CN105759074A - 一种光悬浮式微球的起支方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光悬浮式微球的起支方法及装置，可用于光阱加速度计微球的快速起支。本装置利用电磁碰撞的方法能够轻易获取微球脱离基片表面所需的巨大加速度，碰撞的可重复性强，可实现微球的快速脱离和悬浮。本装置利用单光束光阱与对接光纤的耦合光功率的变化量作为微球是否悬浮成功的有效判据。本发明的优点在于利用简单的电磁装置快速、可重复地实现微球的光悬浮，无需传统的显微成像结构和昂贵的压电振动器件，微球悬浮的可控性和重复性高。

Description

一种光悬浮式微球的起支方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于电磁碰撞方法实现光悬浮式微球快速起支的装置，属于惯性测量技术、光学工程领域以及微颗粒悬浮领域。

背景技术

光阱加速度计利用聚焦的激光光束捕获微球，通过测量微球的位置或者所受的光阱力来获取惯性组件加速度信息。根据微球所处的环境，光阱加速度计可分为光阱液浮式加速度计和光阱悬浮式加速度计，微球所处的环境分别为液体、气体或真空。相比光阱液浮式加速度计，光阱悬浮式加速度计克服了微粒在液体中的布朗运动和液态环境中的分子粘滞力、光泳效应等，提高了微球位置测量的稳定性，精度可达ng级；同时，光阱悬浮式加速度计也降低了对传感空间的封装要求。相应地，气体或真空的环境对光阱悬浮式加速度计的微粒起支也提出了更高的要求。光阱传感基片单位中微粒的初始捕获和稳定悬浮是光阱悬浮式加速度计的技术难点。

当微粒的尺寸为1微米到100微米的量级时，微粒与基片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。为了使微球脱离传感基片表面，需要提供巨大的加速度。

实现微球在光悬浮中起支的传统方法是：在传感基片下表面黏结压电陶瓷；压电陶瓷在驱动电源驱动下振动，带动传感单元底部的基片和基片上黏附的微球一起振动，当压电陶瓷工作在谐振频率时，基片表面与微粒的黏附力不能提供微球随传感单元一起振动所需的加速度，微球从传感单元基底表面脱离。脱离基底表面的微球被竖直向上的激光捕获，微球在光阱力、空气浮力和自身重力的平衡下稳定悬浮在空气环境中。

利用压电陶瓷实现微球悬浮的方法要求压电陶瓷驱动器具有足够大的驱动能力，在谐振频率处能为压电陶瓷产生足够的驱动电流。微球起支的成功率取决于微球与基片表面的黏附力大小，对于特定的压电陶瓷振动系统，需要调节驱动器功率才能提高微球起支所需的加速度。悬浮过程耗时较长，需要通过显微镜等成像系统观察判断微球是否悬浮成功。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种光悬浮式微球的起支方法及装置。

本发明提供了一种基于电磁碰撞实现微球脱离基片表面的方法，和一种基于单光束光阱与对接光纤的耦合光功率的变化量来判断微球是否悬浮成功方法。将两者结合得到一种有别于传统方案的光悬浮式微球起支方法。相比传统的压电陶瓷高频振动起支方法，利用电磁碰撞的方法能够轻易获取微球脱离基片表面所需的巨大加速度，碰撞的可重复性强。本发明适用范围包含且不限于光阱加速度计装置，同样也适用微颗粒悬浮领域其他需要微球快速脱离表面的场合。

本发明的技术方案的具体步骤如下：

控制器发送指令给电磁铁组，驱动电磁铁组内的两块电磁铁交替工作，带动光阱传感基片在两块电磁铁之间往返运动，并在电磁铁表面发生碰撞；碰撞瞬间微球获得加速度，克服自身与基片表面的黏附力并脱离基片表面；

每次碰撞过程中，脱离基片表面的微球部分经过竖直向上的单光束光阱的有效捕获区域，进入有效捕获区域的微球在自身重力与光阱力的平衡下实现悬浮；微球经过有效捕获区域的概率取决于脱离基片表面的微球的数量和空间分布的密度，也取决于微球脱离基片表面后的运动状态。可以通过在光阱传感基片内制作微型捕获腔，提高微球的空间分布密度，约束微球的运动范围，从而提高微球的捕获概率。

前置探测器通过分束器实时监测单光束光阱的光功率，后置探测器实时监测对接光纤的耦合光强，前置探测器和后置探测器分别将各自光功率信号输出给控制器，控制器实时对比两个光功率信号的大小，当光阱捕获区域存在悬浮的微球时，出射光的耦合量减小，后置探测器示数发生变化，反馈到控制器，控制器发送指令及时切断电磁铁的电源，光阱传感基片静止，微球被单光束光阱稳定悬浮。

这种判断微球是否悬浮成功的方法，其灵敏度取决于控制器能否准确辨别微球对耦合光强的影响。为了提高判据的灵敏度，一方面要求提高器件的精度，如提高激光器光功率的稳定性和探测器的探测精度，一方面要求提高光阱传感基片内入射光纤和对接光纤的对准精度，提高进入对接光纤的耦合光强。

一种光悬浮式微球的起支装置，包括光阱模块、电磁碰撞模块、控制器模块；电磁碰撞模块用来实现微球脱离基片表面，光阱模块用来实现微球的捕获，控制器模块一方面驱动电磁碰撞模块和光阱模块，另一方面实时监测光阱模块的光功率，控制电磁碰撞模块内电磁铁的工作状态。

所述的光阱模块包括激光器，光隔离器、1:99分束器、入射光纤、对接光纤、光阱传感基片和光阱传感基片夹具；

所述的激光器，光隔离器、1:99分束器、光阱传感基片利用光纤顺次相连的；

所述的激光器用于产生光强稳定的高斯基模光束；

所述的光隔离器用于隔离反射光，保护激光器；

所述的光阱传感基片内的玻璃基板表面刻有用于对准入射光纤和对接光纤的凹槽，入射光纤出射的光能有效耦合进入对接光纤；

所述的光阱传感基片夹具，采用磁性材料，表面平整，可被电磁铁的电磁吸力驱动，带动光阱传感基片一起运动，与电磁铁组的两块电磁铁表面碰撞后吸附在电磁铁表面。

所述的光阱传感基片包括玻璃基板、上盖玻片、下盖玻片、微球。

所述的控制器模块包括控制器、前置探测器，后置探测器；

所述的前置探测器，用于读取1:99分束器的1端口输出的光功率，并将数据输出到控制器，监测单光束光阱输出的光功率；

所述的后置探测器，用于读取对接光纤输出的光功率，并将数据输出到控制器。

所述的电磁碰撞模块包括电磁铁底座、电磁铁组、导轨、电磁铁组驱动电源；

所述的电磁铁底座，内含电磁铁的电源线路，用于稳定支撑电磁铁组的两块电磁铁，同时用于导轨的机械固定；

所述的电磁铁组，由两块电磁特性相同的电磁铁组成；电磁铁表面平整，能产生沿垂直于电磁铁表面分布均匀的电磁场，驱动光阱传感基片夹具沿着导轨在两块电磁铁之间往返运动；

所述的导轨，用于配合光阱传感基片夹具，使光阱传感基片夹具在两块电磁铁之间定向运动；

所述的电磁铁组驱动电源，根据控制器的指令控制电磁铁组的工作状态。

本发明和传统的压电陶瓷实现微球光悬浮的方法相比，本发明的优势体现在几个方面：一是只需要简单的电磁铁驱动电路，无需传统方案所需的高频高压驱动电源，节约成本；二是碰撞的可重复性强，微球脱落成功率高，微球脱离基片表面的成功率直接取决于电磁碰撞过程产生的加速度大小，可通过调节电磁铁产生的吸力控制光阱模块的运动速度大小，改变碰撞时的产生的加速度大小，从而提高微球脱落的成功率；三是微球脱落和捕获结合，通过光功率的反馈实时判断微球是否成功捕获，无需显微成像系统。

附图说明

图1为本发明装置的一种结构示意图；

图2为光阱传感基片内光纤捕获微球的示意图；

图3为起支过程中后置探测器示数变化示意图；

图中，激光器1、光隔离器2、1:99分束器3、入射光纤4、对接光纤5、光阱传感基片6、光阱传感基片夹具7、玻璃基板8、上盖玻片9、下盖玻片10、微球11、控制器12、前置探测器13，后置探测器14、电磁铁底座15、电磁铁组16、导轨17、电磁铁组驱动电源18。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

一种光悬浮式微球的起支装置，包括光阱模块、电磁碰撞模块、控制器模块；电磁碰撞模块用来实现微球脱离基片表面，光阱模块用来实现微球的捕获，控制器模块一方面驱动电磁碰撞模块和光阱模块，另一方面实时监测光阱模块的光功率，控制电磁碰撞模块内电磁铁的工作状态。

如图1所示，所述的光阱模块包括激光器1，光隔离器2、1:99分束器3、入射光纤4、对接光纤5、光阱传感基片6和光阱传感基片夹具7；

所述的激光器1，光隔离器2、1:99分束器3、光阱传感基片6利用光纤顺次相连的；

所述的激光器1可采用980nm单模激光器，能产生光强稳定的高斯基模光束。

所述的光隔离器2用于隔离反射光，保护激光器1；

如图1、2所示，所述的光阱传感基片6包括玻璃基板8、上盖玻片9、下盖玻片10、微球11。玻璃基板8表面刻有用于对准入射光纤4和对接光纤5的凹槽，两者的对准精度应在微米或亚微米量级，入射光纤4出射的光能有效耦合进入对接光纤5；

参照图2，光阱传感基片6由三层玻璃基片通过紫外光胶粘合而成。中间层为20mm×20mm×2mm的玻璃基板8，中间通孔作为微球存储和运动的空间，玻璃基板的一面以通孔为中心刻蚀光纤凹槽通道，用于入射光纤4和对接光纤5的对准。上下两层为直径20mm厚度在0.15mm-0.2mm之间的上盖玻片9和下盖玻片10。入射光纤4和对接光纤5在凹槽通道中对准后用紫外光胶粘合。微球11存入中间通孔后分布在中间通孔的内表面上，可选用直径10微米的二氧化硅或聚苯乙烯材质的干粉包装微球。

所述的光阱传感基片夹具7，采用磁性材料，表面平整，可被电磁铁的电磁吸力驱动，带动光阱传感基片6一起运动，与电磁铁组16的两块电磁铁表面碰撞后吸附在电磁铁表面。光阱传感基片夹具7由两块不锈钢材质的铁片组成，表面开有圆孔可让导轨穿过，中间根据光阱传感基片6、入射光纤4和对接光纤5的形状挖去一定的空间用于这两部分的固定，两块铁片夹紧光阱传感基片6后用螺钉紧固，成为一起在导轨17上移动的整体。

所述的控制器模块包括控制器12、前置探测器13，后置探测器14；所述的控制器12可以是数字信号处理器，比如TI公司的TMS320C6x系列的TMS320C6205DSP芯片；

所述的前置探测器13，用于读取1:99分束器3的1端口输出的光功率，并将数据输出到控制器12，监测单光束光阱输出的光功率；

所述的后置探测器14，用于读取对接光纤5输出的光功率，并将数据输出到控制器12；

所述的电磁碰撞模块包括电磁铁底座15、电磁铁组16、导轨17、电磁铁组驱动电源18；

所述的电磁铁底座15内含电磁铁的电源线路，用于稳定支撑电磁铁组16的两块电磁铁，同时用于导轨17的机械固定；

所述的电磁铁组16由两块电磁特性相同的线圈电磁铁组成，两块电磁铁表面间距为15mm，电磁铁外壳表面平整，能产生沿垂直于电磁铁表面分布均匀的电磁场，产生的电磁吸力足够大，可使光阱传感基片6和光阱传感基片夹具7在与电磁铁表面碰撞瞬间达到2m/s以上的速度。

电磁铁表面打螺纹孔，导轨17为四根半径为1mm的圆柱棒，可选择铜质材料，表面打磨光滑，减小光阱传感基片夹具7在上面滑动时的摩擦力，两端通过螺纹孔与两边的电磁铁表面紧固。

所述的电磁铁组驱动电源18，根据控制器12的指令控制电磁铁组16的工作状态。

本发明的技术方案的具体步骤如下：

控制器12发送指令给电磁铁组16驱动，驱动两块电磁铁交替工作，对光阱传感基片夹具7产生方向交替变化的电磁吸力，带动光阱传感基片6在两块电磁铁之间往返运动，并在电磁铁表面发生碰撞。碰撞瞬间微球11获得巨大的加速度，克服自身与基片表面的黏附力并脱离基片表面。每次碰撞过程中，脱离基片表面的微球有很大的概率经过竖直向上的单光束光阱的有效捕获区域。进入有效捕获区域的微球在自身重力与光阱力的平衡下实现悬浮。

前置探测器13通过1:99分束器3实时监测单光束光阱的光功率，后置探测器14实时监测对接光纤5的耦合光强。前置探测器13和后置探测器14分别将各自的光功率信号输出给控制器12，控制器12实时对比两个光功率信号的大小。当光阱捕获区域存在悬浮的微球时，出射光的耦合量减小，后置探测器14示数发生变化，反馈到控制器12。控制器12发送指令及时切断电磁铁组16的电源，光阱传感基片6静止，微球被单光束光阱稳定悬浮。

如图3所示，打开激光器1，前置探测器13和后置探测器14将光功率信号输出给控制器12，得到捕获腔内初始的耦合光功率比，此时得到后置探测器14的示数比较稳定，如a段所示。控制器12发送指令给电磁铁组16驱动，电磁铁组16工作，光阱传感基片6沿电磁导轨17往返运动并在电磁铁表面发生碰撞。微球在碰撞过程中脱离基片表面经过入射光纤4和对接光纤5之间的区域，对后置探测器14示数值下降且不稳定，如b段所示。如果微球没有被捕获，则后置探测器14示数在微球经过后恢复原始数值，如c段所示。多次碰撞后又有微球经过光阱捕获区域并被捕获，后置探测器14示数发生在经过短暂的下降和波动后稳定在某个数值，如d段所示。控制器12内的耦合光功率比相比初始的耦合光功率比发生明显变化。控制器12发送指令及时切断电磁铁组16的电源，光阱传感基片6静止，微球被单光束光阱稳定悬浮。

Claims (6)

1.一种光悬浮式微球的起支方法，其特征在于，利用电磁碰撞实现微球脱离和悬浮，以单光束光阱与对接光纤的耦合光功率的变化量来判断微球是否悬浮成功；

控制器发送指令给电磁铁组，驱动电磁铁组内的两块电磁铁交替工作，带动光阱传感基片在两块电磁铁之间往返运动，并在电磁铁表面发生碰撞；碰撞瞬间微球获得加速度，克服自身与基片表面的黏附力并脱离基片表面；

每次碰撞过程中，脱离基片表面的微球部分经过竖直向上的单光束光阱的有效捕获区域，进入有效捕获区域的微球在自身重力与光阱力的平衡下实现悬浮；

前置探测器通过分束器实时监测单光束光阱的光功率，后置探测器实时监测对接光纤的耦合光强，前置探测器和后置探测器分别将各自光功率信号输出给控制器，控制器实时对比两个光功率信号的大小；当光阱捕获区域存在悬浮的微球时，出射光的耦合量减小，后置探测器示数发生变化，反馈到控制器，控制器发送指令及时切断电磁铁的电源，光阱传感基片静止，微球被单光束光阱稳定悬浮。

2.一种光悬浮式微球的起支装置，其特征在于，包括光阱模块、电磁碰撞模块、控制器模块；电磁碰撞模块用来实现微球脱离基片表面，光阱模块用来实现微球的捕获，控制器模块一方面驱动电磁碰撞模块和光阱模块，另一方面实时监测光阱模块的光功率，控制电磁碰撞模块内电磁铁的工作状态。

3.根据权利要求2所述的起支装置，其特征在于，所述的光阱模块包括激光器（1），光隔离器（2）、1:99分束器（3）、入射光纤（4）、对接光纤（5）、光阱传感基片（6）和光阱传感基片夹具（7）；

所述的激光器（1），光隔离器（2）、1:99分束器（3）、光阱传感基片（6）利用光纤顺次相连的；

所述的激光器（1）用于产生光强稳定的高斯基模光束；

所述的光隔离器（2）用于隔离反射光，保护激光器（1）；

所述的光阱传感基片（6）内的玻璃基板表面刻有用于对准入射光纤（4）和对接光纤（5）的凹槽；

所述的光阱传感基片夹具（7），其特征在于采用磁性材料，表面平整，可被电磁铁的电磁吸力驱动，带动光阱传感基片（6）一起运动。

4.根据权利要求3所述的起支装置，其特征在于，所述的光阱传感基片（6）包括玻璃基板（8）、上盖玻片（9）、下盖玻片（10）、微球（11）。

5.根据权利要求2所述的起支装置，其特征在于，所述的控制器模块包括控制器（12）、前置探测器（13），后置探测器（14）；

所述的前置探测器（13），用于读取1:99分束器（3）的1端口输出的光功率，并将数据输出到控制器（12）；

所述的后置探测器（14），用于读取对接光纤（5）输出的光功率，并将数据输出到控制器（12）。

6.根据权利要求2所述的起支装置，其特征在于，所述的电磁碰撞模块包括电磁铁底座（15）、电磁铁组（16）、导轨（17）、电磁铁组驱动电源（18）；

所述的电磁铁底座（15），用于稳定支撑电磁铁组（16）的两块电磁铁，同时用于导轨（17）的机械固定；

所述的电磁铁组（16），由两块电磁特性相同的电磁铁组成；

所述的导轨（17），用于配合光阱传感基片夹具（7），使光阱传感基片夹具（7）在两块电磁铁之间定向运动；

所述的电磁铁组驱动电源（18），根据控制器（12）的指令控制电磁铁组（16）的工作状态。