CN1166600A - 光悬浮测量系统 - Google Patents

Abstract

一种光悬浮测量系统，用于观测光悬浮状态下微粒位置及运动状态。包括置于显微镜样品台上，底板下带有与音频信号发生器相连的压电陶瓷环，内置有微球的微球室。激光器输出激光束经分束器分成两束光，一束光沿光路I依次经过斩波器、透镜、反射棱镜至微球室，另一束光沿光路Ⅱ依次经过衰减器、反射镜、斩波器、透镜至微球室。在微球室外xyz三维方向上均置有显微镜。本发明的测量系统适用范围广，不仅适用于空气媒质，还适用于液体、真空等媒质中光阱力学性质的测量和微球流体力学特性的测量。

Description

光悬浮测量系统

本发明涉及一种光悬浮测量系统，是用以观测光悬浮状态下微粒位置及运动状态的一种测量系统。

光悬浮研究开创于70年代初，是利用竖直朝上的激光束的辐射压力捕陷透明介质微粒，并使其稳定悬浮于周围的媒质(如空气，水等)中(参见文献：A.Ashkin等人Optical Levitation by Radiation Pressure. Applied Physics Letters，Vol.19，No.9，283～285(1971))。微粒实现稳定悬浮的主要条件有二，一是激光束的中心强周边弱的光强分布(TE₀₀模高斯型分布)对微粒造成趋向于光束轴心的捕陷力，使其不能脱离光束的范围，这就是捕陷作用，二是朝上照射的光束托起微粒使其克服重力而悬浮于空间，这就是推举作用。二十余年来，光悬浮技术得到了很大的发展，以光悬浮原理为基础的“光镊”的研制在细胞生物学，分子遗传学的实验研究上已获得重要应用。虽然如此，光悬浮的基本问题——捕陷力和推举力的计算和测量仍有待进一步研究，因为这些问题的解决不仅具有重要的物理意义，而且将直接促进光悬浮的应用和光镊的设计制作。近年来，已发表了很多关于捕陷力的理论分析文章，但由于实验上的难度较大，已发表的实际测量结果很少。

本发明的目的是针对光悬浮状态下微粒受力测量的困难，提出并设计一种十分简单的测试系统，可以对微粒所受捕陷力及微粒的运动状态进行精密测量。

本发明的核心是分别采用强度调制的纵向推举光束和强度调制的横向驱动光束迫使原处于稳定悬浮状态的介质微粒发生纵向(竖直方向)和横向(水平方向)的振荡运动，从纵向振荡幅度和横向振荡共振频率分别推算出微球的有关空气动力学参数和光学陷阱的横向捕陷力。

测量系统的构成如附图1所示。作为光源的激光器1(可以是输出功率为瓦级的连续气体激光器，如氩离子激光器等)的输出光束被分束器2分为两束光，一束光沿光路I前进，依次经过斩波器3，透镜5，直角反射棱镜6到达其内置有微球17的微球室12，另一束光沿光路II前进，依次经衰减器22，反射镜21，斩波器20，透镜19到达微球室12。在微球室12之外的顶上和二个侧面，即x、y、z三个方向上均置有显微镜如图1所示，x方向置有显微镜11，y方向置有显微镜13，并在显微镜13的投影处设有观测屏幕14，z方向置有显微镜16。微球室12由透明罩18和透明底板10构成，透明罩18和透明底板10均能透过所用激光器1的激光束，比如，可采用光学玻璃或石英玻璃等制成。底板10下置有压电陶瓷环7，压电陶瓷环7与音频信号发生器8之间通过开关9相连。整个微球室12固定于显微镜16的样品平台4上，因此微球室12可以随样品平台作x-y方向两维精密移动。

按照上面所述的结构，先遮住光路II，只使用光路I(暂时不用斩波器3)，前后移动透镜5，使激光束的焦点处于置有很多微球17的透明底板10上，(微球直径在15～20微米范围)，移动微球室位置，使底板10上的微球之一正好进入光束范围，这可通过显微镜16进行观察。调整激光功率到适当水平(功率大小决定于被悬浮的微球的大小)，此时掀按开关9，使预先调整到与微球室12和压电陶瓷环7组成系统的机械共振频率相应的音频信号发生器8的输出电压加在压电陶瓷环7上，强烈的音频振动使微球克服它与底板10之间的范德瓦尔斯吸附力而暂时离开底板10，这时方向朝上的光束即光路I上的光束将微球17之一向上托起，被托起的微球称为悬浮球15，悬浮球15上升到光束的推力与球的重力相等的平衡位置(离开焦点越远光束直径越大，光强越弱，悬浮球15所受推举力越小，因而悬浮球15可以自动找到自己的平衡位置)。再移动透镜5，使悬浮球15随光束焦点的上升移动到足够的高度。在悬浮状态下悬浮球强烈地散射激光束，作为一个明亮耀眼的物体，它被显微镜放大，它的像被投射在观测屏幕14上。这时在光路I中加入斩波器3，开启斩波器3后纵向光束被周期性地遮断，光束遮断时悬浮球15因重力而自由下落，下落的高度Δh与遮断的时间τ及空气阻力的大小有关，斩波器3的叶轮形状设计成遮断时间τ远比通光时间T短，即τ＜T，使得悬浮球15每次下落后都能回升到原来的位置。改变斩波速率从而改变遮断时间τ，可以在观测屏幕14上精密地测量下落高度Δh与τ的关系。在相同的τ下Δh比真正的自由落体(无空气阻力时)的下落高度要小，由实测的Δh-τ曲线可求出任意时刻悬浮球运动的速度

和加速度

，由牛顿力学定律可以推导出悬浮球的空气阻力为

 f_d(v)＝m(g-a)，                  (1)其中m是悬浮球的质量，g是重力加速度。通用的标准空气阻力表达式为 $f_d=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\υ}}^2{\mathrm{AC}}_d,----\left(2\right)$ (1)式与(2)式比较，可以得到标准的空气阻力系数 $C_d=\frac{2m(g-a)}{{\mathrm{\ρ\υ}}^{2}A},----\left(3\right)$ 其中ρ为空气密度， 为悬浮球投影面积，D为悬浮球直径。

不使用斩波器3，也暂不使用斩波器20。光路II的光束到达微球室12后，调整透镜19的方向和z方向位置，使聚焦的光束照射在悬浮球15上。这时可通过显微镜16和13观察到悬浮球15因受横向辐射压力而发生位置的改变。当开启斩波器20，周期性地遮断了横向光束迫使悬浮球15发生横向(x向)振荡，连续改变斩波频率，可以观察到共振现象，即在某一特定调制频率下悬浮球15横向振幅达到极大值。可变衰减器22的作用是调整光束强度使悬浮球不会因光强过强引起振幅过大而逃离纵向光束形成的光阱。

在一级近似下光阱可视为线性力阱，即横向束缚力满足

    f＝-kx，                   (4)(4)式中R为弹性系数，x为横向位移量。按斯托克斯定律，空气中低速运动的球体所受阻力与运动速度成线性关系，

    f＝rv＝6πηRv，           (5)

其中r为阻力系数，η为空气的粘滞系数，R为悬浮球半径，v为悬浮球的运动速度。在这样的条件下，可将悬浮球的运动视为典型的有阻尼的受迫振动，角共振频率满足 ${\mathrm{\ω}}_0^1=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_0^2-2{\mathrm{\β}}^2}----\left(6\right)$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{m}},\mathrm{\β}=\frac{r}{2m}=\frac{3\mathrm{\π\ηR}}{m}$ 称为阻尼系数。由(6)式可以得到 $R=m[{\mathrm{\ω}}_0^2+{\left(\frac{6\mathrm{\π\ηR}}{m}\right)}^2----\left(7\right)$ (7)式中ω₀ ^′2是实验测量的悬浮球振荡共振频率，粘滞系数η可以从手册中查到，这样计算出k值，就确定了一级近似下纵向光束形成的光阱的势能曲线和各种位移下横向束缚力的数值。

本发明的优点是，在光悬浮测量系统中使用纵向调制光提供了一种对微小物体自由坠落现象的直接的、精密的观测系统，从而可对极小颗粒进行空气动力学测量，在已有技术中没有采用调制光的测量方法。这一观测系统可以用于云雨中水滴的运动和尘埃沉降过程的研究，对气象学和环境保护事业有潜在的应用价值。

在本发明的光悬浮测量系统中使用横向调制光提供了一种对光悬浮光阱束缚力的测量系统，已有技术只报导过液体媒质中对光阱束缚力的测量，所用方法十分复杂。本发明适用范围广，不但可以用于测量空气媒气中的光阱的力学性质，还可用于测量液体、真空等其它媒质中的光阱。对光阱力学参数的测量结果可以验证有关的理论计算，并为各类“光镊”的设计制作提供数据。这套光悬浮测量系统的另一优点是构造简单，成本低廉，观察测量直观方便。

附图1是本发明光悬浮测量系统的构成及光路示意图。附图2和附图3分别绘出了用纵向调制光和横向调制光的典型测量结果。

以下对照附图1，结合最佳实施例对本发明作进一步详细说明。实验样品微球17用玻璃制成。激光器1采用氩离子激光器，其输出激光模式为多谱线TEM₀₀横模，输出光斑尺寸为1.4毫米，发散度为0.5毫弧度。光路I上的光束经焦距为5厘米的透镜5后在微球室12内形成直径约为18微米的焦斑。光路II上的光束经焦距为8厘米的透镜19后在微球室12内形成直径为31微米的焦斑。斩波器3及20的斩波频率范围在10～300Hz，斩波器3的通-断比值为5∶1，斩波器20的通断比值为1∶1，可变衰减器22由多片透射率不同的衰减片组成，其光强衰减量可在0～100％范围内逐级跳变。显微镜16的目镜放大倍数为16倍，物镜放大倍数为4倍，显微镜13在观测屏幕14上对微球形成的像的放大倍数为800倍。音频信号发生器8的型号为XD7型。压电陶瓷7是外径为30毫米，内径26毫米，高7毫米的圆环，它的上方粘于透明底板10的下表面，下方粘在显微镜16的样品平台4上，因而可以联同样品台作x-y方向的精密移动。

观测结果：

只使用光路I，用经斩波器3调制的激光束使悬浮球15上下振荡，在观察屏幕14上测量悬浮球15随光束遮断时间τ而变的下落高度Δh，得到如图2所示的曲线a(图2中曲线b是为比较而画出的没有空气阻力时自由落体的曲线)。由曲线a可以看出，悬浮球从加速运动变为匀速运动的过渡区约在1.5ms左右，这个特征时间就是所称的“速度弛豫时间”，是空气动力学的一个重要参数，这一测量结果比已有结果更为精确。当光路I的氩离子激光束功率为850毫瓦时，在微球室12内形成光阱，悬浮球15的直径为20微米，悬浮球15采用光学玻璃制成，玻璃的折射率为1.52，比重为2.61，在光路II的横向光束驱动下，悬浮球15发生横向振荡，振荡的共振频率为132赫，从物理手册查到空气的粘滞系数为18.1×10^-6帕斯卡·秒，根据这些数据由(7)式计算出光阱束缚力的弹性系数为k＝8.6×10^-3克重/秒²。束缚力和势能随位置x变化的曲线如图3所示。图3中曲线a代表束缚力F，单位为10^-11牛顿(N)，曲线b代表势能E，单位为10^-18焦耳(J)。

上述所测得的数据是已有技术中所没有的。

Claims (3)

1.一种观测光悬浮状态下微粒位置及运动状态的光悬浮测量系统，包括由透明罩(18)和透明底板(10)构成的微球室(12)，在微球室(12)内底板(10)上置有微球(17)，在底板(10)下置有通过开关(9)与音频信号发生器(8)相连的压电陶瓷环(7)，微球室(12)置于显微镜(16)的样品台(4)上；作为光源的激光器(1)输出的激光束被分束器(2)分成两束光，一束光沿着光路I前进，依次经透镜(5)，直角反射棱镜(6)至微球室(12)；另一束光沿着光路II前进，依次经衰减器(22)，反射镜(21)，透镜(19)至微球室(12)。其特征在于在光路I上，于分束器(2)与透镜(5)之间置有斩波器(3)；在光路II上，于反射镜(21)与透镜(19)之间置有斩波器(20)。

2.根据权利要求1的一种光悬浮测量系统，其特征在于在微球室(12)外的x、y、z三维方向上均置有显微镜(11)、(13)、(16)，并在其中一只显微镜(13)的投影处置有观测屏幕(14)。

3.根据权利要求1的一种光悬浮测量系统，其特征在于斩波器(3)的叶轮遮断时间τ远比通光时间T短，即τ＜T。

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