CN111986829A - 基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置 - Google Patents

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李文强
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Abstract

本发明公开了一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置。悬浮装置包括单光束悬浮模块、真空模块与起支模块，其中，单光束悬浮模块用以构造自下向上传输的聚焦激光，该激光作用于待悬浮微粒上，在微粒两侧产生温度差，产生的光致加热作用力可以克服微粒重力使之悬浮在空中；真空模块用于控制悬浮微粒周围的气压，使光致加热作用力最大，起支模块用于初始起支微粒，使之自由降落至待捕获区域。本发明利用光致加热效应完成对微粒的悬浮，克服传统的光阱悬浮只能捕获小尺寸微粒的缺陷，可以实现对较大尺寸微粒的悬浮捕获。

Description

基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置
技术领域
本发明涉及基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置，通过激光加热微粒使之受到热作用力从而实现悬浮捕获的方法。
背景技术
对于微粒的悬浮捕获方法，最普遍的方法是利用聚焦激光形成光阱，利用光动量转移产生的光阱力克服微粒重力使之悬浮在空气中，但是基于光阱力的悬浮方法，光动量转移所产生的作用力较小，至多可以悬浮10-20微米尺寸的粒子。
除了光动量转移所产生的光阱力，微粒由于而吸收激光被加热后，也将会产生光致加热作用力，其具体原理是：当微粒一侧被激光照射后，被照射一侧将会比未被照射一侧具有更高的温度，对于处于大气或低真空环境中的微粒，更高的温度意味着微粒与周围环境分子具有更剧烈的碰撞，从而在高温一侧产生更大的分子碰撞力，通过控制加热激光从下至上照射微粒，可以使微粒获取向上的作用力从而克服其重力，使微粒可以悬浮在空气中。
对于微粒受到的光致加热作用力，其作用力大小与微粒内温度梯度以及环境压强有关，其具体的表达形式由论文给出（Monteiro F , Li W , Afek G , et al. Force andacceleration sensing with optically levitated nanogram masses at microkelvintemperatures[J]. 2020.）光致加热作用力满足公式1：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，△T 表示温度梯度，m g 表示空气分子质量，T g 表示空气分子温度，η 表示空气粘度系数，γ表示空气碰撞适应系数，p 表示环境压强，
Figure 581350DEST_PATH_IMAGE002
表示微粒获得最大光致加热作用力时的压强。
发明内容
为了克服传统光阱难以捕获大尺寸微粒的缺陷，本发明提出了一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置。
一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法，
1）在进行捕获前，调节加热激光与聚焦透镜位置，令加热激光聚焦于起支模块下方，打开激光器，产生可以稳定悬浮微粒的光场区域；所述的聚焦透镜与起支模块位于真空腔内，真空腔设有真空泵用以调节真空腔内压强；
2）在起支装置的玻片上放置一批待捕获微粒，关闭真空腔后打开真空泵，调节腔内压强使得光致加热产生最大作用力；
3）打开起支装置，粘附在起支模块上的微粒被振离玻片下表面，在重力作用下降落至光场区域从而实现悬浮。
一种采用所述方法的光致加热悬浮捕获大尺寸微粒的装置，包括单光束悬浮模块、真空模块与起支模块。
所述的单光束悬浮模块包括激光器、反射镜与聚焦透镜，其中激光器用于发射可加热微粒的激光，加热激光的波长需根据待悬浮微粒材料进行选择，使得待捕获微粒材料对该波长具有高吸收效率，反射镜用于反射加热激光，使水平方向传输激光改变方向沿竖直方向传输，聚焦透镜用以聚焦加热激光并在其焦点处形成可悬浮微粒区间。
所述的起支模块为包括压电陶瓷、位移台、玻片与压电陶瓷驱动信号，用于完成对特定微粒的振动起支，从而使之脱离玻片完成悬浮。
所述的真空模块包括真空腔与真空泵，真空腔用于安放聚焦透镜与起支模块，真空泵用以调节真空腔内压强。
所述的激光器所选用的波长对于待悬浮捕获粒子具有高吸收系数。
所述的待悬浮微粒为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微粒。
本发明的有益效果：
本发明具有一般光阱捕获装置所不具有的优势：利用光致加热效应，可以有效在空气或真空中悬浮较大尺寸的微粒，从而可以在更大尺寸量级的微粒上进行相关实验。
附图说明
图1是本发明一种基于光致加热效应稳定捕获微粒的装置模块示意图。
图2是本发明基于光致加热效应悬浮捕获微粒实现的一个光路图。
图3是悬浮装置中起支模块示意图。
具体实施方式
当微粒因为吸收激光而被加热后，其微粒内部会由于激光加热的存在而产生一个内部温度差，该内部温度差会导致微粒与其两侧环境分子碰撞强度不同，所以会在微粒两侧产生由于温度梯度所导致压力差，该压力差可以克服微粒重力从而使之稳定悬浮在空气或真空环境中。
本发明采用上述方法，利用光致加热在微粒内部产生的温度差，使环境分子在微粒两侧产生压力差，从而实现微粒悬浮，该方法可以实现纳米至毫米级粒子的捕获。
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。
参照图1，所述的基于光致加热的微粒悬浮系统包括三个模块，即单光束悬浮系统，微粒起支模块以及真空系统。
参照图1，所述的真空系统主要包含真空腔与真空泵，用以控制微粒捕获时的环境压强，由于光热作用力与压强相关，根据公式1，对于不同的微粒尺寸，光热作用力将会在特定压强条件下达到最大，因此，通过真空泵降低压强从而使光热作用力最大。
参照图2，所述的单光束悬浮模块包括激光器1、反射镜2、聚焦透镜3，其中激光器发射的激光经反射镜反射与聚焦透镜聚焦后，可以形成聚焦光斑，从而可以将激光强度有效作用在待捕获微粒上，进而获取足够的光致加热作用力，从而使微粒克服重力悬浮在空气或真空中。
激光器1所选择的激光波长需要根据微粒材料进行相应选择，为了获取足够的光致加热效应，应保证微粒对该激光波长具有较高的吸收参数，譬如，若选择的微粒材料二氧化硅，可以使用二氧化碳激光器所产生10.6微米的远红外波长对微粒进行加热。
参照图3，所述的起支模块包括玻片1，压电陶瓷2、位移台3以及压电陶瓷驱动4，其中，压电陶瓷驱动产生高频电压作用于压电陶瓷两侧，令压电陶瓷产生高频的振动，玻片通过胶粘或机械固定的方式固定在压电陶瓷上，使之获取与压电陶瓷相同的振动强度，此时在玻片上的待捕获微粒会在高频振动的作用下脱离玻片表面，从而在重力作用下降落至待捕获区间。
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，微粒为球形、圆柱形以及方形。其中，所述的球形微粒半径为纳米至毫米量级，圆柱形微粒长度不超过毫米量级，圆形面半径为纳米至微米量级，方形微粒的长宽高均为纳米至毫米量级。
实施例
首先可以使用光纤或细棒蘸取少量微粒于玻片下表面，然后关闭真空腔，打开真空泵使环境压强降低至光热作用力最大时的压强区间，然后打开激光器1，随后开启起支模块使微粒脱离基板表面，微粒降落至捕获区域后即可以完成稳定悬浮捕获。
最后，上述实施方式仅用于说明而不是限制本发明，本领域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，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的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法，其特征是，
1）在进行捕获前，调节加热激光与聚焦透镜位置，令加热激光聚焦于起支模块下方，打开激光器，产生可以稳定悬浮微粒的光场区域；所述的聚焦透镜与起支模块位于真空腔内，真空腔设有真空泵用以调节真空腔内压强；
2）在起支装置的玻片上放置一批待捕获微粒，关闭真空腔后打开真空泵，调节腔内压强使得光致加热产生最大作用力；
3）打开起支装置，粘附在起支模块上的微粒被振离玻片下表面，在重力作用下降落至光场区域从而实现悬浮。
2.一种采用如权利要求1所述方法的光致加热悬浮捕获大尺寸微粒的装置，其特征是，包括单光束悬浮模块、真空模块与起支模块。
3.如权利要求2所述的装置，其特征是，单光束悬浮模块包括激光器、反射镜与聚焦透镜，其中激光器用于发射可加热微粒的激光，加热激光的波长需根据待悬浮微粒材料进行选择，使得待捕获微粒材料对该波长具有高吸收效率，反射镜用于反射加热激光，使水平方向传输激光改变方向沿竖直方向传输，聚焦透镜用以聚焦加热激光并在其焦点处形成可悬浮微粒区间。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的起支模块为包括压电陶瓷、位移台、玻片与压电陶瓷驱动信号，用于完成对特定微粒的振动起支，从而使之脱离玻片完成悬浮。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的真空模块包括真空腔与真空泵，真空腔用于安放聚焦透镜与起支模块，真空泵用以调节真空腔内压强。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的激光器所选用的波长对于待悬浮捕获粒子具有高吸收系数。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的待悬浮微粒为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微粒。
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