CN112509724B - 一种光阱微粒的起支方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光阱微粒的起支方法及装置。光阱微粒的起支方法，将样品微粒的悬浮液通过雾化器雾化成微小液滴；液滴通过导流管进入到光阱捕获区域；通过加热导流管使液滴中的溶剂挥发后残留样品微粒；在导流管上端的气流接口引入干燥气流，通过流速控制样品微粒从导流管下端出射的运动速度；导流管的下端出口收缩，其内径尺寸略大于光阱有效捕获区域的特征尺寸，小于微小液滴的特征尺寸，可使单个分散悬浮微粒通过而不让单个悬浮液滴通过。光阱微粒的起支装置，包括雾化器、导流管、气流装置、光阱。本发明可直接将微粒投送到光阱的有效捕获区域，提高光阱起支效率的同时，避免光阱捕获多个微粒的情况，解决杂质微粒污染光阱系统的问题。

Description

一种光阱微粒的起支方法及装置
技术领域
本发明公开了一种光阱微粒的起支方法及装置。
背景技术
在惯性传感仪器中，敏感单元的初始悬浮称为起支，例如在静电悬浮加速度计中，对作为定子的质量块进行悬浮控制之后才能进行惯性测量。起支技术是悬浮式传感仪器的一项实用化关键技术。
空气或真空环境下微粒的快速起抛和捕获一直是光阱领域的一个技术难点。常用的方案有两种，分别是振动脱附法和喷雾悬浮法。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，使包裹着微粒的小液滴飘散到自由空间中。这两种方案适用于不同的应用场景：由于微粒受到的粘附力与其直径的平方成反比，微粒尺寸越小，振动脱附法对压电装置的驱动能力要求越高，该方案仅适用于微米尺寸的微粒；对于尺寸更小的纳米粒子，喷雾悬浮法多采用挥发性较强的溶液（如乙醇），这样液滴里的溶液成分可以被快速挥发而不影响微粒的捕获。
此前，我们也提出了一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置（CN106935307A）。
起支技术在实施过程中，悬浮在空气中的微粒需要进入到光阱的有效捕获区域后，才能被光阱捕获。根据理论计算，光阱的有效捕获区域通常较狭窄（参考文献：Fu Z,She X, Li N, et al. Launch and capture of a single particle in a pulse-laser-assisted dual-beam fiber-optic trap[J]. Optics Communications, 2018, 417:103-109.）。传统的喷雾悬浮法由于无法直接将微粒投送到光阱的有效捕获区域内，其起支效率较低；包裹着微粒的小液滴在传输过程中很容易汇集，导致单个液滴中包含多个微粒的情况；同时，为了保证一定的捕获效率，雾化器需要将大量微粒投送到光阱区域，很容易导致光阱同时捕获多微粒的情况，影响后续的实验；而且大量未被捕获的杂质微粒会污染附近光路的出光面，如透镜表面或光纤端面，影响捕获光场的分布；此外，残留的杂质微粒和起抛所用的喷雾溶剂还会污染真空腔内部环境，破坏真空条件。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种光阱微粒的起支方法及装置。
一种光阱微粒的起支方法，将样品微粒的悬浮液通过雾化器雾化成微小液滴；液滴通过导流管进入到光阱捕获区域；通过加热导流管使液滴中的溶剂挥发后残留样品微粒；在导流管上端的气流接口引入干燥气流，通过流速控制样品微粒从导流管下端出射的运动速度；导流管的下端出口收缩，其内径尺寸略大于光阱有效捕获区域的特征尺寸，小于微小液滴的特征尺寸，可使单个分散悬浮微粒通过而不让单个悬浮液滴通过。
所述的方法，导流管的下端出口对准光阱有效捕获区域并与光阱捕获中心有一定距离，不仅不影响光阱的光场分布，而且同时使样品微粒出射后慢慢减速进入光阱。
所述的方法，雾化器将包含样品微粒的悬浮液雾化成微小液滴，进入到导流管的上端；气流装置出射的干燥气流从导流管的上端接入，将雾化的微小液滴吹入导流管的中段；导流管的中段均匀加热，将管内的微小液滴中的溶剂迅速蒸发，只剩下单分散的样品微粒；导流管的下端口径逐渐收缩，样品微粒在气流的引导下从下端的出口射出，进入光阱有效捕获区域，被光阱捕获；样品微粒进入光阱有效捕获区域的速度由气流装置中的控制阀控制；当光阱捕获微粒时，导流管上的控制栓关闭，阻挡微粒气流继续将微粒输送到光阱捕获区域，防止光阱捕获多个微粒。
所述的方法，样品微粒是已知尺寸、密度和散射特性的光学均匀介质微粒，尺寸为纳米到微米量级。
所述的方法，根据捕获光路的不同，所述的光阱是单光束光阱或者双光束光阱。
所述的方法，将雾化器、导流管安装至真空腔上方，向真空腔内喷样品微粒，通过捕获光路对样品微粒进行捕获，然后真空腔抽真空，进行真空光阱实验。
一种采用所述方法的光阱微粒的起支装置，包括雾化器、导流管、气流装置、光阱；雾化器、气流装置分别与导流管的上端相连通，导流管的中段可以均匀加热，导流管的下部设有控制栓，导流管的下端口径逐渐收缩，光阱位于导流管的下方，气流装置设有控制阀。
所述的导流管的中段选用镍合金电热丝和耐高温硅橡胶组成的加热套。
本发明的有益效果：
本发明直接将微粒投送到光阱的有效捕获区域，提高光阱起支效率的同时，避免光阱捕获多个微粒的情况，解决了杂质微粒污染光阱系统的问题。
附图说明
图1为本发明光阱微粒的起支装置的一种结构示意图；
其中，雾化器1、导流管2、导流管的上端21、导流管的中段22、导流管的下端23、控制栓24、气流装置3、光阱4。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
一种光阱微粒的起支方法，将样品微粒的悬浮液通过雾化器雾化成微小液滴；液滴通过导流管进入到光阱捕获区域；导流管通过加热使液滴中的溶剂迅速挥发，残留样品微粒；导流管上端的气流接口可引入干燥气流，通过流速控制微粒从导流管下端出射的运动速度；导流管的下端出口收缩，其内径尺寸略大于光阱有效捕获区域的特征尺寸，小于微小液滴的特征尺寸，可使单个分散悬浮微粒通过而无法让单个悬浮液滴通过。导流管的下端出口对准光阱的有效捕获区域并与光阱捕获中心有一定距离，不影响光阱的光场分布，同时使微粒出射后可慢慢减速进入光阱。
导流管的下端出口收缩可以提高微粒进入光阱区域的概率，同时控制同一时间内进入光阱区域的微粒的数量；加热导流管可以避免单个微粒汇集成多微粒的现象，同时防止液滴在导流管下端汇集堵塞，使单个微粒顺利从导流管出射；导流管上端引入气流可以控制微粒进入光阱时的速度。本方法直接将微粒投送到光阱的有效捕获区域，提高光阱起支效率的同时，避免光阱捕获多个微粒的情况，解决杂质微粒污染光阱系统的问题。
如图1所示，一种采用所述方法的光阱微粒的起支装置，包括雾化器1、导流管2、气流装置3、光阱4；雾化器1、气流装置3分别与导流管2的上端21相连通，导流管的中段22可以均匀加热，导流管2的下部设有控制栓24，导流管2的下端23口径逐渐收缩，光阱4位于导流管2的下方，气流装置3设有控制阀。
实施例
如图1所示，样品微粒选用直径为150nm的二氧化硅微球，与挥发性较强的无水乙醇溶液混合后得到悬浮液。雾化器1选用超声波雾化器，利用3微米直径左右的网孔将悬浮液雾化成直径为3-5微米的微小液滴；气流装置3选用带有气流控制阀门的压缩干氮气。导流管中段选用镍合金电热丝和耐高温硅橡胶组成的加热套，可将管内温度均匀加热到80-150℃，高于无水乙醇溶液的沸点78℃，同时低于二氧化硅的熔点，使管内的微小液滴迅速蒸发，只剩下单分散的二氧化硅微球。光阱4由1064nm波长激光器出射的聚焦光束形成，其有效捕获区域特征尺寸为几十微米量级。导流管下端出口的内径尺寸为150微米，略大于光阱有效捕获区域的特征尺寸。
上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
比如：1）根据捕获光路的不同，形成的光阱可以是单光束光阱，也可以是双光束光阱。
2）目标微粒是已知尺寸、密度和散射特性的光学均匀介质微粒，尺寸为纳米到微米量级。
3）根据雾化器与光阱区域的距离和相对位置，可以适当延长导流管中段的长度；导流管下端出口位置可以在光阱有效捕获区域的正上方，也可以在侧面或者正下方，只要能使微粒出射后顺利进入光阱捕获区域即可。
4）本方法和装置既可以适用于空气环境下的光阱起支，也可以结合真空腔，进行真空光阱实验。
所述的各技术特征可以进行组合，为使描述简洁，未对各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种光阱微粒的起支方法，其特征在于，将样品微粒的悬浮液通过雾化器雾化成微小液滴；微小液滴通过导流管进入到光阱捕获区域；通过加热导流管使微小液滴中的溶剂挥发后残留样品微粒；在导流管上端的气流接口引入干燥气流，通过流速控制样品微粒从导流管下端出射的运动速度；导流管的下端出口收缩，其内径尺寸略大于光阱有效捕获区域的特征尺寸，小于微小液滴的特征尺寸，可使单个分散悬浮的样品微粒通过而不让单个悬浮的微小液滴通过。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，导流管的下端出口对准光阱有效捕获区域并与光阱捕获中心有一定距离，不仅不影响光阱的光场分布，而且同时使样品微粒出射后慢慢减速进入光阱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，雾化器将包含样品微粒的悬浮液雾化成微小液滴，进入到导流管的上端；气流装置出射的干燥气流从导流管的上端接入，将雾化的微小液滴吹入导流管的中段；导流管的中段均匀加热，将管内的微小液滴中的溶剂迅速蒸发，只剩下单个分散的样品微粒；导流管的下端口径逐渐收缩，样品微粒在气流的引导下从下端的出口射出，进入光阱有效捕获区域，被光阱捕获；样品微粒进入光阱有效捕获区域的速度由气流装置中的控制阀控制；当光阱捕获微粒时，导流管上的控制栓关闭，阻挡微粒气流继续将微粒输送到光阱捕获区域，防止光阱捕获多个微粒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，样品微粒是已知尺寸、密度和散射特性的光学均匀介质微粒，尺寸为纳米到微米量级。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据捕获光路的不同，所述的光阱是单光束光阱或者双光束光阱。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将雾化器、导流管安装至真空腔上方，向真空腔内喷样品微粒，通过捕获光路对样品微粒进行捕获，然后真空腔抽真空，进行真空光阱实验。
7.一种采用根据权利要求3所述方法的光阱微粒的起支装置，其特征在于，包括雾化器（1）、导流管（2）、气流装置（3）、光阱（4）；雾化器（1）、气流装置（3）分别与导流管（2）的上端（21）相连通，导流管的中段（22）可以均匀加热，导流管（2）的下部设有控制栓（24），导流管（2）的下端（23）口径逐渐收缩，光阱（4）位于导流管（2）的下方，气流装置（3）设有控制阀。
8.根据权利要求7所述的起支装置，其特征在于，所述的导流管的中段选用镍合金电热丝和耐高温硅橡胶组成的加热套。
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