基于时间反演空时聚焦机制的双聚焦场电磁镊实现方法与流程

本发明属于电磁波无接触操控技术领域，具体涉及一种基于时间反演空时聚焦机制的双聚焦场电磁镊实现方法。

背景技术：

无接触操控物体属于遥控，装置与样品之间没有机械接触，因而不会对样品产生机械损伤，也不会对样品周围环境产生污染和干扰，这些特性使无接触操控物体的技术在生命科学、医学、遗传工程、化学、物理学、材料和纳米科学等领域具有广阔的应用前景。这些特性吸引着众多学者投入到这种技术的研究和开发利用中，在众多科学家的不懈努力下，目前已开发应用的无接触式操控技术主要有：光镊、磁镊、介电电泳和声镊。其中，最具代表性的是光镊技术，已经成为了人类研究细胞和进行微纳米粒子操纵的有效工具。

自激光器发明以来，众多学者利用激光开展了大量的光与微粒之间的相互作用实验研究。1970年，文献“Acceleration and trapping of particles by radiation pressure(Phys.Rev.Lett.1970,24:156-159.A.Ashkin)”报道了美国Bell实验室的Ashkin将连续氩离子激光会聚成窄的光束，成功地观察到在垂直光传播的方向上激光对水中二氧化硅小球颗粒的束缚，以及沿光的传播方向上辐射压引起小球的加速运动，实现了不同直径的球形颗粒的二维囚禁，第一次利用激光实现了无接触操控物体，开启了光镊技术的大门。文献“Trapping of low-refractive-index particles with azimuthally polarized beam(J.Opt.Soc.Am.B,2009,26(12),2242-2247)”提出了利用方位角偏振光束捕获低折射率粒子的方法，低折射率是指粒子的折射率低于环境媒质的折射率，光束照射到这种粒子上，形成的梯度力方向由高强度指向低强度，所以一般的聚焦光场分布难以捕获低折射率粒子，而方位角偏振光束的偏振具有柱对称性，在光轴上，电场被完全干涉相消掉，强度严格为零，因此总的聚焦光场分布是一个空心环形，这样的场分布能够捕获低折射率粒子，以及小尺寸的高折射率粒子。

这些对光镊的研究与应用使光镊技术得以迅猛地发展，也使人类更加直观深入地认识光的力学效应。但是，光波要求作用环境透明；且由于光波频率极高，因而产生的热效应显著，易对微粒造成热损伤；光波波长极短，只能操控微纳米量级的粒子，精度虽高，但尺寸范围有限；并且光学器件造价高昂、操控数量较少，这些缺陷使光镊的应用受到极大的限制。相比之下，光频段以下的电磁波则没有上述缺陷。

理论上，光频段以下的电磁波也具有与光相似的动力学特性。麦克斯韦在其专著中基于应力张量的方法讨论辐射压强的问题，就初步探讨了电磁波的动力学特性，电磁波不仅具有能量，而且具有动量，所以电磁波与物质相互作用时，伴随着动量的转移过程发生力学作用。依据电磁场梯度势阱(Electromagnetic Gradient Traps,EMGT)理论，物体在电磁场的作用下受到的力包括散射力和梯度力两部分。通常情况下，电磁波对物体的作用都是以散射力为主，即表现为推力。然而，在高强度聚焦场下，梯度力则起主导作用，形成一个梯度势阱，从而能够捕获和操控物体。因此，如果采用光频段以下电磁波实现对物体的操控，需要电场强度极高的聚焦场。

时间反演(Time Reversal,TR)的出现使控制光频段以下电磁波的空间场分布，形成高强度聚焦场成为可能。TR于2004年被引入电磁学领域，其在复杂传播环境下仍能表现出空时同步聚焦、超分辨率聚焦、环境自适应性等独特的物理特性，这些特性使得TR被广泛地应用于无线通信、微波成像、电磁能量聚焦等领域。2014年，Kaina等人结合TR聚焦传输思想和简易的电磁能量反馈技术，报道了一项备受研究者关注的实验，该实验在室内复杂多径环境下实现了“点状”电磁波空间场赋形，具体内容可参见文献“Shaping complex microwave fields in reverberating media with binary tunable metasurfaces(Scientific Reports,4:6693,2014,N.Kaina,M.Dupre,G.Lerosey,M.Fink)”。专利“基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法：CN201410440116，2014.08.29”和“基于金属散射体辅助的赋形场源构造方法：CN201510191688，2015.04.21”，以及文献“Generating microwave spatial fields with arbitrary patterns(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,D.Zhao and M.Zhu)”采用赋形场源构造法，利用TR传输技术，提出了可以实现简单几何形状的电磁波空间场赋形方法，这些方法可在自由空间或封闭的金属混响腔内，产生预期几何形状的电磁波空间场分布，但这些文献并未研究TR聚焦场的力学特性和利用TR控制电磁波空间场分布形成梯度势阱。

上述研究主要集中于如何利用TR技术实现电磁能量聚焦，但关于TR聚焦场的力学特性尚未见到公开报道。综上所述，利用TR聚焦场形成深度梯度势阱，产生捕获力操控物体，将对无接触操控技术的发展具有重要的研究意义和巨大的使用价值。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于时间反演(Time Reversal，TR)空时聚焦机制的双聚焦场电磁镊(Electromagnetic Tweezers,EMT)实现方法。该方法以TR电磁波的空时聚焦传输机制为基础，通过平面时间反演镜(Planar Time Reversal Mirror,P-TRM)产生两个平行聚焦斑，而在两个平行聚焦斑中间，则由电磁干涉相消机理产生一个电磁场强度极弱的中空区域，形成电磁场梯度势阱，产生所需的推力和梯度力，实现对电中性或带弱电微小颗粒体(下文均简称为微粒)的捕获和操控。相比于单点电磁波聚焦场，本发明所形成的双聚焦场能够显著地降低散射力、提高电磁场势阱梯度力、以及解决光频段以下电磁波动力作用较弱的缺陷；并且，能够加深电磁场的势阱深度，提高光频段以下电磁波捕获和操控微粒的稳定性；而且，能在狭长的中空区域内同时束缚大量的电中性或带弱电的微粒。与光镊相比，本发明具有环境自适应能力，不要求作用环境必须透明；使用的频率较低且范围广，不易对微粒造成热损伤，操纵的微粒尺寸范围大；可以对微粒群进行操控，极大地提高了操控的数量和规模；而且，使用的器件造价低，可以广泛地应用于粒子物理、生命科学、胶体物理、芯片实验室、材料的无模运输和组装等领域。

本发明的技术方案：

一种基于TR空时聚焦机制的双聚焦场EMT的实现方法，包括以下步骤：

步骤一：将“预探测天线阵”置于“操纵平面”上，使“预探测天线阵”的阵元中心位于捕获位置点处，计算机控制信号记录及发生设备产生信号p(t)同时馈送到“预探测天线阵”的两个阵元，并由信号记录及发生设备记录“平面TRM”每个阵元接收到的信号；“预探测天线阵”在捕获位置点i(i＝1,2…N)处进行上述操作时，“平面TRM”的第j(j＝1,2…M)个阵元接收到的信号为yij(t)，从而实现将高强度聚焦场源信息传递给“平面TRM”。

步骤二：对“平面TRM”每个阵元接收的信号yij(t)都进行时间反演处理，得到相应的时间反演信号Sij(t)，并将这些信号构造成与第i个捕获位置点相对应的信号矩阵Ai(t)＝[Si1(t) Si2(t) … Sij(t) … SiM(t)]^Τ；“预探测天线阵”在“操纵平面”的每个捕获位置点处传递高强度聚焦场源信息时，“平面TRM”都会接收到相应的信息，对“平面TRM”接收到的信号依次重复上述处理过程，得到N个捕获位置点信号矩阵。

步骤三：撤除“预探测天线阵”，将微粒样品置于“操纵平面”，用观察设备观察微粒所处的位置；并根据微粒所处的位置，计算机控制信号记录及发生设备，将该捕获位置点对应的信号矩阵中的每个信号馈送给相应的“平面TRM”阵元，“平面TRM”发射出的电磁波在微粒所处的位置处形成高强度双聚焦电磁场，形成梯度势阱，从而将微粒捕获。

步骤四：根据微粒运动的逃逸时间τ0，确定“平面TRM”发送捕获信号时的最大切换时间间隔Δtmax＝τ0；按预期的运动轨迹，由计算机实时控制信号记录及发生设备切换相应信号馈送给“平面TRM”，信号切换的时间间隔Δt≤Δtmax，最终实现EMT对微粒的捕获和运动控制。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所形成的高强度双聚焦场相比于单聚焦场，能够显著地降低散射力和提高电磁场势阱梯度力，解决低频段电磁波动力作用较弱的技术挑战，同时加深电磁场势阱深度，提高EMT捕获和操控微粒的稳定性。

(2)本发明采用的时间反演技术具有环境自适应能力，使本发明形成的EMT无需像光镊那样要求作用环境透明，而且本发明能够在各种复杂环境中应用，使本发明具有极高的实用价值。

(3)本发明能够利用频率范围极广的电磁波操控微粒，极大地拓宽了无接触操控微粒的尺寸范围，且使用的电磁波频率较低，相比于光镊，其热效应非常弱，不会对微粒造成热损伤。

(4)本发明不仅可以操控单个微粒，还可以对微粒群进行操控，提高了操控的数量和规模，而且使用的器件造价低。

附图说明

图1为本发明所述的基于TR空时聚焦机制的双聚焦场EMT装置的系统结构示意图。

图2为本发明实施例中，基于TR空时聚焦机制的双聚焦场EMT仿真模型图。

图3为本发明实施例中的“平面TRM”101结构示意图，及其阵元编号方式。

图4为本发明实施例中，“平面TRM”101、“预探测天线阵”102和“操纵平面”103的相对位置示意图。

图5为本发明实施例中，“操纵平面”103捕获位置点的离散方式示意图，其中黑点107表示捕获位置点。

图6为本发明实施例中在捕获位置点1处形成高强度聚焦场时，“平面TRM”101第1个阵元所应发送的信号波形。实施例中捕获位置点1为“操纵平面”的几何中心。

图7为本发明实施例中，发送捕获点信号矩阵A1时，在“操纵平面”捕获位置点1处形成高强度双聚焦电场的仿真结果图。

图8为本发明实施例中，发送捕获点信号矩阵A1时，在“操纵平面”捕获位置点1处形成高强度双聚焦电场的仿真结果立体等值线纵切面图。

图9为本发明所形成的高强度双聚焦场对微粒的力学作用示意图。

图10为本发明实施例中，在捕获位置点1处捕获金小球的高强度双聚焦场EMT沿X方向的梯度力。

附图标记说明：101是“平面TRM”，102是“预探测天线阵”，103是“操纵平面”，104是观察设备，105是计算机，106是信号记录及发生设备，107黑点表示捕获位置点。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例，详细描述本发明的技术方案，以便更清楚地了解本发明的特征和优点。

本发明提出一种基于TR空时聚焦机制的双聚焦场EMT的实现方法，其装置的系统结构示意图如图1所示，具体包括“平面TRM”101、“预探测天线阵”102、“操纵平面”103、观察设备104、计算机105、信号记录及发生设备106。本实施例中，采用的天线单元为Vivaldi超宽带天线，采用的中心工作频率为4.3GHz，对应波长λ＝69.77mm，工作带宽2GHz。基于TR空时聚焦机制的双聚焦场EMT仿真模型如图2所示，“平面TRM”结构及其阵元编号方式如图3所示，由64个阵元等间距排布于同一平面内，其几何结构参数为Sx＝Sy＝80mm，Lx＝Ly＝8×80mm。“预探测天线阵”是阵元间距S＝46.5mm的双天线阵(S略大于时间反演电磁波的聚焦半径)，位于“平面TRM”上方H1＝305mm处。“平面TRM”101、“预探测天线阵”102和“操纵平面”103的相对位置如图4所示。“操纵平面”离散为N个捕获位置点，离散方式如图5所示，相邻捕获位置点的距离小于本实施例中捕获位置点1为“操纵平面”103的几何中心。本实施例中，微粒采用半径r＝1mm的金小球，其折射率n1＝0.6，所处环境媒质为空气，其折射率n2＝1。

步骤一：进行高强度聚焦场源信息的获取。将“预探测天线阵”102置于“操纵平面”103上，“预探测天线阵”102的阵元中心位于捕获位置点i(i＝1,2…N)处，计算机控制信号记录及发生设备产生信号p(t)同时输入到“预探测天线阵”102的两个阵元，并由信号记录及发生设备106记录“平面TRM”101每个阵元接收到的信号。高强度聚焦场源信息被“平面TRM”101的第j(j＝1,2…64)个阵元接收，接收到的信号为yij(t)，由信号记录及发生设备106记录和存储这些信号，从而实现将高强度聚焦场源信息传递给“平面TRM”。

步骤二：由计算机105对yij(t)进行时间反演处理，得到接收信号的时间反演信号Sij(t)，即为对应捕获位置点i处、“平面TRM”101的第j个阵元应发送的信号。对“平面TRM”101每个阵元的接收信号yij(t)均进行时间反演处理，将64个阵元接收到的信号构造成第i个微粒运动捕获点对应的信号矩阵Ai(t)＝[Si1(t) Si2(t) … Sij(t) … Si64(t)]^Τ。“预探测天线阵”102在“操纵平面”103离散的每个捕获位置点，发送相同的探测信号p(t)，对“平面TRM”101每个阵元的接收信号依次重复上述处理过程，得到N个捕获点信号矩阵。

步骤三：撤除“预探测天线阵”102，将微粒样品置于“操纵平面”103，用观察设备104观察微粒所处的位置，根据微粒所处位置，由计算机105控制信号记录及发生设备106产生相应的捕获位置点信号，馈送给“平面TRM”101发射出电磁波，在微粒所处位置形成高强度双聚焦场捕获微粒。在捕获位置点1处捕获微粒的高强度双聚焦场的电场仿真结果图及其立体等值线纵切面图，分别如图7和8所示。图9所示为本发明的双聚焦场EMT系统所形成的高强度双聚焦场对微粒的力学作用示意图，图中的黑圈白斑为低折射率微粒，两边黑灰色的部分是所形成的高强度双聚焦场纵截面。对于低折射率微粒，梯度力的作用方向是由高强度指向低强度，所以本发明形成的高强度双聚焦场EMT能够从两侧对微粒产生指向中间电磁场中空区域的梯度力，因中空区域的电磁场极弱，极大地降低了微粒所受的散射力，微粒所受的散射力又与微粒的重力抵消，从而将微粒悬浮束缚在中空区域，达到对微粒捕获和操控的目的。“平面TRM”的输入功率为100mW时，在捕获位置点1处捕获金小球的高强度双聚焦场EMT沿X方向的梯度力如图10所示，从图中可知高强度双聚焦场EMT从两侧对微粒产生指向中间电磁场中空区域的梯度力，梯度力的最大值为2.70×10^-3pN，这与光镊产生的力相当，本发明的高强度双聚焦场EMT产生的梯度力的大小与“平面TRM”的输入功率成正比，故可通过调节“平面TRM”的输入功率的大小来控制高强度双聚焦场EMT的梯度力的大小。

步骤四：根据微粒运动的逃逸时间τ0(微粒运动的逃逸时间由所操纵微粒的特性和应用环境决定)，确定运动轨迹相邻位置点间，“平面TRM”101发送相应捕获信号时的最大切换时间间隔Δtmax＝τ0。按预期的运动轨迹，由计算机105控制信号记录及发生设备106切换相应的信号，馈送给“平面TRM”101发射电磁波，信号切换的时间间隔Δt≤τ0。发射第i个捕获点信号矩阵的信号时，在“操纵平面”103位置i处产生高强度双聚焦电磁场，形成梯度势阱捕获微粒，最终实现EMT对微粒的捕获和运动控制。