[发明专利]一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法

说明书

本发明公开了一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，属于声辐射力应用领域。本发明通过不规则栅格结构生成两束弯曲的半贝塞尔束，调节其无衍射性使其在空间上形成弯曲的驻波场，利用驻波场所形成的势阱的声辐射力，操控粒子沿着驻波的曲线轨迹运动。利用驻波形成的力学势阱来操控粒子，具有操控稳定等优点。相比于传统的使用一对相向的换能器激发驻波场操控粒子的方法，本发明中换能器放置在同一侧，提高了操控粒子的便利性，扩大了粒子的操控范围，同时实现了在自由空间，操控粒子沿曲线轨迹运动，扩展了粒子操控的维度。

技术领域

本发明属于声辐射力技术领域，涉及一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法，更具体地说，涉及一种通过设计不规则栅格结构，构造两束大角度弯曲的无衍射束，通过超构表面结构的空腔共振和相干衍射增强效应提高辐射效率，优化聚焦声场，实现提高聚焦增益和主旁瓣比的聚焦方法。

背景技术

对生物微粒的操控是生物医学研究领域的一个重要课题，研究精确可靠，易于实现的操控方式是当今研究的前沿方向之一。Arthur Ashkin等人通过两束聚焦激光束实现了对液体中微粒的操控——光镊子【PRL，1970，24,156-159,；APL，1971，19,283-285】。通过光镊子可以实现对微粒的非接触操控，在生物细胞，大分子领域应用广泛。然而光在液体介质中损耗巨大，需要很大的功率才能实现对微粒的操控，有可能造成粒子损伤。同时光镊子还存在成本高，体积大等劣势。

声波作为一种机械波，利用其对声场中物体的声辐射力，可以实现对颗粒的捕获，移动，筛选等多种操控——声镊子。声镊子操控微粒所需要的能量远小于光镊子，其还具有技术简便，价格低廉等诸多优良特性，在生命科学，医学等领域有着巨大的应用潜力。

1991年，Wu junru首先提出了声镊子的概念并通过实验实现。【jasa，1991,89(5)：2140-2143】。处于声场中的微粒会受到声波的声辐射力，声镊子通过声辐射力来实现对粒子的操控。随着对声镊子技术进一步研究，期间研究者们设计了多种声镊子。按照操控原理可以分为驻波型声镊子和波束声镊子【jasa，2005，117(5)，3273-3280】。驻波型声镊子是依靠一对换能器形成驻波场，通过调整驻波形成的力学势阱来操控粒子。所谓驻波，即两列振幅相同波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，一般来说驻波就应该是沿直线分布的。波束声镊子是依靠声波与微粒间的动量交换来实现对粒子的操控，只需要单个换能器就可以实现操控，但其无法捕获微粒。驻波型声镊子由于可以改变驻波声场中势阱的位置，因而可以实现对微粒的精确，可编程操控。

然而，目前所研究的驻波型声镊子，大多需要相对的两个换能器形成驻波，由于驻波型声镊子依靠驻波的波节波腹形成的力学势阱来移动微粒，其所形成的驻波的波节波腹又位于一条直线上，因而其只能沿直线操控微粒。更进一步地，研究者们采用4个(或更多换能器)形成井字形驻波场(或更复杂的驻波场)的方式来实现对微粒的二维可编程操控，然而这种操控方式，微粒的运动范围受限于换能器所包裹的区域，虽然多声源(四个以上含四个)驻波型声镊子可以设计波节波腹在包裹区域内任意移动，能够实现操控粒子沿弯曲轨迹往返运动，但其只能操控粒子在包裹区域内。波束声镊子能够在自由空间操控粒子弯曲移动，但不能往返。