CN111986830B - 一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法和装置。激光向薄基板底面照射，激光生成倏逝波作用于薄基板底面吸光产生热膨胀，对微球向上作用力，克服粘附力脱离薄基板上升，进入光阱捕获区域，实现微球在光阱捕获区域被捕获而稳定悬浮；结束后关闭光阱捕获区域的捕获，微球在重力作用下竖直落回到薄基板表面；重复步骤进行可重复光悬浮。本发明能准确控制目标微球脱离基板进入光阱捕获区域的运动状态，实现无损、可重复的光悬浮，提高光捕获微球的质量和效率。

Description

一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法和装置

技术领域

本发明属于光学工程和微粒悬浮领域的一种微粒捕获系统和方法，具体是涉及一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法和装置。

背景技术

常用的微粒初始捕获方案有振动脱附法和喷雾悬浮法。这两种方案均采用了压电振动装置。前者通过压电陶瓷高频振动使干粉状的微粒脱离基板表面，后者则将微粒的悬浮液雾化，使得包裹着微粒的小液滴飘散在自由空间中。这两种方案都是对微粒样品进行随机捕获，需要向光阱区域喷洒过量的微球以保证较高的捕获效率。这些简单的起抛方案光悬浮捕获效率极低，造成大量微球浪费。一旦外界条件扰动导致被捕获的微球从光阱中脱离，便很难对目标微球进行重复捕获，影响光悬浮技术的实用化。目前有专利，专利号CN201710087697.4基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置。专利提出利用脉冲激光使目标微球脱离基板表面到达光阱捕获区域。但是由于脉冲光能量高，脉冲宽度短，照射基板过程中目标微球也同样吸收极高的热量，导致目标微球的结构极易被破坏。因此光悬浮测量领域急需可重复、高精度、无损坏捕获目标微球的方法。

微球与物体表面存在粘附力，包括范德华力、毛细力和静电力等。当微球直径较大时，表面黏附力可忽略不计，为其当微球直径小于100微米时，其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，为自身重力等4个数量级以上。为使微球脱离基面，必须产生巨大的加速度克服粘附力，使微球脱离基面进入光阱捕获区域。

有温度的物体都会向外辐射电磁波，而远场下黑体具有最大的热辐射效率。但当物体之间的间距远小于热辐射波波长时，会发生倏逝波光子的近场隧穿效应，由于倏逝波具有更高的能量密度，此时理论上可以突破普朗克黑体辐射极限，获得极高的近场能量传递效率。近场热辐射的辐射热通量比远场辐射热通量大5～6个数量级，且与间距的6次方成反比。

一般而言，热辐射体间的热辐射传递一般包括两种传递模式。一种是传播波模式，这种模式可以离开发射体的表面，向周围自由传播。另一种是倏逝波模式，这种模式不会向周围自由空间辐射，而是随着距离发射体表面的增大，能力以指数的速度最终衰减为零。传播波对热辐射的贡献是众所周知的，它的最大值就是由普朗克黑体辐射定律推出的斯特潘玻尔兹曼定律决定的，而倏逝波由于不向外传播，所以不会从发射体带走能量，而当热辐射物体间的间隙小到能够产生光子隧道效应时，倏逝波对热传递到贡献便会开始起主导作用，而使得热传递到能量突破斯特潘玻尔兹曼定律，这便是所谓的近场热传递效应。

对于近场的热传递问题，20世纪60年代末，cravalhohe等和Olivei首次提出当热传递等距离小于热辐射等峰值波长(即由韦恩定律给出的峰值波长，只与辐射体的温度有关)时，热传递将会由于倏逝波的耦合而出现明显的增强，这就是所谓的热辐射的近场效应。随后，Polder和Van Hove首次考虑了包括所有倏逝波的近场效应，他们发现两个平行表面间的距离小于热辐射的峰值波长逝，热流会有一个巨大的增加。2008年，MIT的lu hu等人首次在实验上测量了两个平行平板玻璃间的近场热传递，证实了近场热传递可以超出普朗克黑体辐射定律，表面近场效应不仅仅发生在导体间，在介质间的近场效应也得到了实验验证。

现有技术中，准确控制目标微球进入光阱捕获区域，实现单个或多个目标微球无损和重复捕获一直是光悬浮测量领域的技术难点。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法和装置。

本发明的技术方案是：

一、一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法：

薄基板上表面放置微球，微球上方设有光阱捕获区域，薄基板下方设有入射的激光，方法步骤如下：

S1、激光向薄基板底面照射，利用激光生成的倏逝波作用于薄基板底面，根据倏逝波的近场热效应，使得薄基板吸收激光产生热膨胀，对薄基板上的微球产生向上作用力，微球产向上加速度移动，微球克服薄基板上表面的粘附力脱离薄基板上升；通过调节激光的光功率控制微球脱离薄基板的速度及最高上升位置，使得微球的最高上升位置位于光阱捕获区域，微球上升后进入光阱捕获区域，光阱捕获区域中竖直向上的光阱梯度力与微球所受的竖直向下的重力相平衡，实现微球在光阱捕获区域被捕获而稳定悬浮；

S2、待微球在光阱捕获区域的稳定悬浮结束后，关闭光阱捕获区域对微球的捕获，微球在重力作用下竖直落回到薄基板表面；

S3、重复上述步骤进行下一次倏逝波的处理控制，从而实现目标微球的无损准确可重复光悬浮。

所述的薄基板上表面放置一个或多个目标微球，目标微球和薄基板表面存在粘附力。

所述的薄基板的厚度不大于倏逝波的穿透深度，薄基板为高膨胀系数、高弹性系数、低折射率的材料，应采用类似于薄膜的具体有大的拉伸强度，性能稳定的材料，具体可以为TPU薄膜材料。

二、一种光悬浮装置：

包括激光器、光阑、汇聚透镜、柱状透镜、薄基板、光阱捕获区域；薄基板上放置微球，薄基板上方设有光阱捕获区域，薄基板下方的一侧设有激光器、光阑、汇聚透镜和柱状透镜，激光器出射激光依次经过光阑、汇聚透镜入射到柱状透镜中，柱状透镜的折射率大于薄基板的折射率，在柱状透镜里发生全内反射形成的倏逝波进入薄基板，将薄基板上的微球上脱离移动到光阱捕获区域。

所述的柱状透镜为半圆柱状透镜，半圆柱状透镜的平面柱面紧贴于薄基板的底面。

通过调节的光阑控制入射到薄基板底面的倏逝波的大小。

所述的汇聚透镜在光轴方向上移动，控制激光在柱状透镜里的全反射的位置。

所述的薄基板采用光学玻璃材料，所述的柱状透镜采用折射系数大于薄基板的光学玻璃材料。

所述的光阱捕获区域是由两个同轴对射的光束形成。

本发明利用倏逝波的近场效应，无需传统的显微成像结构和昂贵的压电振动器件，也克服脉冲光悬浮微球对微球结构的破坏，其简单，高效、准确且无损悬浮目标微球更贴近实际应用的需求，可实现微球的重复捕获，满足实用化悬浮式光镊仪器的要求。

本发明的有益效果是：

本发明利用倏逝波的强度随着穿透深度指数衰减，控制薄基板的高度，使得目标微球不会吸收到其它光热，不会对微球造成破坏。

而且本发明可以准确控制目标微球脱离基板进入光阱捕获区域的运动状态，实现无损、可重复的光悬浮，提高光捕获微球的质量和效率。

本发明与脉冲光起支实现光悬浮的方法相比，本发明的倏逝波作用范围很小，且随着穿透深度成指数倍衰减，小球没有受到杂散光的影响，不会对小球结构造成破坏。光悬浮成功率远高于其它传统的的微球光悬浮方案，可达百分之百。光悬浮过程中不会在捕获光路中产生多余的杂质微球，不会污染真空腔等设备，捕获对捕获光路对原有光场产生影响，并且不需要运动部件。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为倏逝波作用下薄基板受热膨胀过程图；

图3为微球被稳定悬浮后的结构示意图。

图中激光器1，光阑2，汇聚透镜3，柱状透镜4，薄基板5，微球6，光阱捕获区域7。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的描述

如图1所示，具体实施包括激光器1、光阑2、汇聚透镜3、柱状透镜4、薄基板5、光阱捕获区域7；薄基板5上放置微球6，薄基板5上方设有光阱捕获区域7，光阱捕获区域7是由两个同轴对射的光束形成。位于目标微球6的正上方，而且相对位置可调。

薄基板5下方的一侧设有激光器1、光阑2、汇聚透镜3和柱状透镜4，激光器1出射激光依次经过光阑2、汇聚透镜3入射到柱状透镜4中，柱状透镜4的折射率大于薄基板5的折射率，在柱状透镜4里发生全内反射形成的倏逝波进入薄基板5，将薄基板5上的微球6上推脱离移动到光阱捕获区域7。薄基板5受热膨胀，目标的微球6在薄基板5膨胀的位置里受到强的外力作用，克服了目标微球6和薄基板5的黏附力，脱离基板。

薄基板5采用光学玻璃材料，柱状透镜5采用折射系数大于薄基板5的光学玻璃材料。柱状透镜4为半圆柱状透镜，半圆柱状透镜的平面柱面紧贴于薄基板5的底面。

本发明在具体实施中，柱状透镜和薄基板的距离远小于热辐射波波长时，会发生倏逝波光子的近场隧穿效应，倏逝波的高能量密度能够有效的加热薄基板，薄基板吸热快速膨胀，在极短的时间内使微球克服粘附力得到巨大的加速度。至目前，硅、二氧化硅等经典介质表面间的近场热辐射规律已经得到了有效验证。

本发明实施过程中：

待悬浮的目标微球黏附在薄基板表面上，薄基板材料对倏逝波的吸收率和热膨胀系数大，能在短时间内迅速热膨胀。使用捕获激光在薄基板上方形成一个稳定的捕获光阱，光阱区域靠近薄基板表面，相互距离可调。放置在薄基板表面的目标微球由于薄基板吸收倏逝波的近场热量，对目标微球产生向上的力，克服了目标微球和薄基板表面的黏附力脱离薄基板。通过控制激光控制目标微球脱离薄基板表面的速度和上升位置，目标微球进入光阱捕获区域，微球所受的竖直向下的重力与竖直向上的光阱梯度力部分相平衡，实现目标微球的稳定悬浮。

目标微球的稳定悬浮结束后，微球在重力作用下竖直落回到基板表面，等待下一次激光激发，从而实现目标微球的重复无损光悬浮。

光波从光密介质(柱状透镜4，折射率n₁)入射到光疏介质(薄基板5，折射率n₂)，当入射角θ大于临界角时，光波在柱状透镜内发生全反射，根据电磁场理论，倏逝场的表达式为：

E₂(t)＝E₂e^-κzexp[i(ux-wt)]

其中，κ称做吸收系数，u为倏逝波的波数，

式中：λ₁代表柱状透镜里光波的波长，w代表圆频率，c为光速，n₁为柱状透镜折射率，n₂为薄基板的折射率，θ为入射角。

上式的倏逝场代表非均匀波，这一波在x方向是传播，在z方向是指数衰减的，随z的增大振幅衰减的非常快。当振幅衰减到原振幅的e^-1时，相应的值定义为倏逝场的穿透深度：

其中，λ₁代表柱状透镜里光波的波长，n₁为柱状透镜折射率，n₂为薄基板的折射率，θ为入射角，κ称做吸收系数。

应用实施例

如图1所示。入射激光1通过光阑2和汇聚透镜3入射到柱状透镜4中。柱状透镜4内光波波长为λ₁。光波从折射率n₁＝1.7的柱状透镜4入射到折射率为n₂＝1.3的薄基板5中，若入射角θ＝70°，则在光波在柱状透镜4内发生全发射，产生倏逝波。计算得到倏逝波的穿透深度d＝0.29λ₁。所以薄基板5的高度不大于0.29λ₁。

在入射激光照射期间，薄基板5底面快速产生热膨胀，如图2所示，目标微球6脱离薄基板5表面。由于倏逝波振幅随指数衰减，目标微球6并不会吸收倏逝波产生的热能。针对特定位置的光阱捕获区域7，调节入射激光1的入射位置和能量，使得目标微球6到达光阱捕获区域7时速度为零。

如图3所示，当目标微球6被光阱捕获区域7稳定捕获后，关闭入射激光，薄基板表面的热膨胀消失，恢复原样，等待下一次入射激光的作用。

每次光悬浮结束后，目标微球6可在重力的作用下落回到原来的薄基板5上，再次黏附在薄基板5的表面。因此，此装置可以实现目标微球6重复、无损和准确的光悬浮。

Claims (8)

1.一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法，其特征在于：薄基板上表面放置微球，微球上方设有光阱捕获区域，薄基板下方设有入射的激光，方法步骤如下：

S1、激光向薄基板底面照射，利用激光生成的倏逝波作用于薄基板底面，使得薄基板吸收激光产生热膨胀，对薄基板上的微球产生向上作用力，微球克服薄基板上表面的粘附力脱离薄基板上升；通过调节激光的光功率控制微球脱离薄基板的速度及最高上升位置，使得微球的最高上升位置位于光阱捕获区域，微球上升后进入光阱捕获区域，光阱捕获区域中竖直向上的光阱梯度力与微球所受的竖直向下的重力相平衡，实现微球在光阱捕获区域被捕获而稳定悬浮；

S2、待微球在光阱捕获区域的稳定悬浮结束后，关闭光阱捕获区域对微球的捕获，微球在重力作用下竖直落回到薄基板表面；

S3、重复上述步骤进行下一次倏逝波的处理控制，从而实现目标微球的无损准确可重复光悬浮；

所述的薄基板的厚度不大于倏逝波的穿透深度。

2.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波的无损准确可重复捕获微球的方法，其特征在于：所述的薄基板上表面放置一个或多个目标微球。

3.一种实现权利要求1-2任一所述方法的光悬浮装置，其特征在于：

包括激光器（1）、光阑（2）、汇聚透镜（3）、柱状透镜（4）、薄基板（5）、光阱捕获区域（7）；薄基板（5）上放置微球（6），薄基板（5）上方设有光阱捕获区域（7），薄基板（5）下方的一侧设有激光器（1）、光阑（2）、汇聚透镜（3）和柱状透镜（4），激光器（1）出射激光依次经过光阑（2）、汇聚透镜（3）入射到柱状透镜（4）中，柱状透镜（4）的折射率大于薄基板（5）的折射率，在柱状透镜（4）里发生全内反射形成的倏逝波进入薄基板（5），将薄基板（5）上的微球（6）上脱离移动到光阱捕获区域（7）。

4.根据权利要求3所述的光悬浮装置，其特征在于：所述的柱状透镜（4）为半圆柱状透镜，半圆柱状透镜的平面柱面紧贴于薄基板（5）的底面。

5.根据权利要求3所述的光悬浮装置，其特征在于：通过调节的光阑（2）控制入射到薄基板（5）底面的倏逝波的大小。

6.根据权利要求3所述的光悬浮装置，其特征在于：所述的汇聚透镜（3）在光轴方向上移动，控制激光在柱状透镜（4）里的全反射的位置。

7.根据权利要求3所述的光悬浮装置，其特征在于：所述的薄基板（5）采用光学玻璃材料，所述的柱状透镜（5）采用折射系数大于薄基板（5）的光学玻璃材料。

8.根据权利要求3所述的光悬浮装置，其特征在于：所述的光阱捕获区域（7）是由两个同轴对射的光束形成。

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