CN110393932B - 光丝诱导微纳气泡产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光丝诱导微纳气泡产生装置，激光光源装置由光源部、激光聚焦部组成，光源部发射的激光经激光聚焦部聚焦后通过通过光束控制装置在激光光丝部形成等离子体光丝；激光光丝部采用纳米金属颗粒均匀掺杂于溶液内，激光在溶液中产生光丝后，在溶液中产生超连续光谱，纳米金属颗粒表面等离子体受到超连续光谱的共振激发，温度急速升高瞬间气化液态溶液，形成大量团簇状微纳气泡，气泡成像部中的扫描探测装置通过计算机与成像显示装置相连接，反馈控制部通过控制软件设定激光器功率参数，并将通过分析扫描探测装置所探测到的气泡大小数据反馈到光束控制装置，由光束控制装置调节激光器的功率来改变气泡的大小、密度及产生速率。

Description

光丝诱导微纳气泡产生装置
技术领域
本发明涉及一种微纳气泡产生装置，具体涉及一种光丝诱导微纳气泡产生装置。
背景技术
微纳气泡则是一种直径为1nm～600nm的气泡。由于微纳气泡解决了气体溶解速度小，溶解度小的问题，在水处理、食品加工清洗及消毒等领域具有应用前景。在水污染处理方面，微纳米气泡技术是集水环境治理气浮、过滤、消毒、溶氧为一体的高端水环境治理技术，可以让水体有机污染的氧化分解速度加快，加以配合适当的水平方向的水体搅拌装置，可将微纳米气泡在水平方向上扩大分布范围，最大可能的与周围水体充分混合，进行氧化反应，对水质净化的效果可以起到重要的效果。关于微纳气泡的研究，多数研究集中在微纳米气泡制备、测定和特性分析等方面。当前纳米气泡制备，主要通过将压缩空气与水在高压下溶合实现。然而压缩作用形成的纳米气泡，这种手法生成的纳米气泡产率有限产率，为106个/分钟，实际过程中需要更高的气泡产率以提升，清洁/加工效率。同时，由于传统方法制备的纳米气泡表面无特殊电性，因此极易团聚，气泡存留时间不长。并且，实际过程中需要纳米气泡清洁金属表面，而压缩空气中的氧气反而容易造成金属材料氧化，因此应用前景有限。因此急需一种产率高，且表面电性可控的微纳气泡生成装置及方法。
发明内容
本发明是针对微纳米气泡制备而提出的一种光丝诱导微纳气泡产生装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光丝诱导微纳气泡产生装置，包括激光光源装置，光束控制部，激光光丝部，气泡成像部，反馈控制部，其特点是：所述的激光光源装置由光源部、激光聚焦部组成，所述光源部发射的激光经激光聚焦部聚焦后通过通过光束控制装置，在激光光丝部形成等离子体光丝；所述的激光光丝部由溶液、纳米金属颗粒和装溶液切可透射激光的容器组成，所述的纳米金属颗粒均匀掺杂于溶液内，激光在溶液中产生光丝后，在溶液中产生超连续光谱，所述的纳米金属颗粒表面等离子体受到超连续光谱的共振激发，温度急速升高瞬间气化液态溶液，形成大量团簇状微纳气泡；所述的气泡成像部由扫描探测装置和成像显示装置组成，所述扫描探测装置通过计算机与成像显示装置相连接，用于实时探测微纳气泡的产生情况；所述的反馈控制部通过控制软件设定激光器功率参数，并将通过分析扫描探测装置所探测到的气泡大小数据反馈到光束控制装置，由光束控制装置调节激光器的功率来改变气泡的大小、密度及产生速率。
进一步，所述光源部输出超短脉冲激光，超短脉冲激光为输出波长为200-400nm的紫外激光、或输出波长为400-800nm的可见光激光、或输出波长为800-3000nm红外激光。
进一步，所述的激光为皮秒或飞秒激光，激光的脉冲宽度为1fs-500ps，激光的峰值功率大于在溶液中形成光丝的功率阈值。
进一步，所述的超连续光谱为溶液中飞秒光丝内传输的高功率激光的自相位调制与多光子电离等高阶非线性效用产生的超宽带光谱；在入射激光波长800nm时候，该超连续光谱范围为400-900nm。
进一步，所述的飞秒光丝为飞秒激光在溶液中聚焦形成的等离子体自散焦与克尔效应引发的自聚焦达到动态平衡后，形成的丝状等离子体波导。
进一步，所述激光聚焦部为反射镜组、凸透镜组、凹透镜组、抛物面镜组组成的激光聚焦系统。
进一步，所述的光束控制部由准直部和光束控制部组成，经激光聚焦系统部聚焦后的激光入射到准直部和光束控制部后可实现对激光路径的准直、激光光束大小及能量的控制。
进一步，所述的纳米金属颗粒为纳米金颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铟锡颗粒中的一种，其粒径范围为1-950nm，形状为球状、柱状、正四面体中的一种。
进一步，所述的溶液为非粘稠状液体。
进一步，所述的共振激发为激光在液体中产生的超连续谱与纳米金属在溶液中的共振吸收波长吻合，从而产生极强吸收，在极小范围内瞬间形成4000K高温。
进一步，所述的微纳气泡的直径为1nm～600nm；所述的光丝在溶体中产生微纳气泡，产率为106个/分钟，通过共振激发形成的微纳气泡产率为108个/分钟。
本发明的有益效果是：
1.在本发明可瞬间汽化光丝范围内的水，形成水蒸气气泡，其产率比传统微纳气泡产生技术高2个数量级。
2.本发明产生的气泡为水蒸气气泡，不含氧气。水蒸气性质稳定，不会氧化金属，并且水蒸气可以与多种材料表面的污渍结合形成团簇、液聚、气溶胶等，更适合材料表面净化。
3.由于光丝多光子电离过程中产生了大量带负电的电子，带负电的电子可附着在纳米气泡表面，使大量纳米气泡电性排斥无法发生团聚。因此这种手段产生的纳米气泡也更稳定。
附图说明
图1为本发明光丝诱导微纳气泡产生装置结构示意图；
图2为本发明光丝诱导微纳气泡产生装置结构原理示意图；
图3为显微镜下20μm窗口下的气泡分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明特征及其他相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员理解：
如图1所示，一种光丝诱导微纳气泡产生装置，包括激光光源装置100，光束控制装置200，激光光丝部300，气泡成像部400，反馈控制部500，共五个部分。
激光由光源101产生，在经过激光聚焦部102聚焦后，通过光束控制装置200实现激光路径的准直、激光光束大小及能量的控制。
激光光源装置100由光源部101、激光聚焦部102组成。超短脉冲激光束通过光源101产生，光源部101为超短脉冲激光，输出波长不限，可根据实际需要产生不同波段的光。激光聚焦部102可以为反射镜组、凸透镜组、凹透镜组、抛物面镜组等所组成的激光聚焦系统。
光源部101为超短脉冲激光，输出波长不限，可为紫外激光(200-400nm)、可见光激光(400-800nm)、红外激光(800-3000nm)。激光为皮秒或飞秒激光器，脉冲宽度为1fs-500ps。激光的峰值功率应大于在溶液中形成光丝的功率阈值。以纯净水为例，形成光丝所需的功率阈值为0.25MW。激光聚焦部102可以为反射镜组、凸透镜组、凹透镜组、抛物面镜组等所组成的激光聚焦系统。聚焦的激光通过光束控制装置200，在激光光丝部300)形成等离子体光丝。
光束控制装置200由准直部201和光束控制部202组成。经激光聚焦系统102聚焦后的激光入射到准直部201和光束控制部202后可实现对激光路径的准直、激光光束大小及能量的控制。通过光束控制装置200后，激光在激光光丝部300形成等离子体光丝。
激光光丝部300由溶液301、纳米金属颗粒302和装溶液切可透射激光的容器303组成。激光在溶液301中产生光丝。光丝产生后，在溶液中产生超连续光谱，由于溶液301中均匀掺杂有纳米金属颗粒302，颗粒表面等离子体受到超连续光谱的共振激发，温度急速升高瞬间气化液态溶液，形成大量团簇状微纳气泡。气泡的探测与控制可通过气泡成像部400和反馈控制部500来实现。
气泡成像部400由扫描探测装置401和成像显示装置402组成。扫描探测装置401通过计算机与成像显示装置402相连接，用于实时探测微纳气泡的产生情况。实际过程中，成像装置402可以为搭配CCD的显微镜装置。
反馈控制部500由扫描探测装置401和控制软件501组成。控制软件501可设定激光器功率等参数，并包含反馈机制，通过计算机分析扫描探测装置401所探测到的气泡大小，反馈到激光光源装置100及光束控制装置200用于调节激光器的功率来改变气泡的大小、密度及产生速率。
一种光丝诱导微纳气泡产生方法，光丝诱导微纳气泡产生方法，为纳米金属颗粒的表面等离子体，受到飞秒激光本身，或飞秒光丝在溶液中的超连续光谱的共振激发，温度急速升高，在数厘米长百微米直径的圆柱形区域内，形成上千度高温，该范围内液态溶液瞬间气化，形成微纳气泡。
飞秒光丝在溶液中的超连续光谱，为溶液中飞秒光丝内传输的高功率激光的自相位调制与多光子电离等高阶非线性效用产生的超宽带光谱。在入射激光波长800nm时候，该超连续光谱范围为400-900nm。需要指出的是，激光光谱本身和激光在溶液中产生的超连续光谱，只要与纳米颗粒的等离子体共振波长匹配，均可实现共振激发。
飞秒光丝为飞秒激光在溶液中聚焦形成的等离子体自散焦与克尔效应引发的自聚焦达到动态平衡后，形成的丝状等离子体波导。
纳米金属颗粒，可为金属以及金属化合物的纳米颗粒。例如，纳米金颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铟锡颗粒等。其粒径范围为1-950nm。形状可为球状、柱状、正四面体等多种形状。
溶液，可为所有非粘稠状液体。例如，水、酸以及金属盐溶液。
共振激发，为激光在液体中产生的超连续谱与纳米金属在溶液中的共振吸收波长吻合，从而产生极强吸收，在极小范围内瞬间形成4000K高温。
飞秒激光在溶液中聚焦形成的等离子体自散焦与克尔效应引发的自聚焦达到动态平衡后，形成丝状等离子体波导见图2。微纳米金属颗粒的表面等离子体受到飞秒光丝在溶液中的超连续光谱的共振激发，温度急速升高，在数厘米长百微米尺直径的圆柱形区域内形成上千度高温，该范围内的液态溶液瞬间气化，形成微纳气泡。
实验中，通过100uJ，1030nm，10ps的高功率红外激光在纳米金溶液中构造光丝，从而产生了大量团簇状微纳气泡。图3为显微镜402下拍到的纳米气泡图像。此时气泡产率为108个/分钟。其产率比传统微纳气泡产生技术高二个数量级。

Claims (10)

1.一种光丝诱导微纳气泡产生装置，包括激光光源装置，光束控制部，激光光丝部，气泡成像部，反馈控制部，其特征在于：所述的激光光源装置由光源部、激光聚焦部组成，所述光源部发射的激光经激光聚焦部聚焦后通过光束控制装置，在激光光丝部形成等离子体光丝；所述的激光光丝部由溶液、纳米金属颗粒和装溶液且 可透射激光的容器组成，所述的纳米金属颗粒均匀掺杂于溶液内，激光在溶液中产生光丝后，在溶液中产生超连续光谱，所述的纳米金属颗粒表面等离子体受到超连续光谱的共振激发，温度急速升高瞬间气化液态溶液，形成大量团簇状微纳气泡；所述的气泡成像部由扫描探测装置和成像显示装置组成，所述扫描探测装置通过计算机与成像显示装置相连接，用于实时探测微纳气泡的产生情况；所述的反馈控制部通过控制软件设定激光器功率参数，并将通过分析扫描探测装置所探测到的气泡大小数据反馈到光束控制装置，由光束控制装置调节激光器的功率来改变气泡的大小、密度及产生速率。
2.根据权利要求1所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述光源部输出超短脉冲激光，超短脉冲激光为输出波长为200-400nm的紫外激光、或输出波长为400-800nm的可见光激光、或输出波长为800-3000nm红外激光。
3.根据权利要求1所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述的激光为皮秒或飞秒激光，激光的脉冲宽度为1fs-500ps，激光的峰值功率大于在溶液中形成光丝的功率阈值。
4.根据权利要求3所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述的超连续光谱为溶液中飞秒光丝内传输的高功率激光的自相位调制与多光子电离等高阶非线性效用产生的超宽带光谱；在入射激光波长800nm时候，该超连续光谱范围为400-900nm。
5.根据权利要求4所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述的飞秒光丝为飞秒激光在溶液中聚焦形成的等离子体自散焦与克尔效应引发的自聚焦达到动态平衡后，形成的丝状等离子体波导。
6.根据权利要求1所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述激光聚焦部为反射镜组、凸透镜组、凹透镜组、抛物面镜组组成的激光聚焦系统。
7.根据权利要求1所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述的光束控制部由准直部和光束控制部组成，经激光聚焦系统部聚焦后的激光入射到准直部和光束控制部后可实现对激光路径的准直、激光光束大小及能量的控制。
8.根据权利要求1所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述的纳米金属颗粒为纳米金颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铟锡颗粒中的一种，其粒径范围为1-950nm，形状为球状、柱状、正四面体中的一种。
9.根据权利要求1所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述的溶液为非粘稠状液体。
10.根据权利要求1所述的光丝诱导微纳气泡产生装置，其特征在于：所述的共振激发为激光在液体中产生的超连续谱与纳米金属在溶液中的共振吸收波长吻合，从而产生极强吸收，在极小范围内瞬间形成4000K高温。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110718836B (zh) * 2019-11-04 2020-06-30 华东师范大学重庆研究院 一种基于纳米气泡诱导的太赫兹产生装置
CN114178547A (zh) * 2021-07-22 2022-03-15 广东工业大学 一种基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法
CN114654116B (zh) * 2022-04-22 2023-02-03 武汉大学 一种光驱纳米颗粒的纳米孔洞定点加工装置及方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5604588A (en) * 1995-07-20 1997-02-18 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Imaging plasma in nonlinear limiter cells
CN1531662A (zh) * 2001-03-06 2004-09-22 �����ɷ� 组合式光学开关结构
CN1987414A (zh) * 2005-12-21 2007-06-27 中国科学院上海应用物理研究所 生长纳米级气泡的方法及其观察并控制装置与方法
CN102776237A (zh) * 2012-06-12 2012-11-14 西安交通大学 一种空化气泡介导的细胞激光转染方法
CN104759753A (zh) * 2015-03-30 2015-07-08 江苏大学 多系统自动化协调工作的激光诱导空化强化的装置及方法
CN105033751A (zh) * 2015-06-24 2015-11-11 中国科学院光电技术研究所 一种凸锥镜的在线检测加工装置及方法
CN105943087A (zh) * 2016-07-26 2016-09-21 飞依诺科技(苏州)有限公司 超声微泡空化设备的成像处理方法及处理系统
US10228317B1 (en) * 2016-08-25 2019-03-12 Verily Life Sciences Llc Multiplexed microfluidic cell sorting using laser induced cavitation bubbles

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5604588A (en) * 1995-07-20 1997-02-18 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Imaging plasma in nonlinear limiter cells
CN1531662A (zh) * 2001-03-06 2004-09-22 �����ɷ� 组合式光学开关结构
CN1987414A (zh) * 2005-12-21 2007-06-27 中国科学院上海应用物理研究所 生长纳米级气泡的方法及其观察并控制装置与方法
CN102776237A (zh) * 2012-06-12 2012-11-14 西安交通大学 一种空化气泡介导的细胞激光转染方法
CN104759753A (zh) * 2015-03-30 2015-07-08 江苏大学 多系统自动化协调工作的激光诱导空化强化的装置及方法
CN105033751A (zh) * 2015-06-24 2015-11-11 中国科学院光电技术研究所 一种凸锥镜的在线检测加工装置及方法
CN105943087A (zh) * 2016-07-26 2016-09-21 飞依诺科技(苏州)有限公司 超声微泡空化设备的成像处理方法及处理系统
US10228317B1 (en) * 2016-08-25 2019-03-12 Verily Life Sciences Llc Multiplexed microfluidic cell sorting using laser induced cavitation bubbles

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《纳秒激光在水和金纳米球溶液中的光致击穿研究》;付磊，王思琪等，;《中国激光》;20180228;第45卷(第2期);第0207029-1到0207029-9页 *
《金纳米颗粒介导的细胞光穿孔表征方法》;顾清，王佳壮等;《中国激光》;20200229;第47卷(第2期);第0207021-1到第0207021-7页 *

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