CN111947593B - 基于光阱的微粒形状及表面粗糙度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光阱的微粒形状及表面粗糙度检测装置及方法。它包括微粒输入模块、光阱捕获模块与光场探测模块。微粒输入模块是存储待测微粒并将待测微粒输送入光阱场中的装置，当待测微粒通过光阱捕获模块实现捕获后时，捕获光场与微粒相互作用，微粒将被悬浮在光阱场中，由于微球与周围环境具有不同的折射率，微粒将改变光场传输轨迹，在此过程中，不同的微球形状以及表面的粗糙度都将导致不同的透射场与反射场，将作用后的光场传输至光场探测模块中，通过对透射或散射光束的探测与分析，可以获得微球形状及其表面粗糙度的信息。本发明能在液体、空气或真空等多种环境条件下对微粒表面形态进行检测，实现对球形微粒的挑选。

Description

基于光阱的微粒形状及表面粗糙度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及应用于微粒形状与表面粗糙度检测装置与方法，尤其是利用光与物质相互作用进行微球形态的测量。

背景技术

根据量子理论，光束是一群以光速运动的，既有质量又有动量的光子，当光子入射到介质表面时会产生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化，由动量守恒定律就可以推出，当光束照射至微粒，光子的动量变化量与微粒的动量变化量相等，所以光束对微粒存在力学作用，称为光辐射压，光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较大处的梯度力，在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。

激光聚焦可形成的光阱，令微小物体受光压而被束缚在光阱处，由于光阱使用无形的光束来实现对微粒非机械接触捕获，不会产生机械损伤，同时光阱的机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度，是“遥控”的操作，因而几乎不影响粒子的周围环境，由于光阱的非接触特性，其可以克服传统机械测量装置中机械摩擦的干扰，从而获得高的探测精度，然而，微纳粒子作为光阱的捕获介质，其形态与表面粗糙度决定了光阱测量装置的探测精度。

微粒被捕获的本质，是光阱与微粒相互作用时光子动量的转移，光子动量的转移产生了光压，该光压可以克服微粒的重力将其悬浮于空中，而光子动量的转移来源于微粒与周围介质具有不同的折射率，光照射于在微球表面发生了折射与反射，而反射和折射与微粒形状与表面粗糙度有关，进而形成了包含微粒形状信息的散射光场。

光阱测量装置可以用在很多领域，如光阱加速度计（陈晶,胡慧珠,白剑,舒晓武,刘承.利用双光束悬浮光阱测量加速度的装置，CN101320049A）。在这些光阱测量装置中，对物理量的测量往往通过对微粒散射光场的测量来完成，而散射光场的分布与微粒形状和表面粗糙度有关，因此，若无法对微粒形状或与表面粗糙度进行控制，则难以实现高精度的测量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于光阱的微粒形状及表面粗糙度检测装置及方法。

一种基于光阱的微粒形状及表面粗糙度检测装置，包括三个模块：微粒输入模块、光阱捕获模块、光场探测模块；

微粒输入模块包含传输装置，用于存储待测微粒并将之传送至光阱中完成捕获；

光阱捕获模块用来将待测微粒稳定捕获在光阱平衡点处，通过将一束激光经过准直扩束与聚焦后，形成强梯度力光阱，使得输入的待测微粒被稳定捕获；

光场探测模块用以收集和处理待测微粒与光场作用后的透射光，具有一个高数值孔径的物镜或者非球面透镜对待测微粒散射光进行收集，同时使用一块光束质量分析仪对传输的光场分布进行分析，从而完成对待测微粒形态与表面粗糙度的检测。

所述的微粒输入模块：待测微粒置于密闭或开放的空间中，空间内是液体、空气或真空，而微粒传送装置则根据不同环境进行相应设计，在液体环境中，通过一个微流通道将微粒传送至光阱捕获场中，而在气体或真空中，则使用压电陶瓷振动微粒或者脉冲激光冲击的方式将微球抛送至光阱场中。

所述的光阱捕获模块包括激光器、隔离器、准直透镜L1、反射镜M1、反射镜M2、透镜L2、透镜L3、反射镜M3、物镜OBJ；

激光器发出激光，即初始捕获光束，经准直透镜L1准直为平行光，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L2、透镜L3扩束，经反射镜M3反射，进入物镜OBJ后形成高聚焦光阱完成对微粒的捕获。

所述的光场探测模块依次包括汇聚透镜L4与光束质量分析仪；

高数值孔径透镜L4将高聚焦激光准直为平行光，该平行光经光束质量分析仪进行探测与收集，完成对透射光场模式与光场强度分布的测量，进而分析出微粒的形貌特征。

所述的微粒为尺寸在纳米到微米量级的光学均匀透明微粒，能够在相应环境中被捕获光稳定捕获，形状为球形、圆柱形以及方形。

所述的捕获微粒空间是光学均匀介质，激光器发出的激光能均匀通过。

一种根据所述的装置进行微粒形状与粗糙度测量的方法，首先利用捕获光阱模块将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，再通过光束质量分析仪收集微粒与光阱相互作用后的光场，然后根据不同的透射光场分布推算出微粒形状与表面粗糙度信息。

本发明的有益效果，

利用微粒在光场中的散射光场，提出了一种检测微粒表面形状和粗糙度的方法，可以完成对微粒形状与表面粗糙度的测量，进而筛选出特定形貌微粒，用以实现光阱中的高精度测量。

附图说明

图1是本发明的一个结构框图。

图2是本发明实现的一个光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

参照图1，一种高灵敏度光阱测量装置，包括三个模块：微粒输入模块、光阱捕获模块、光场探测模块；

需要检测微粒时，首先打开光阱捕获模块，将光束准直聚焦后，使初始捕获光可以形成光阱平衡点。完成准备上述工作后，可以将打开微粒输入模块，将待检测微粒输送至光阱捕获区域，利用光阱捕获模块将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，再打开光场探测模块，利用准直透镜收集微粒散射光，从而得到微粒形状与表面粗糙度信息。

所述的微粒输入模块包括了待测微粒与微粒传送装置，待测微粒置于密闭或开放的空间中，空间内可以是液体、空气或真空，而微粒传送装置则可根据不同环境进行相应设计，在液体环境中，可以通过一个微流通道将微粒传送至光阱捕获场中，而在气体或真空中，则可以使用压电陶瓷震动微粒或者脉冲激光冲击将微球抛送至光阱场中。

参照图2，所述的初始捕获光阱模块包括激光器、隔离器、准直透镜L1、反射镜M1、反射镜M2、透镜L2、透镜L3、反射镜M3、物镜OBJ；激光器发出激光，即初始捕获光束，经准直透镜L1准直，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L2、透镜L3扩束，经反射镜M3反射，进入物镜OBJ后，在聚焦光斑处实现对微粒的捕获。

所述的光场探测模块包括透镜L4与光束质量分析仪BC；聚焦高斯光照射至微球上时，微球形状及其表面粗糙度导致散射光场与透射光场产生变化，通过光束质量分析仪检测变化后光场分布，从而判断微粒的表面粗糙度。

具体实施步骤如下：在进行微粒捕获前，先进行光路对准，打开激光器，同时观察光束质量分析仪上的光斑形状，此时光斑形状应该是完美的高斯光光场分布，通过调节反射镜可以将高斯光斑移动到光束质量分析仪中间，此时将微粒输送至光阱捕获区域，由于微粒与光场的相互作用，光束传输场分布将会发生变化，对于不同形状的微粒，那么经过微球作用后的光场存在不同的光场分布模式，除此之外，若微粒表面存在不规则的突块或凹坑，则微粒表面粗糙度将导致经过微粒后光场产生畸变，通过对光束质量分析仪测量的透射光场分布进行分析，可以检测出微球表面粗糙程度与形状，从而完成对微粒的筛选。

所述的微粒输入模块包括输入装置以及微粒，样品池内设有微粒存储装置，可以操控微粒在小范围内移动，令其进入光阱捕获装置，微粒输入模块内可以是液体、空气或真空，在液体环境中，可以通过一个微流通道将微球传输至光阱捕获场中，而在气体或真空中，则可以使用压电陶瓷起振或脉冲光冲击将微微粒抛至光阱场中。

所述的光场探测模块依次包括准直透镜L4、光束质量分析仪。光束质量分析仪输出的散射光场分布信号可以通过计算机进行观察。

实验时利用光阱捕获模块将进入光阱的微粒稳定捕获在光阱平衡点处，再打开光场探测模块，利用光束质量分析仪对与微粒作用后光场进行分析处理，从而获取微粒形状与表面粗糙度信息。

所述的微粒为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微粒，能够在相应环境中被捕获光稳定捕获。

所述的捕获环境是光学均匀介质，激光器发出的激光能均匀通过。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于光阱的微粒形状及表面粗糙度检测装置，其特征是，包括三个模块：微粒输入模块、光阱捕获模块、光场探测模块；

微粒输入模块包含传输装置，用于存储待测微粒并将之传送至光阱中完成捕获；

光阱捕获模块用来将待测微粒稳定捕获在光阱平衡点处，通过将一束激光经过准直扩束与聚焦后，形成强梯度力光阱，使得输入的待测微粒被稳定捕获；

光场探测模块用以收集和处理待测微粒与光场作用后的散射光与透射光，具有一个高数值孔径的物镜或者非球面透镜对待测微粒散射光进行收集，同时使用一块光束质量分析仪对传输的光场分布进行分析，从而提取透射光成分以完成对待测微粒形态与表面粗糙度的检测；

所述的微粒为尺寸在纳米到微米量级的光学均匀透明微粒，能够在相应环境中被捕获光稳定捕获，形状为球形、圆柱形以及方形。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的微粒输入模块：待测微粒置于密闭或开放的空间中，空间内是液体、空气或真空，而微粒传送装置则根据不同环境进行相应设计，在液体环境中，通过一个微流通道将微粒传送至光阱捕获场中，而在气体或真空中，则使用压电陶瓷振动微粒或者脉冲激光冲击的方式将微球抛送至光阱场中。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的光阱捕获模块包括激光器、隔离器、准直透镜L1、反射镜M1、反射镜M2、透镜L2、透镜L3、反射镜M3、物镜OBJ；

激光器发出激光，即初始捕获光束，经准直透镜L1准直为平行光，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L2、透镜L3扩束，经反射镜M3反射，进入物镜OBJ后形成高聚焦光阱完成对微粒的捕获。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的光场探测模块依次包括汇聚透镜L4与光束质量分析仪；

高数值孔径透镜L4将高聚焦激光准直为平行光，该平行光经光束质量分析仪进行探测与收集，完成对透射光场模式与光场强度分布的测量，进而分析出微粒的形貌特征。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的捕获微粒空间是光学均匀介质，激光器发出的激光能均匀通过。

6.一种根据权利要求1所述的装置进行微粒形状与粗糙度测量的方法，其特征是，首先利用捕获光阱模块将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，再通过光束质量分析仪收集微粒与光阱相互作用后的光场，然后根据不同的透射光场分布推算出微粒形状与表面粗糙度信息。

Images