CN104765165B - 一种微球快速光悬浮的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种微球快速光悬浮的方法及装置，包括透明的传感单元，传感单元内部设有空腔，空腔用于给微球光悬浮提供空间，传感单元表层设有第一孔、第二孔，第一孔用于提供微球进入空腔的通道，第二孔用于提供微球排出空腔的通道，基模高斯光束聚焦在微球上。所述传感单元连接加热器，加热器用于传感单元的空腔中的微球溶液加热。本发明一种微球快速光悬浮的方法及装置，微球光悬浮系统更加轻型化、小型化，低成本；微球在液体环境下的光悬浮比微球在空气环境下的光悬浮更易实现，采用加热方法使微球所处的液体蒸发完全，从而使微球在液体环境下的光悬浮转变到空气环境下的光悬浮，提高了空气环境下微球从未悬浮状态到光悬浮状态的速度。

Description

一种微球快速光悬浮的方法及装置
技术领域
本发明涉及光学惯性导航、光学工程领域、微颗粒悬浮领域，尤其涉及一种微球快速光悬浮的方法及装置。
背景技术
根据量子理论可知，光束是一群以光速运动的、有动量的光子流。当光束在微球介质表面发生反射和投射时，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变换。根据动量守恒定律，光子的动量变换量等于微球的动量变化量，所以光束对微球有光辐射压。基模高斯光束对微球的作用力包括沿光束传播方向的散射力和指向光强较强处的梯度力。当液体中的微球进入基模高斯光束的光场捕获区时，竖直方向上微球的重力和光阱力与液体的浮力平衡，水平方向上微球受到光场的梯度力，在线性刚度范围内稳定，微球易被激光捕获并且稳定悬浮。
传统空气环境下微球光悬浮的方法是：制作微球基底，将微球放置于基底上表面，基底下表面与压电陶瓷相连；使用压电陶瓷驱动器，驱动压电陶瓷振动，压电陶瓷振动带动基底和微球的振动，当微球受到的脱离力大于微球与基底之间的粘附力时，微球从基底表面脱离，微球向上运动；此时微球被竖直向上的激光捕获，当微球所受的光阱力和空气浮力与微球重力平衡时，微球稳定悬浮在空气环境中。传统空气环境下微球光悬浮的缺点是：使用压电陶瓷和压电陶瓷驱动器，制作微球基底，将微球和微球基底与压电陶瓷相连，使微球光悬浮的成本高，微球光悬浮的过程复杂，微球光悬浮的耗时长久。
发明内容
本发明提供一种微球快速光悬浮的方法及装置，微球光悬浮系统更加轻型化、小型化，低成本；微球从第一孔中注入，简化制备工艺，微球从第二孔中排出，提高了传感单元的利用率；微球在液体环境下的光悬浮比微球在空气环境下的光悬浮更易实现，采用加热方法使微球所处的液体蒸发完全，从而使微球在液体环境下的光悬浮转变到空气环境下的光悬浮，提高了空气环境下微球从未悬浮状态到光悬浮状态的速度；空气环境下的光悬浮能够避免在液体环境中布朗运动对球状微粒运动状态的影响以及液体环境中杂质对微球所处光场的扰动。
本发明采取的技术方案为：
一种微球快速光悬浮的装置，包括透明的传感单元，传感单元内部设有空腔，空腔用于给微球光悬浮提供空间，传感单元表层设有第一孔、第二孔，第一孔用于提供微球进入空腔的通道，第二孔用于提供微球排出空腔的通道，基模高斯光束聚焦在微球上。
所述传感单元连接加热器，加热器用于传感单元的空腔中的微球溶液加热。
所述传感单元下方设有一个反射棱镜，反射棱镜一侧依次设有：激光器、光强调制器、透镜。
激光器用于提供基模高斯光束；光强调制器用于调节光路中光功率的大小；透镜用于基模高斯光束的聚焦。反射棱镜用于将光路改变90°射出。
所述传感单元为透明片状结构，其位于显微镜上。
所述第一孔、第二孔大小相同，第一孔、第二孔分别设置有两个孔盖。
所述微球为微米量级的二氧化硅微球、或者微米量级的聚苯乙烯微球。
一种微球快速光悬浮的方法，微球溶液从第一孔注入传感单元的空腔中，由于微球溶液的流动性，微球会向第二孔方向流动；当微球流过置于传感单元下表面的基模高斯光束的光场捕获区时，微球易被激光捕获并且稳定悬浮。
一种微球快速光悬浮的空气环境形成方法，使用加热器对传感单元的空腔中的微球溶液加热，微球溶液受热蒸发，最终微球溶液受热蒸发完全时，微球所处环境为空气环境。
一种空气环境下的微球快速光悬浮方法，对传感单元的空腔中的微球溶液加热，微球的布朗运动会加剧，但是由于光阱力远大于微球的布朗运动受到的液体分子力，故微球仍稳定悬浮在光场捕获区；当微球溶液因加热而蒸发完全，微球最后的状态是悬浮在空气中。
一种空气环境下的微球快速光悬浮方法，使用光强调制器改变激光光功率的大小，改变微球受到的光阱力，控制微球竖直方向的加速度和运动位移。
本发明一种微球快速光悬浮的方法及装置，技术效果如下：
1）、微球光悬浮系统更加轻型化、小型化，低成本。
2）、微球从第一孔中注入，简化制备工艺，微球从第二孔中排出，提高了传感单元的利用率。
3）、微球在液体环境下的光悬浮比微球在空气环境下的光悬浮更易实现，采用加热方法使微球所处的液体蒸发完全，从而使微球在液体环境下的光悬浮转变到空气环境下的光悬浮，提高了空气环境下微球从未悬浮状态到光悬浮状态的速度。
4）、空气环境下的光悬浮，能够避免在液体环境中布朗运动对球状微粒运动状态的影响、以及液体环境中杂质对微球所处光场的扰动。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明装置微球光悬浮的效果图；其中：↓表示微球重力方向；↑表示激光束方向。
具体实施方式
参照图1所示，一种微球快速光悬浮的装置，包括激光器1、透镜2、反射棱镜3、微球4、传感单元5、显微镜8、光强调制器9、加热器10。
微球为微米量级的二氧化硅微球，二氧化硅微球耐高温。
激光器1可采用980nm单模激光器，能够输出基模高斯光束。
光强调制器9可采用Thorlabs公司的单模可变光纤光学衰减器VOA980-APC，VOA980-APC可连续衰减980nm单模激光的光功率。
加热器10可采用中国宏创电热机械有限公司生产的微型空气加热器，并将微型空气加热器的加热面与传感单元5的受热面封闭，微型空气加热器将封闭区域的空气加热到很高的温度，可高达450℃，传感单元5的受热面温度可高达400°；微型空气加热器升温和降温速率块，可达10℃/S，调节快而稳定。
传感单元5可采用石英玻璃材料制作，使用连熔法生产，此方法生产的传感单元耐1200°左右的高温，并且二氧化硅纯度大于99.9%，稳定性好，耐腐蚀，光谱透过率高。传感单元5的尺寸为20mm×70mm×10mm。
微球所在环境中的溶液可以是水或者酒精等不溶解微球同时不腐蚀传感单元5的透明液体。
激光器1为微球4提供基模高斯光束。光强调制器9调节光路中光功率的大小，在微球4光悬浮的时候，调节光强调制器9可以控制微球4竖直方向的加速度和运动位移。透镜2使激光器1发出的基模高斯光束聚焦在微球4上，保证实现微球4光悬浮所需的光阱力。反射棱镜3将光路改变90°射出且不影响光功率的大小，使系统小型化。
传感单元5为透明片状结构，内部有空腔7，表层两侧有第一孔6.1和第二孔6.2，第一孔6.1和第二孔6.2大小相同，配有两个相同孔盖。空腔7给微球4光悬浮提供空间;第一孔6.1的作用是提供微球4进入空腔7的通道，通过移液器吸取微球溶液通过第一孔6.1向传感单元5的空腔7中注入微球4溶液。第二孔6.2的作用是提供微球4排出空腔7的通道，当需要排出微球4时，可从第一孔6.1注入无微球4且无杂质的溶液，冲洗空腔7，溶液从第二孔6.2流出的同时有效地排出微球4。显微镜8用于观察微球4是否被捕获，观察微球4光悬浮时的运动状态。加热器10给传感单元5空腔7中的液体加热，加快液体的蒸发，为微球4光悬浮的空气环境创造条件。
微球溶液从第一孔6.1注入传感单元5的空腔7中，由于液体的流动性，微球4会向第二孔6.2方向流动，当微球4流过置于传感单元5下表面的基模高斯光束的光场捕获区时，微球4易被激光捕获并且稳定悬浮，使用加热器10对传感单元5的空腔7中的液体加热，液体受热蒸发，虽然加热导致微球4的布朗运动会加剧，但是由于光阱力远大于微球4的布朗运动受到的液体分子力，故微球4仍稳定悬浮在光场捕获区。当液体因加热而蒸发完全，微球4最后的状态是悬浮在空气中，实现在空气环境下微球快速光悬浮。微球光悬浮的速度与外界加热功率有关，外界加热功率越大，微球所在环境溶液蒸发速度越快，导致微球光悬浮速度越快（当微球稳定悬浮在溶液中时，微球在竖直方向受到的重力向下，在竖直方向受到的液体浮力向上，竖直方向的散度光阱力向上，竖直方向三个力平衡，此时微球称为微球平衡位置；当微球所在环境溶液逐渐蒸发时，竖直向上的浮力逐渐减小，此时使用光强调制器9改变激光光功率的大小，增大微球4受到的散度光阱力，使微球在竖直方向一直保持在平衡位置，溶液蒸发速度越快，散度光阱力增加越快，当微球所在环境溶液逐渐蒸发完全时，实现在空气环境下微球快速光悬浮）。
激光器1发射的基模高斯光束，经过透镜2聚焦在传感单元5的空腔7中部，反射棱镜3使光路偏转90°有利于系统的小型化。基模高斯光束对微球4的作用力包括沿光束传播方向的散射力和指向光强较强处的梯度力，当运动的微球4进入基模高斯光束的光场捕获区时，竖直方向上微球4的重力和光阱力与液体的浮力平衡，水平方向上微球4受到光场的梯度力，在线性刚度范围内稳定，微球4易被激光捕获并且稳定悬浮。使用加热器10对传感单元5空腔7中的液体加热，液体受热蒸发，虽然加热导致微球4的布朗运动会加剧，但是由于光阱力远大于微球4的布朗运动受到的液体分子力，故微球4仍稳定悬浮在光场捕获区，当液体因加热而蒸发完全，微球4最后的状态是悬浮在空气中，实现在空气环境下微球4快速光悬浮。微球4光悬浮的速度与外界加热功率有关，外界加热功率越大，微球4光悬浮速度越快，使用光强调制器9改变激光光功率的大小，改变微球4受到的光阱力，控制微球4竖直方向的加速度和运动位移。微球4的运动状态由显微镜8观察。
本发明装置制作：
1）、制作传感单元5，为透明片状结构，内部有空腔7，表层两侧有第一孔6.1和第二孔6.2，第一孔6.1和第二孔6.2大小相同，配有两个相同孔盖；
2）、将激光器1、光强调制器9、透镜2、反射棱镜3、传感单元5、显微镜8置于光路中，保证反射棱镜3将光束改变90°方向，保证激光器1经过透镜2后能够聚焦在传感单元5的空腔7中部，保证显微镜8能观察到传感单元5的空腔7中部。
3）、保证传感单元5的第一孔6.1和第二孔6.2是关闭状态，打开第一孔6.1和第二孔6.2，从第一孔6.1注入无微球4且无杂质的溶液，冲洗空腔7，多次冲洗，保证空腔7的洁净，并用显微镜8观察空腔7是否有杂质，如果有，继续冲洗空腔7，直到空腔7中无任何杂质。
4）、打开激光器1和光强调制器9，打开第一孔6.1，关闭第二孔6.2，使用移液器吸取微球4溶液，通过第一孔6.1向传感单元5的空腔7中注入微球4溶液，立即使用孔盖关闭第一孔6.1，用显微镜8观察微球4的运动，使用光强调制器9调节光功率的大小和透镜2的位置，使微球4运动到光场捕获区时被光束捕获。
5)、微球4在液体环境下被捕获并且稳定悬浮时，使用加热器10给传感单元5的空腔7中的液体加热，用显微镜8观察微球4运动状态，使用光强调制器9调节光功率的大小，保证微球4仍稳定悬浮在光场捕获区，当液体因加热而蒸发完全，微球4最后的状态是悬浮在空气中，实现在空气环境下微球4光悬浮。
6)、排出微球4，打开两个孔盖，从第一孔6.1注入无微球4无杂质的溶液，显微镜8下观察到微球4从第二孔6.2排出完全，立即使用孔盖关闭第一孔6.1和第二孔6.2。

Claims (7)

1.一种微球快速光悬浮的装置，包括透明的传感单元（5），其特征在于，传感单元（5）内部设有空腔（7），空腔（7）用于给微球（4）光悬浮提供空间，传感单元（5）表层设有第一孔（6.1）、第二孔（6.2），第一孔（6.1）用于提供微球（4）进入空腔（7）的通道，第二孔（6.2）用于提供微球（4）排出空腔（7）的通道，基模高斯光束聚焦在微球（4）上，所述传感单元（5）连接加热器（10），加热器（10）用于传感单元（5）的空腔（7）中的微球溶液加热。
2.根据权利要求1所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述传感单元（5）下方设有一个反射棱镜（3），反射棱镜（3）一侧依次设有：激光器（1）、光强调制器（9）、透镜（2）；激光器（1）用于提供基模高斯光束；
光强调制器（9）用于调节光路中光功率的大小；
透镜（2）用于基模高斯光束的聚焦；
反射棱镜（3）用于将光路改变90°射出。
3.根据权利要求1或2所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述传感单元（5）为透明片状结构，其位于显微镜（8）上。
4.根据权利要求1所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述第一孔（6.1）、第二孔（6.2）大小相同，第一孔（6.1）、第二孔（6.2）分别设置有两个孔盖。
5.采用如权利要求1~4所述任意一种装置的空气环境形成方法，其特征在于：使用加热器（10）对传感单元（5）的空腔（7）中的微球溶液加热，微球溶液受热蒸发，最终微球溶液受热蒸发完全时，微球（4）所处环境为空气环境。
6.采用如权利要求1~4所述任意一种装置的空气环境下的微球快速光悬浮方法，其特征在于：对传感单元（5）的空腔（7）中的微球溶液加热，微球（4）的布朗运动会加剧，但是由于光阱力远大于微球（4）的布朗运动受到的液体分子力，故微球（4）仍稳定悬浮在光场捕获区；当微球溶液因加热而蒸发完全，微球（4）最后的状态是悬浮在空气中。
7.如权利要求6所述一种空气环境下的微球快速光悬浮方法，其特征在于：使用光强调制器（9）改变激光光功率的大小，改变微球（4）受到的光阱力，控制微球（4）竖直方向的加速度和运动位移。
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