CN110333170A - 一种无损测量微球直径均匀度的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微球结构器件尺寸参数均匀度的测量技术领域，具体涉及一种无损测量微球直径均匀度的测量装置及方法。本发明的目的是解决微球直径均匀度的测量和标定过程中对微球产生破环性而无法重复使用的问题。本发明包括测试激光器、纳米光纤、待测微球和光电探测器，所述测试激光器与纳米光纤的输入端连接，所述纳米光纤的输出端与光电探测器的输入端连接。本发明微球接触纳米光纤的过程只是点接触，对微球透射率及表面特性没有影响，测量后微球可以继续使用，能够无损测量微球直径均匀度。
Description
技术领域
本发明属于微球结构器件尺寸参数均匀度的测量技术领域，具体涉及一种无损测量微球直径均匀度的测量装置及方法。
背景技术
微球具有单分散、具有不同分子量、不同结构形态与表面特征等特点，而且可在其表面上引入不同功能基团。这样的微球具有比表面积大，吸附性强、力学性能好，耐溶剂范围广，方便回收和可重复利用等优点，其在许多领域里有着广阔的应用前景。应用范围涉及标准计量、食品化工、医药学、生物工程、信息工程、微电子技术等各个领域，特别是生物医学领域，对临床诊断、检验、免疫技术、细胞学等应用的研究意义重大，并形成专门的研究体系。
微球尺寸的均匀度是众多研究和开发领域中关注的重要参数之一。在确定病毒，细菌和细胞成分大小的生物学应用、制药业和陶瓷、粉末、粘土、颜料、磨料、抛光剂、土壤等领域标准微球的精确测量都有着重要的作用。微球参数对具体器件开发有着重要的影响，尤其在质量和过程控制的工业生产中，必须精确确定微球的直径及其均匀度等参数。测量100微米以下物体的尺寸的方法有很多，但是，这些测量方法的测量系统应该根据尺寸标准进行校准，其中尺寸标准物质的精确尺寸测量尤其重要。
以微球为基本器件的光学传感器的研发设计和光与物质相互作用的实验研究中，在使用之前就需要测量确定微球直径，而且在测量之后对微球特性不能产生影响和损坏，因此亟需一种成本低廉、无损测量微球直径均匀度的装置和方法。
微球由于其直径在微米量级，光学显微镜由于衍射极限的限制，在测量微球的直径均匀度时误差较大。另外，准确测量微球直径均匀度的常用方法是扫描电子显微镜。此方法在测量过程中，需要进行喷金处理，即在微球表面镀一层金元素层。扫描电子显微镜的测量方法使得微球表面特性发生根本性变化，造成微球在诸多应用领域无法在测量后继续使用。同时微球由于表面镀层的存在影响其直径的准确表征，准确度大幅度下降。此外，扫描电子显微镜因为其价格贵、成本高、维护复杂等原因无法普遍使用。
发明内容
本发明的目的是解决微球直径均匀度的测量和标定过程中对微球产生破环性而无法重复使用的问题，提供了一种无损测量微球直径均匀度的装置及方法。此方法测量微球后对微球无损坏，而且测量精度高、设备低廉、操作简单。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种无损测量微球直径均匀度的测量装置，包括测试激光器、纳米光纤、待测微球和光电探测器，所述测试激光器与纳米光纤的输入端连接，所述纳米光纤的输出端与光电探测器的输入端连接，所述纳米光纤用于与待测微球进行接触耦合，以便于光电探测器测得纳米光纤接触待测微球不同位置下的激光透射谱。
进一步，所述纳米光纤为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于300-400纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径，所述纳米光纤是将光纤波导通过微加工过程制成直径在微米以下的纳米光纤，原有的普通光纤芯径与原有光纤包层熔融在一起成为光传输通道，外部空气成为包层。
一种测量微球直径均匀度的方法，包括以下步骤:
步骤1.将测试激光器进行波长进扫描，并将测试激光器输出的激光耦合进入纳米光纤输入端，激光经过纳米光纤后输出至探测器，利用光电探测器测量得到纳米光纤输出端的激光透射谱P1；
步骤2.将待测微球附着于纳米光纤的锥腰表面；
步骤3.将与待测微球耦合的纳米光纤输出端的透射激光输出至探测器，利用光电探测器测量纳米光纤与待测微球耦合状态的透射谱，调节激光偏振获得临界耦合状态，得到纳米光纤与待测微球临界耦合状态的激光透射谱P2；
步骤4.通过步骤1和3得到的激光透射谱P1和P2，根据P3＝P2/P1得出待测微球与纳米光纤临界耦合状态下的归一化透射谱P3；
步骤5.重复步骤2、步骤3和步骤4，将纳米光纤与待测微球的不同位置接触实现耦合，得到待测微球不同赤道平面的谐振谱线数据；
步骤6.对步骤5得到的待测微球(3)不同赤道平面的谐振谱线数据进行洛伦兹拟合，得到谐振峰的中心频率，通过公式将每个接触位置的谐振峰中心频率移动转换为待测微球直径起伏，对各个不同位置直径起伏进行统计得到微球直径起伏的标准差，即获得待测微球的均匀度，其中ΔD为待测微球各测量点与平均直径的差值，即每个点的直径起伏，n为微球内谐振模式个数，c为光在真空中的速度，neff为待测微球的有效折射率，f为谐振峰的中心频率，Δf为各谐振峰的中心频率与平均值的差值。
进一步，所述纳米光纤为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于300-400纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径；所述纳米光纤是将光纤波导通过微加工过程制成直径在微米以下的纳米光纤，原有的普通光纤芯径与原有光纤包层熔融在一起成为光传输通道，外部空气成为包层；由于纳米光纤直径接近或者小于光波长，其内部传输光在光纤表面形成倏逝场，在光纤外部空间传输，与外界接触，作为与外部物质相互作用的接口，其在光学传感、光学开关、光学滤波器、非线性光学、量子光学、精密测量等领域发挥着巨大作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明将纳米光纤作为与微球的光耦合通道可以将测试激光通入微球，微球内外表面的折射率差导致光发生全反射被束缚于微球内表面，并形成稳定的光学谐振腔的光场模式，通过对光学谐振腔模式频谱的测量，可以准确地对微球的直径均匀度进行表征。利用纳米光纤对微球的直径均匀度进行标定的方法，是一种精确度高、操作简单、成本低廉的无损测量方法。
2.本发明微球接触纳米光纤的过程只是点接触，对微球透射率及表面特性没有影响，测量后微球可以继续使用，能够无损测量微球直径均匀度。
3.本发明测量微球后对微球无损坏，而且测量精度高、设备低廉、操作简单。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明中待测微球与激光谐振临界耦合状态谐振峰示意图；
图3测量微球各个位置接触纳米光纤的谐振中心频率；
图中：1-测试激光器、2-纳米光纤、3-待测微球、4-光电探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-3所示，本实施例中的一种无损测量微球直径均匀度的测量装置，其特征在于：包括测试激光器1、纳米光纤2、待测微球3和光电探测器4，所述测试激光器1与纳米光纤2的输入端连接，所述纳米光纤2的输出端与光电探测器4的输入端连接，所述纳米光纤2用于与待测微球3进行接触实现耦合，以便于光电探测器4测得纳米光纤2接触待测微球3不同位置下的激光透射谱。
所述纳米光纤2为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于300纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
一种测量微球直径均匀度的方法，包括以下步骤:
步骤1.将测试激光器1进行波长进扫描，并将测试激光器1输出的激光耦合进入纳米光纤2输入端，激光经过纳米光纤2后输出至探测器4，利用光电探测器4测量得到纳米光纤2输出端的激光透射谱P1；
步骤2.将待测微球3附着于纳米光纤2的锥腰表面；
步骤3.将与待测微球3耦合的的纳米光纤2输出端的透射激光输出至探测器4，利用光电探测器4测量纳米光纤2与待测微球3耦合状态的透射谱，调节激光偏振获得临界耦合状态，得到纳米光纤2与待测微球3临界耦合状态的激光透射谱P2；
步骤4.通过步骤1和3得到的激光透射谱P1和P2，根据P3＝P2/P1得出待测微球3与纳米光纤2临界耦合状态下的归一化透射谱P3；
步骤5.重复步骤2、步骤3和步骤4，将纳米光纤2与待测微球3的不同位置接触实现耦合，得到待测微球3不同赤道平面的谐振谱线数据；
步骤6.对步骤5得到的待测微球3不同赤道平面的谐振谱线数据进行洛伦兹拟合，得到谐振峰的中心频率，通过公式将每个接触位置的谐振峰中心频率移动转换为待测微球3直径起伏，对各个不同位置直径起伏进行统计得到微球3直径起伏的标准差，即获得待测微球3的均匀度，其中ΔD为待测微球3各测量点与平均直径的差值，即每个点的直径起伏，n为微球内谐振模式个数，c为光在真空中的速度，neff为待测微球3的有效折射率，f为谐振峰的中心频率，Δf为各谐振峰的中心频率与平均值的差值。
所述纳米光纤2为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于300纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
实施例2
如图1-3所示，本实施例中的一种无损测量微球直径均匀度的测量装置，其特征在于：包括测试激光器1、纳米光纤2、待测微球3和光电探测器4，所述测试激光器1与纳米光纤2的输入端连接，所述纳米光纤2的输出端与光电探测器4的输入端连接，所述纳米光纤2用于与待测微球3进行接触，以便于光电探测器4测得纳米光纤2接触待测微球3不同位置下的激光透射谱。
所述纳米光纤2为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于400纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
一种测量微球直径均匀度的方法，包括以下步骤:
步骤1.将测试激光器1进行波长进扫描，并将测试激光器1输出的激光耦合进入纳米光纤2输入端，激光经过纳米光纤2后输出至探测器4，利用光电探测器4测量得到纳米光纤2输出端的激光透射谱P1；
步骤2.将待测微球3附着于纳米光纤2的锥腰表面；
步骤3.将与待测微球3耦合的的纳米光纤2输出端的透射激光输出至探测器4，利用光电探测器4测量纳米光纤2与待测微球3耦合状态的透射谱，调节激光偏振获得临界耦合状态，得到纳米光纤2与待测微球3临界耦合状态的激光透射谱P2；
步骤4.通过步骤1和3得到的激光透射谱P1和P2，根据P3＝P2/P1得出待测微球3与纳米光纤2临界耦合状态下的归一化透射谱P3；
步骤5.重复步骤2、步骤3和步骤4，将纳米光纤2与待测微球3的不同位置接触实现耦合，得到待测微球3不同赤道平面的谐振谱线数据；
步骤6.对步骤5得到的待测微球3不同赤道平面的谐振谱线数据进行洛伦兹拟合，得到谐振峰的中心频率，通过公式将每个接触位置的谐振峰中心频率移动转换为待测微球3直径起伏，对各个不同位置直径起伏进行统计得到微球3直径起伏的标准差，即获得待测微球3的均匀度，其中ΔD为待测微球3各测量点与平均直径的差值，即每个点的直径起伏，n为微球内谐振模式个数，c为光在真空中的速度，neff为待测微球3的有效折射率，f为谐振峰的中心频率，Δf为各谐振峰的中心频率与平均值的差值。
所述纳米光纤2为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于400纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
实施例3
如图1-3所示，本实施例中的一种无损测量微球直径均匀度的测量装置，其特征在于：包括测试激光器1、纳米光纤2、待测微球3和光电探测器4，所述测试激光器1与纳米光纤2的输入端连接，所述纳米光纤2用于与待测微球3进行接触，以便于光电探测器4测得纳米光纤2接触待测微球3不同位置下的激光透射谱。
所述纳米光纤2为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于350纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
一种测量微球直径均匀度的方法，包括以下步骤:
步骤1.将测试激光器1进行波长进扫描，并将测试激光器1输出的激光耦合进入纳米光纤2输入端，激光经过纳米光纤2后输出至探测器4，利用光电探测器4测量得到纳米光纤2输出端的激光透射谱P1；
步骤2.将待测微球3附着于纳米光纤2的锥腰表面；
步骤3.将与待测微球3耦合的的纳米光纤2输出端的透射激光输出至探测器4，利用光电探测器4测量纳米光纤2与待测微球3耦合状态的透射谱，调节激光偏振获得临界耦合状态，得到纳米光纤2与待测微球3临界耦合状态的激光透射谱P2；
步骤4.通过步骤1和3得到的激光透射谱P1和P2，根据P3＝P2/P1得出待测微球3与纳米光纤2临界耦合状态下的归一化透射谱P3；
步骤5.重复步骤2、步骤3和步骤4，将纳米光纤2与待测微球3的不同位置接触实现耦合，得到待测微球3不同赤道平面的谐振谱线数据；
步骤6.对步骤5得到待测微球3的不同赤道平面的谐振谱线数据进行洛伦兹拟合，得到谐振峰的中心频率，通过公式将每个接触位置的谐振峰中心频率移动转换为待测微球3直径起伏，对各个不同位置直径起伏进行统计得到微球3直径起伏的标准差，即获得待测微球3的均匀度，其中ΔD为待测微球3各测量点与平均直径的差值，即每个点的直径起伏，n为微球内谐振模式个数，c为光在真空中的速度，neff为待测微球3的有效折射率，f为谐振峰的中心频率，Δf为各谐振峰的中心频率与平均值的差值。
所述纳米光纤2为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于350纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
本发明的测试激光器1、纳米光纤2、待测微球3、光电探测器4均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种无损测量微球直径均匀度的测量装置，其特征在于：包括测试激光器(1)、纳米光纤(2)、待测微球(3)和光电探测器(4)，所述测试激光器(1)与纳米光纤(2)的输入端连接，所述纳米光纤(2)的输出端与光电探测器(4)的输入端连接，所述纳米光纤(2)用于与待测微球(3)进行接触耦合，以便于光电探测器(4)测得纳米光纤(2)接触待测微球(3)不同位置下的激光透射谱。
2.根据权利要求1所述的一种无损测量微球直径均匀度的测量装置，其特征在于:所述纳米光纤(2)为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于300-400纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
3.一种测量微球直径均匀度的方法，其特征在于：包括以下步骤:
步骤1.将测试激光器(1)进行波长进扫描，并将测试激光器(1)输出的激光耦合进入纳米光纤(2)输入端，激光经过纳米光纤(2)后输出至探测器(4)，利用光电探测器(4)测量得到纳米光纤(2)输出端的激光透射谱P1；
步骤2.将待测微球(3)附着于纳米光纤(2)的锥腰表面；
步骤3.将与待测微球(3)耦合的的纳米光纤(2)输出端的透射激光输出至探测器(4)，利用光电探测器(4)测量纳米光纤(2)与待测微球(3)耦合状态的透射谱，调节激光偏振获得临界耦合状态，得到纳米光纤(2)与待测微球(3)临界耦合状态的激光透射谱P2；
步骤4.通过步骤1和3得到的激光透射谱P1和P2，根据P3＝P2/P1得出待测微球(3)与纳米光纤(2)临界耦合状态下的归一化透射谱P3；
步骤5.重复步骤2、步骤3和步骤4，将纳米光纤(2)与待测微球(3)的不同位置接触实现耦合，得到待测微球(3)不同赤道平面的谐振谱线数据；
步骤6.对步骤5得到的待测微球(3)不同赤道平面的谐振谱线数据进行洛伦兹拟合，得到谐振峰的中心频率，通过公式将每个接触位置的谐振峰中心频率移动转换为待测微球(3)直径起伏，对各个不同位置直径起伏进行统计得到微球(3)直径起伏的标准差，即获得待测微球(3)的均匀度，其中ΔD为待测微球(3)各测量点与平均直径的差值，即每个点的直径起伏，n为微球内谐振模式个数，c为光在真空中的速度，neff为待测微球(3)的有效折射率，f为谐振峰的中心频率，Δf为各谐振峰的中心频率与平均值的差值。
4.根据权利要求4所述的一种无损测量微球直径均匀度的测量装置，其特征在于:所述纳米光纤(2)为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于300-400纳米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。
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