CN112967831A

CN112967831A - 一种光阱中微球重复起支与悬浮的方法与装置

Info

Publication number: CN112967831A
Application number: CN202110131877.4A
Authority: CN
Inventors: 李文强; 胡慧珠; 李楠; 陈杏藩; 舒晓武
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-01-30
Filing date: 2021-01-30
Publication date: 2021-06-15

Abstract

本发明公开了一种光阱中微球重复起支与悬浮的方法与装置。通过加热激光聚焦基板表面，利用基板表面的热膨胀对目标微球施加瞬时加速度，令微球克服粘附力脱离基板表面，从而进入光阱悬浮区域实现光悬浮，通过降低悬浮激光光强的方法降低光阱力，使得微球重新降落在基板上，等待下一次的加热激光激发，进而实现微球的重复起支与光悬浮。装置包括激光加热模块、光阱悬浮模块与成像模块，其中，成像模块包含汇聚透镜与CCD，用于观察微球起支与悬浮过程。本发明利用光致加热完成微球起支并进行光阱悬浮，可以实现单个或多个目标微球的重复起支与悬浮，该方法实现光悬浮所需时长极短，悬浮成功率高，能够有效推动光阱传感系统的实用化进程。

Description

一种光阱中微球重复起支与悬浮的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种光阱中微球重复起支与悬浮的方法与装置，属于光学工程以及微颗粒悬浮领域。

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，当光束照射至微球，光子的动量变化量与微球的动量变化量相等，所以光束对微球存在力学作用，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球进行捕捉，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，由于光阱使用高聚焦的激光来实现对微球非机械接触悬浮，不会产生机械损伤，同时光阱的机械部件离悬浮对象的距离都远大于悬浮对象的尺度，是“遥控”的操作，因而微球几乎不受外界环境影响，从而可以利用光悬浮的微球完成对外界物理量的探测，获得高探测精度。

光阱悬浮的前提是将待悬浮微球输送至光阱悬浮区间，现有的方案主要包括振动脱附法和喷雾悬浮法，利用压电振动装置使干粉状或悬浊液中的微球样品迅速脱离存储介质，进入光阱悬浮区域。上述两种方案本质上都是对微球样品进行随机悬浮，需要向光阱区域喷撒过量的样品以保证微球有一定的概率被悬浮。这些简单直接的悬浮方式便于快速开展物理验证实验，但由于微球的光悬浮效率极低，大量未被悬浮的杂质微球会污染附近光路的出光面，如透镜表面或光纤端面，影响悬浮光场的分布；此外，残留的杂质微球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。一旦外部干扰导致被悬浮的微球从光阱中脱离，便很难对其进行重复悬浮；对于真空环境下的高灵敏度传感测量，往往还需要重新降低真空度甚至打开真空腔，在空气环境下重新悬浮微球，并且针对不同的传感微球需要对微球尺寸和光阱刚度等关键参数进行重新标定，影响光阱技术的实用化。

发明内容

本发明的目的是针对现有光阱系统中微球输送方法的不足，提出了一种光阱中微球重复起支与悬浮的方法与装置，能够实现对特定微球的起支及光阱悬浮，同时可以在微球悬浮后进行回收以进行重复起支悬浮，有利于推进光阱传感器件的实用化进程。

一种光阱中微球重复起支与悬浮的方法，利用能对目标基板形成光吸收效应的加热激光，聚焦于装载微球的目标基板，光致加热效应导致目标基板产生热膨胀，从而使得微球在热膨胀作用下获取瞬时加速度，克服微球与基板间的粘附力实现起支；通过调节加热激光的聚焦光斑尺寸、作用时间与光强，控制基板热膨胀程度，使微球在脱离基板后进入光阱悬浮区域，并在光阱力的作用下克服重力实现稳定悬浮；在完成微球起支并实现稳定悬浮后，通过降低悬浮激光光强的方法降低光阱力，使得微球重新降落在基板上，等待下一次的加热激光激发，进而实现微球的重复起支与光悬浮。

所述的基板表面放置有一个或多个微球，通过显微成像系统对基板表面的微球位置进行成像观察，并利用三维位移台移动微球至激光加热区间，从而实现微球起支。

一种采用根据所述的方法实现光阱中微球重复起支与悬浮的装置，包括激光加热模块、光阱悬浮模块以及成像模块：

所述的激光加热模块用于加热基板特定区域，利用基板的热膨胀使粘附于表面的微球获得初始加速度脱离基板表面；

所述的光阱悬浮模块用于构造三维光阱，使得微球能够被稳定悬浮于空气或真空；

所述的成像模块用于对基板表面进行成像，从而完成对微球起支与悬浮的成像观测。

所述的激光加热模块包括一个加热激光器，加热激光器发射加热激光经聚焦透镜聚焦后作用于目标基板区域，通过选择对加热激光具有高吸收系数，对悬浮激光吸收系数较低的基板，该基板在加热激光照射下产生热膨胀从而令粘附与基板表面的微球获取瞬时加速度脱离基板表面，基板对悬浮激光吸收系数较低可以保证悬浮激光能够透过基板从而在其上方形成光阱悬浮区域，基板上载有待悬浮微球，通过调节位移台移动目标微球至加热区间完成起支。

所述的光阱悬浮模块用于悬浮微球于空气或真空中，包括一个高功率激光器，用于发射高功率激光完成微球的光阱悬浮，通过两个准直透镜进行准直扩束后，经反射镜将水平方向激光调节为竖直方向，并使用聚焦物镜构成三维光阱，用于实现微球的悬浮。

所述的成像模块用于对基板表面微球进行成像，其包含汇聚物镜用于收集照明光，并成像于CCD表面以完成对微球的成像观测。

所述的光阱悬浮区域位于目标微球的正上方，保证微球在起支后可以被光阱捕获悬浮。

所述的微球为尺寸介于纳米至毫米量级的球形粒子。

本发明的有益效果体现在几个方面：

本发明针对特定微球实现起支与光悬浮，通过调节加热激光强度与作用时间，实现对热膨胀强度的控制以完成微球的起支悬浮。该方法悬浮微球所需时长极短，取决于加热光源作用的时间，可达毫秒量级或者更小，起支悬浮成功率远高于传统的微球光悬浮方案，可达百分之百，光悬浮过程中不会在悬浮光路中产生多余的杂质微球，因而不会对悬浮光路产生影响。

附图说明

图1是激光加热模块的结构示意图。

图2为光阱悬浮模块与成像模块的结构示意图。

图中，微球1、加热激光器2、聚焦透镜3、基板4、位移台5、高功率激光器6、第一准直透镜7、第二准直透镜8、反射镜9、聚焦物镜10、汇聚物镜11、CCD 12。

具体实施方式

首先对本发明的原理进行阐述。

利用基板材料对远红外激光的吸收，可以聚焦远红外激光于基板表面产生热膨胀，从而对微球施加加速度使之能够克服粘附力实现起支过程，虽然基板吸收热量后其膨胀体积较小，但是在较短的脉冲时间（通常为毫秒量级）内，依然能对微球产生足以克服其粘附力的加速度。

由于基板热膨胀为瞬时变化过程，其产生的瞬时加速度有可能导致微球获取过大初始弹射速度，导致微球被弹出光阱悬浮区域而无法实现激光悬浮，因此需要根据微球的尺寸、材料及其形状估算其与基板间的粘附力，通过调节加热激光的作用强度与作用时间，控制基板的热膨胀效率，使得微球以一定速度脱离基板表面，该初始速度能够保证微球进入光阱悬浮区域，从而在光阱悬浮力作用下克服重力，稳定悬浮于光阱中。

待完成微球的悬浮后，可以降低激光功率使得微球重新降落于基板表面，等待下次的加热激光激发，从而实现目标微球的重复光悬浮。

以下结合附图进一步对本发明进行阐述。

如图1所示，一种实现微球起支与光悬浮的激光加热模块装置示意图，包括待悬浮微球1、加热激光器2、聚焦透镜3、基板4与位移台5；加热激光2经聚焦透镜3汇聚于基板4表面，基板4表面在装载有一个或多个待悬浮微球1，通过位移台5与聚焦透镜3控制加热光斑覆盖目标微球的区域，使得待起支微球1在基板4热膨胀作用下获取足够加速度克服粘附力脱离基板表面从而实现光阱悬浮。

所述的基板4的材料须对加热激光波长具有较高吸收系数，从而保证其能吸收足够激光能量产生热膨胀，同时，其对悬浮激光波长吸收系数应该较小，以保证足够的激光功率透过基板从而实现微球悬浮。譬如选择玻璃作为基板材料，可以选择二氧化碳激光器发射的远红外激光作为加热激光，选择半导体激光器发射的532nm激光作为悬浮激光。

所述的光阱悬浮模块与成像模块如图2所示，光阱悬浮模块依次包括高功率激光器6、第一准直透镜7、第二准直透镜8、反射镜9、聚焦物镜10，其中高功率激光器6用于发射大功率激光以构造光阱，第一准直透镜7、第二准直透镜8组成的准直透镜组用于扩束准直，反射镜9用于调节激光传输方向，使之构造竖直光阱，从而光阱力克服微球1重力使之悬浮在空气中。

所述的准直透镜组、反射镜9与聚焦物镜10应针对对应激光波长进行相应选择，以保证其具有较高的反射率或透射率。

所述的聚焦物镜10的汇聚光斑应略高于基板表面，该聚焦的区域即为微球的悬浮位置，在加热基板产生热膨胀起支微球前应先打开光阱悬浮模块，保证当微球脱离基板表面后可以被光阱悬浮。

如图2所示，所述的成像模块包括汇聚物镜11以及CCD 12，将基板4表面位置成像于CCD，据此可以观测微球悬浮状态，在微球降落至基板后也可以对其进行标定。

所述的微球1为尺寸在纳米到微米量级的光学均匀透明微球。

应用实施例

步骤如下：

1）在进行初次悬浮前，将光阱悬浮模块光束聚焦位置调节至加热区间上方数百微米处，保证聚焦激光略高于加热激光照射区间，并调节成像模块使之可以观测到基板表面微球，同时利用位移台移动载有微球的基板，将基板上微球移动至加热激光照射区域。

2）当需要实现起支悬浮时，首先打开光阱悬浮模块，使之形成可悬浮区域，随后开启加热激光，通过控制激光光强与作用时间，使得基板表面产生使微球恰好克服粘附阻力的热膨胀，令小球脱离玻片表面被光阱悬浮。

3）完成光阱悬浮后，可以回收利用微球使之被重复起支悬浮，具体步骤如下：逐渐降低光阱悬浮模块激光光强，在此过程微球将在光阱中位置逐渐下降，利用成像模块观测微球降落并在基板上标定其位置，随后可以通过步骤1）、2）完成对微球的重复起支悬浮。

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

1.一种光阱中微球重复起支与悬浮的方法，其特征在于，利用能对目标基板形成光吸收效应的加热激光，聚焦于装载微球的目标基板，光致加热效应导致目标基板产生热膨胀，从而使得微球在热膨胀作用下获取瞬时加速度，克服微球与基板间的粘附力实现起支；通过调节加热激光的聚焦光斑尺寸、作用时间与光强，控制基板热膨胀程度，使微球在脱离基板后进入光阱悬浮区域，并在光阱力的作用下克服重力实现稳定悬浮；

在完成微球起支并实现稳定悬浮后，通过降低悬浮激光光强的方法降低光阱力，使得微球重新降落在基板上，等待下一次的加热激光激发，进而实现微球的重复起支与光悬浮。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基板表面放置有一个或多个微球，通过显微成像系统对基板表面的微球位置进行成像观察，并利用三维位移台移动微球至激光加热区间，从而实现微球起支。

3.一种采用根据权利要求1所述的方法实现光阱中微球重复起支与悬浮的装置，其特征在于：包括激光加热模块、光阱悬浮模块以及成像模块：

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的激光加热模块包括一个加热激光器，加热激光器发射加热激光经聚焦透镜聚焦后作用于目标基板区域，通过选择对加热激光具有高吸收系数，对悬浮激光吸收系数较低的基板，该基板在加热激光照射下产生热膨胀从而令粘附与基板表面的微球获取瞬时加速度脱离基板表面，基板对悬浮激光吸收系数较低可以保证悬浮激光能够透过基板从而在其上方形成光阱悬浮区域，基板上载有待悬浮微球，通过调节位移台移动目标微球至加热区间完成起支。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的光阱悬浮模块用于悬浮微球于空气或真空中，包括一个高功率激光器，用于发射高功率激光完成微球的光阱悬浮，通过两个准直透镜进行准直扩束后，经反射镜将水平方向激光调节为竖直方向，并使用聚焦物镜构成三维光阱，用于实现微球的悬浮。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的成像模块用于对基板表面微球进行成像，其包含汇聚物镜用于收集照明光，并成像于CCD表面以完成对微球的成像观测。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的光阱悬浮区域位于目标微球的正上方，保证微球在起支后可以被光阱捕获悬浮。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的微球为尺寸介于纳米至毫米量级的球形粒子。