锥形光纤激光诱导空化气泡的参量优化与微球水下推进机制研究

本研究针对水下微尺度推进中能量损耗大、操控精度低等难题，提出基于锥形光纤(tapered optical fiber)的激光诱导空化气泡(Laser-Induced Cavitation Bubble)微球驱动策略。通过优化激光能量(72-88 μJ)与气泡-微球初始距离，揭示非接触(液体惯性主导)与接触(动量直接传递)双模式推进机制，实现脉冲耦合系数提升至4.25 dyne/W，为微流控芯片靶向运输及海水环境激光推进提供理论支撑。

　　

研究背景与意义
在微流控芯片操控、靶向药物递送等前沿领域，如何实现水下微物体的高效精准推进始终是科学界面临的重大挑战。传统自由空间光路系统存在能量损耗高、作用距离短等固有缺陷，而基于化学反应的催化微机器人又面临可控性差的瓶颈。锥形光纤的出现为这一困境带来转机——其独特的几何波导特性可实现激光脉冲的时空精准调控，但激光能量、气泡动力学与推进效率的定量关系仍是未解之谜。

研究方法与技术路线
国家自然科学基金资助团队搭建纳秒Nd:YAG激光(532 nm, 7 ns)实验系统，通过锥形光纤聚焦激光诱导空化气泡，采用高速摄影(200,000 fps)和粒子图像测速技术记录气泡动力学与微球运动。研究重点考察激光能量(72-88 μJ)和气泡-微球初始距离(50-300 μm)对推力(0.19-0.37 μN)和脉冲耦合系数(2.68-4.25 dyne/W)的影响，结合Rayleigh-Plesset方程和流体动力学模拟解析能量转换机制。

主要研究结果

1. 空化气泡理论模型
   建立包含等离子体生成、气泡振荡和微球运动的三阶段动力学模型，证实冲击波传播与液体惯性是能量传递的核心载体。

2. 激光能量优化
   实验显示激光能量从72 μJ增至88 μJ时，最大推力提升94.7%，揭示能量阈值效应：过高能量会导致气泡过度膨胀反而降低推进效率。

3. 空间匹配机制
   发现临界初始距离(约150 μm)存在"黄金区间"：非接触阶段液体射流产生加速效应，接触阶段气泡溃灭实现动量直接传递。

4. 双模式推进机理
   首次区分惯性主导(非接触)与动量主导(接触)两种模式，前者脉冲耦合系数达峰值4.25 dyne/W，后者更适用于短程精准制动。

结论与展望
该研究通过锥形光纤实现激光能量-空间参数的双重优化，突破传统水下推进的能效瓶颈。特别构建的脉冲耦合系数评价体系为微流控芯片中单细胞操控提供量化标准，而揭示的双模式切换规律对开发自适应微机器人具有启示意义。未来可结合光纤阵列实现三维集群操控，或通过调节光纤锥角进一步优化能量聚焦效果。论文发表于《Optics》期刊，为激光微纳制造与生物医学工程的交叉创新树立了新范式。