磁波的形式从高温物体(光纤芯)向低温物体(微流液体)进行热量传递的。那么微流液体又是如何被推进芯片的微流通道的呢？可以简单理解为助推器内同时发生了两种对流传热现象，使得微流液体内的分子内能增大，加速运动，促使了助推器腔内的微流液体被推进芯片的微流通道的这一现象发生。第一种对流传热现象是：在高温物体表面(纤芯表面)被加热后的流体向低温物体表面(助推器末端液体)移动的传热方式为对流传热，若物体表面上的流体是静止的，那么物体表面与流体之间也会通过热传导来传递热量。也就是说，对流传热是基于热传导和流体的流动(即对流)所进行的热量传递。第二种对流传热现象是：该多孔光纤光热助推器腔内被加热后的微流液体和已经进入到芯片微流通道内温度略低的微流液体之间的热量传递方式属于对流传热，并且这种流体升温后，液体密度发生改变，进而产生对流，发生自由对流现象。除此之外，由于拉瓦尔喷嘴结构的存在，在一个高膨胀比的渐缩渐阔喷嘴中，加热室中的高压液体通过一个窄喉喷嘴排出，就会形成喷嘴超高速射流现象，大部分热能转化为动能，由此增加喷出微流液体的速度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多孔光纤的光热助推器。其主要特征为，该助推器由多孔单芯光纤制作加工而成。将多孔光纤加工制备成类喷射泵的样子，其中多孔光纤的一端通过加热熔缩变细，直至使光纤的空气孔被密封上，形成实心单芯光纤端2-1，作为与外部光源相互连接的光接口。一端密封后，通过空气加压加热的方法，制备出一个近球形加热室2-2，该加热室空气孔之间的包层膨胀变薄直至完全热熔消失，纤芯贯穿整个加热室悬挂于中间。在加热室外表面采用飞秒打孔加工技术，制备出一个微流液体微孔作为进液入口2-3，该微孔与芯片外进样口位置对应，在开放端通过单侧热熔拉锥的方法制备出一个拉瓦尔喷嘴2-4，未加工的末端为开放式通道口2-5。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多孔光纤的光热助推器。其主要特征为，该助推器由多孔单芯光纤制作加工而成。将多孔光纤加工制备成类喷射泵的样子，其中多孔光纤的一端通过加热熔缩变细，直至使光纤的空气孔被密封上，形成实心单芯光纤端2-1，作为与外部光源相互连接的光接口。一端密封后，通过空气加压加热的方法，制备出一个近球形加热室2-2，该加热室空气孔之间的包层膨胀变薄直至完全热熔消失，纤芯贯穿整个加热室悬挂于中间。在加热室外表面采用飞秒打孔加工技术，制备出一个微流液体微孔作为进液入口2-3，该微孔与芯片外进样口位置对应，在开放端通过单侧热熔拉锥的方法制备出一个拉瓦尔喷嘴2-4，未加工的末端为开放式通道口2-5。


2.根据权利要求1所述的一种基于多孔光纤的光热助推器。该助推器所使用的多孔光纤，其特征是：该光纤具有一个中间纤芯作光通道，在纤芯周围围绕一个或多个与纤芯紧密相连的空气孔。


3.根据权利要求1所述的一种基于多孔光纤的光热助推器。该光热助推器可以具...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑婷婷，张晓彤，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45