基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置 |
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| 申请号 | CN201710087697.4 | 申请日 | 2017-02-18 | 公开(公告)号 | CN106935307A | 公开(公告)日 | 2017-07-07 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 傅振海; 胡慧珠; 葛晓佳; 舒晓武; 刘承; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置。利用脉冲激光作用于 基板 表面，基板吸收脉冲激光，产生 热膨胀 ，对基板表面的目标微球产生 加速 度；目标微球克服基板表面的黏附 力 脱离表面；通过控制脉冲激光，控制目标微球脱离基板表面的速度和上升 位置 ，目标微球进入光阱捕获区域，微球所受的竖直向下的重力与光阱力竖直向上的分量平衡，实现目标微球的稳定悬浮。光悬浮装置，包括基板、脉冲 激光器 、反射镜、光阑和汇聚透镜。本发明精确控制目标微球进入光阱捕获区域的运动状态，实现单个或多个目标微球的重复捕获，光悬浮所需时长极短，与脉冲激光作用的时间量级相当，光悬浮成功率高，并且不需要运动部件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法，其特征在于，利用脉冲激光作用于基板表面，基板吸收脉冲激光，产生热膨胀，对基板表面的目标微球产生加速度；目标微球克服基板表面的黏附力脱离表面；通过控制脉冲激光控制目标微球脱离基板表面的速度和上升位置，目标微球进入光阱捕获区域，微球所受的竖直向下的重力与光阱力竖直向上的分量平衡，实现目标微球的稳定悬浮。 |
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| 说明书全文 | 基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置，属于光学工程以及微颗粒悬浮领域。 背景技术[0002] 气体或真空的环境下微粒的快速起抛和捕获是光悬浮领域的一个技术难点。传统的压电陶瓷高频振动起抛方案和超声雾化起抛方案，需要在自由空间中抛洒大量微球，微球经过捕获区域时有一定的概率被光阱捕获。这些简单直接的起抛方式便于物理研究和验证实验的开展，但由于微球的光悬浮捕获效率极低，造成大量微球的浪费，而未被捕获的杂质微球会污染光悬浮光路的出光面，如透镜表面或光纤端面，影响捕获光场的分布；在真空腔装置中，残留的杂质微球和起抛所用的喷雾溶剂还会污染真空腔内部环境，破坏真空条件。一旦外界条件扰动导致被捕获的微球从光阱中脱离，便很难对目标微球进行重复捕获，影响光悬浮技术的实用化。 [0003] 我们也曾经公开一种光悬浮式微球的起支方法及装置（CN 105759074 A），主要利用电磁碰撞实现微球脱离和悬浮。 [0004] 当微粒的尺寸小于100微米时，微粒与基板表面的黏附力包括范德华力、毛细力和静电力等。微粒与基片表面的黏附力大小受环境湿度、基片表面形貌、微球和基片材料和几何特性等因素影响，其大小为微球自身重力的104倍以上的数量级。为了使微球脱离基板表面，需要提供巨大的加速度。 [0005] 随着光悬浮研究的不断发展，人们逐步将光悬浮技术应用到惯性测量领域。不同于物理实验研究，在工程化应用中，我们需要在精确控制传感微球的前提下实现快速、可重复的光悬浮，才能保证测量结果的一致性。传统的微球光悬浮方法显然无法满足这样的需求。 发明内容[0006] 本发明提供了一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置。 [0007] 一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法，利用脉冲激光作用于基板表面，基板吸收脉冲激光，产生热膨胀，对基板表面的目标微球产生加速度；目标微球克服基板表面的黏附力脱离表面；通过控制脉冲激光控制目标微球脱离基板表面的速度和上升位置，目标微球进入光阱捕获区域，微球所受的竖直向下的重力与光阱力竖直向上的分量平衡，实现目标微球的稳定悬浮。 [0008] 所述的目标微球的稳定悬浮结束后，回到基板表面，等待下一次脉冲激光的激发，从而实现目标微球的重复光悬浮。 [0009] 所述的基板表面放置一个或多个目标微球。 [0011] 一种实现根据所述方法的光悬浮装置，包括基板、脉冲激光器、反射镜、光阑和汇聚透镜；所述的基板表面放置一个或多个目标微球，所述的脉冲激光器出射脉冲激光依次经过反射镜、光阑和汇聚透镜，聚焦到基板的表面，光束的光斑覆盖目标微球所在的区域；所述的光阑用于控制入射到基板表面的脉冲光的光斑尺寸；所述的汇聚透镜可在光轴方向上移动，控制脉冲激光汇聚焦点的位置。 [0012] 光阱捕获区域位于目标微球的正上方，而且相对位置可调。 [0013] 本发明的有益效果体现在几个方面：本发明可针对单个或多个目标微球光悬浮前的运动状态进行精确控制，实现微球的重复捕获，光悬浮所需时长极短，取决于脉冲光源作用的时间，仅为纳秒量级或者更小。光悬浮成功率远高于传统的微球光悬浮方案，可达百分之百。光悬浮过程中不会在捕获光路中产生多余的杂质微球，不会污染真空腔等设备，不会对捕获光路原有光场产生影响，并且不需要运动部件。 附图说明 [0014] 图1为本发明的装置的一种结构示意图；图2为脉冲激光照射过程中某一时刻的结构示意图； 图3为微球被稳定悬浮后的结构示意图； 图中，基板1、目标微球2、脉冲激光器3、反射镜4、光阑5、汇聚透镜6、光阱捕获区域7。 具体实施方式[0015] 脉冲激光作用于基板表面使其快速产生热膨胀，能快捷有效地去除基板表面的微球。虽然基板表面的热膨胀量很小，但在极短的脉冲作用时间内（通常为几十纳秒），便能对微球产生足以克服黏附力的巨大加速度。这种技术手段，已被广泛应用于激光清洗领域，杂质微粒的尺寸从几十微米到几十纳米，杂质微粒的材料有金属材料、有机材料和介电材料等。但是激光清洗应用只考虑杂质清除效率，不考虑对微粒的损害，更不关心微粒去除之后的运动状态。 [0016] 我们借鉴了这种技术手段，将其应用到微球光悬浮和光阱控制领域，可以精确控制目标微球脱离基板后的运动状态，实现快速、可重复的光悬浮，减少光悬浮所需的时间，提高光悬浮的成功率。 [0017] 本发明的一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法，待悬浮的目标微球黏附在基板表面上，基板材料对脉冲激光的吸收率和热膨胀系数较大，能在脉冲作用时间内迅速产生热膨胀。使用捕获激光在基板上方形成一个稳定的捕获光阱，光阱区域靠近基板表面，相互距离可调。 [0018] 利用脉冲激光作用于基板表面，基板吸收脉冲激光，产生热膨胀，对基板表面的目标微球产生加速度；目标微球克服基板表面的黏附力脱离表面；通过控制脉冲激光控制目标微球脱离基板表面的速度和上升位置，目标微球进入光阱捕获区域，微球所受的竖直向下的重力与光阱力竖直向上的分量平衡，实现目标微球的稳定悬浮。 [0019] 所述的目标微球的稳定悬浮结束后，回到基板表面，等待下一次脉冲激光的激发，从而实现目标微球的重复光悬浮。 [0020] 以下结合附图进一步对本发明进行阐述。 [0021] 如图1所示，一种实现根据所述方法的光悬浮装置，包括基板1、脉冲激光器3、反射镜4、光阑5和汇聚透镜6；所述的基板1表面放置一个或多个目标微球2，所述的脉冲激光器3出射脉冲激光依次经过反射镜4、光阑5和汇聚透镜6，聚焦到基板1的表面，光束的光斑覆盖目标微球2所在的区域；所述的光阑5用于控制入射到基板表面的脉冲光的光斑尺寸；所述的汇聚透镜6可在光轴方向上移动，控制脉冲激光汇聚焦点的位置。 [0025] 所述的反射镜4和汇聚透镜6适用于脉冲激光所在波段。比如反射镜4对248nm波长的光反射率高，吸收损耗小。比如汇聚透镜6对248nm波长的光透过率高，吸收损耗小，可将脉冲激光聚焦在基板1的表面。 [0026] 光阑5用于控制入射到基板表面的脉冲光的光斑尺寸。 [0027] 光阱捕获区域7可通过两束980nm单模激光对向传输得到，靠近目标微球2，光阱捕获区域下边缘可与目标微球2上表面相距几个微米，相对位置可微调。 [0028] 应用实施例如图1所示，目标微球2黏附在基板1表面，打开脉冲激光器3，脉冲光依次经过反射镜4、光阑5和汇聚透镜6聚焦后，照射在基板1表面。如图2所示，脉冲光照射期间，基板1表面迅速产生热膨胀，目标微球2逐渐脱离基板1表面，目标微球2受到基板1的黏附力逐渐减小直至目标微球2完全脱离基板1的表面。针对特定位置的光阱捕获区域7，调节单个脉冲光的能量、宽度和入射光斑，使目标微球2到达光阱捕获区域7时速度为零。如图3所示，脉冲激光作用结束后，基板1表面的热膨胀消失，目标微球2被捕获激光稳定捕获，实现快速的光悬浮。 每次光悬浮结束后，目标微球2可以在重力作用下回到原来的基板1接触区域，再次被黏附力吸附在基板1表面，等待下一次脉冲激光的激发，从而实现目标微球2的可重复光悬浮。 |
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