CN1830752A - 一种用于金属微粒的激光光镊微细操控方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于金属微粒的激光光镊微细操控方法及装置，属于激光微技术领域。本发明是利用二维扫描振镜系统使激光光束对金属微粒进行圆周扫描，扫描轨迹将金属微粒包含在内，使激光光束的每一个作用点对金属微粒的作用力均指向扫描轨迹的曲率中心，从而利用该力将金属微粒束缚在扫描轨迹的中心，实现对金属微粒操控的方法。所采用的装置包括激光器(5)、聚焦镜(7)、二维运动平台(8)及显微观测系统(9)，还设置有控制激光束扫描运动方向的二维扫描振镜系统(6)。本发明能够利用激光光镊操控技术实现对金属微粒的直接操控，对该操控下的金属粉末实施激光微烧结，可以实现微器件快速成型制造。
Description
技术领域
本发明属于激光微技术领域，根据激光光子动力学基本原理，利用激光光子与物之间的相互作用来实现光操控的方法。
背景技术
自1986年Ashkin·A发明激光光镊技术以来，激光光镊技术得到了迅猛的发展，已经成为捕获和操控微米尺度和生物细胞的有效手段。
传统的激光光镊技术是建立在激光光子动力学原理之上的，通过将微激光束在透明微粒附近聚焦，在聚焦中心附近产生很强的梯度力，形成“光阱”，利用该“光阱”对处于其中的透明微粒的束缚力来实现微粒的激光光镊捕获及操纵，广泛用于细胞和分子水平的生物研究领域之中。传统的激光光镊的操控系统装置主要包括激光器，强聚焦系统，样品操作系统，显微动态观测系统。传统的激光光镊操控技术受到原理性的限制，所操控的对象主要是透明的电介质小球，对于不透明、高反射率的材料如金属微粒还不能够实现直接操控，可以通过在金属微粒外面包覆一层透明的电介质薄膜进行辅助操作。Rodney R.Agayan在Proc.of SPIE Vol.5514，503～513中的发表的文章“Opticalmanipulation of metal-silica hybrid nanoparticles”里面就介绍了这一点。
目前在激光烧结金属粉末的微器件快速成型制造工艺中，对于金属微粒的直接操控可以有效改善激光烧结工艺中的热影响，精密控制烧结宽度以及深度，然而该层透明包覆薄膜对于微器件的结构、强度以及硬度等都有一定的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的激光光镊操控方法无法实现对金属微粒直接操控的缺陷，充分利用金属微粒对激光具有较高反射率这一性质，提出一种用于金属微粒的激光光镊微细操控方法，运用这种方法可以实现对金属微粒的直接操控。
本发明的另一目的是根据本发明提出的方法，提出用于金属微粒的激光光镊微细操控装置。
本发明的用于金属微粒的激光光镊微细操控方法，是利用二维扫描振镜系统使激光光束对金属微粒进行圆周扫描，扫描轨迹将金属微粒包含在内，使激光光束的每一个作用点对金属微粒的作用力均指向扫描轨迹的曲率中心，从而利用该力将金属微粒束缚在扫描轨迹的中心，实现对金属微粒操控的方法；具体步骤如下：
(1)使用显微观测系统选择适当的待操控区域；
(2)通过二维运动平台将待操控微粒移至激光辐照作用区域；
(3)调整二维运动平台高度，使微粒处在激光束腰位置；
(4)打开激光器，利用二维扫描振镜对激光光束运动方向的控制作用，使激光光束围绕微粒进行圆周扫描，将微粒包含在扫描圆周轨迹之内；
(5)保持二维运动平台不动，调整二维扫描振镜的振动方式，使激光束在进行圆周扫描同时作二维阵列运动，阵列的增量在微米量级，调整激光器输出功率，使微粒随着激光束平移的方向运动，同时该微粒被捕获在扫描圆周轨迹之内，实现微粒的搬运；
(6)重新调整激光功率，减小激光对金属微粒的作用力，释放金属微粒。
上述步骤(5)也可由以下步骤替换：开启运动平台，使二维运动平台运动，同时调整激光器输出功率，使被激光束捕获的微粒不随运动平台一起运动，即微粒仍旧处在激光扫描区域内，实现微粒的搬运。
根据本发明的方法设计的操控装置包括：激光器5、二维扫描振镜系统6、聚焦镜7、二维运动平台8及显微观测系统9。其中，激光器发射的激光光束模式为基模高斯光束，即TEMOO模，二维扫描振镜系统的精度为微米量级，二维运动平台的精度为微米量级，显微观测系统可以选择能够进行在线观测的系统。
激光器5的作用是发射激光光源，二维扫描振镜系统6的作用是控制激光束的扫描运动方向，聚焦镜7的作用是将激光器发射出来的激光束会聚成微细激光束，二维运动平台8的作用是载放金属微粒以及控制金属微粒的运动方向，显微观测系统9的作用是辅助精确定位以及在线观测。
由激光器5的发射的激光光束进入二维扫描振镜系统6中，从振镜中出来的激光束被聚焦镜7会聚成微细激光束，该会聚光束辐照在置于二维运动平台8上的金属微粒4上，利用激光光子作用力对该金属微粒实施操控，显微观测系统9的物点对应在金属微粒上，实现辅助精确定位及在线观测。
本发明的工作原理：激光光子辐照在高反射率金属微粒上，大部分的激光光子被反射掉，并且反射光子的运动方向遵循反射定律所确定的方向，该方向相对入射激光光束方向有一定的变化，根据光子动力学原理，光子的运动方向发生了变化，必然受到微粒对它的作用力，同时光子对金属微粒也有一相反方向的反作用力，如果该反作用力足以克服外界的干扰力，那么就可以利用该力实现微粒的捕获、移动等操作。利用二维扫描振镜系统对激光光束扫描运动方向的控制，使激光光束围绕微粒进行圆周扫描，将微粒包含在扫描圆周轨迹之内，此时激光光子对金属微粒的作用力指向圆周轨迹的曲率中心，调整激光器的输出功率，利用该力将金属微粒捕获在扫描圆周区域以内，然后移动二维运动平台或是利用二维扫描振镜系统控制激光束的运动，可以实现微粒的搬移等操作。
应用本发明的方法和装置，能够利用激光光镊操控技术实现对金属微粒的直接操控，对该操控下的金属粉末实施激光微烧结，可以实现微器件快速成型制造。
附图说明
图1为激光光子对金属微粒的光作用力示意图，图中F代表聚焦激光光束1在此时对金属微粒的作用力，F′代表聚焦激光光束运动到位置2时对金属微粒的作用力。
图2为本发明的激光光镊装置的组成示意图；
图示中，1-聚焦激光光束，2-激光光束的位置，3-激光光束扫描轨迹，4-待操控金属微粒，5-激光器，6-二维扫描振镜系统，7-聚焦镜，8-二维运动平台，9-显微观测系统。
具体实施方式
下面结合附图具体说明一下本发明的实施例。
图2为本发明的激光光镊操控装置的组成示意图。根据本发明的方法设计的操控装置包括：激光器5，二维扫描振镜系统6、聚焦镜7，二维运动平台8、显微观测系统9。
其中，激光器5的作用是发射激光光源，聚焦镜7的作用是会聚激光光束，二维扫面振镜系统6的作用是控制激光束的扫描运动方向，二维运动平台8的作用是载放金属微粒以及控制金属微粒的运动方向，显微观测系统9的作用是辅助精确定位以及在线观测。
由激光器5的发射的激光光束进入二维扫描振镜系统6中，从振镜中出来的激光束通过聚焦镜7将激光束会聚成微细激光光束，该会聚光光束辐照在置于二维运动平台8上的金属微粒4上，利用光子作用力对该金属微粒实施操控，显微观测系统9的物点置于该微粒上，实现辅助精确定位及在线观测。
结合本装置在对金属微粒进行操控时，具体操作步骤如下：
(1)使用显微观测系统9对放置于二维运动平台上待操控的金属微粒4进行粗定位；
(2)通过二维运动平台8将待操控微粒移至激光辐照作用区域；
(3)调整二维运动平台8的高度，使激光器发射的激光光束通过聚焦镜7聚焦在放置于二维运动平台8上的金属微粒4上，使微粒处在激光束腰位置；
(4)打开激光器5和二维扫描振镜系统6，利用二维扫描振镜对激光光束运动方向的控制作用，使激光光束围绕待操控金属微粒4进行圆周扫描，将微粒包含在扫描圆周轨迹之内；
(5)保持二维运动平台不动，调整二维扫描振镜的振动方式，使激光束在进行圆周扫描同时作二维阵列运动，阵列的增量在微米量级，调整激光器输出功率，使微粒随着激光束平移的方向运动，同时该微粒被捕获在扫描圆周轨迹之内，实现微粒的搬运；
(6)重新调整激光功率，减小激光对金属微粒的作用力，释放金属微粒。
本发明的操控方法还可以采用另一种实施方式，其他步骤同以上所述，步骤(5)可以由以下步骤代替：开启二维运动平台8，使二维运动平台运动，同时调整激光器输出功率，使被激光束捕获的微粒不随运动平台一起运动，即微粒仍旧处在激光扫描包含区域内，实现微粒的搬运；
本发明的工作原理图参见图1，图1为激光光子对金属微粒的光力作用示意图。根据上述工作原理可知，聚焦的激光束1辐照在金属微粒4上对该微粒产生一个远离光轴方向的作用力F，该力方向即为该点的法线方向，当激光光束运动到2所示的位置时，该激光束同样对金属微粒产生一个沿该点法线作用力F’。现在利用二维扫描振镜系统6的对激光束运动的控制作用使激光束沿着3所示的轨迹进行圆周扫描，该扫描轨迹将金属微粒包含在内，在激光光束的每一个作用点都对金属微粒有一个作用力，该作用力指向扫描轨迹的曲率中心。利用该力可以将金属微粒束缚在扫描轨迹的中心，即可实现金属微粒的激光捕获。
本发明用于金属微粒的激光光镊微细操控方法及装置，不仅仅适用于微米量级的金属微粒，而且适用于其他不透明、对激光有高反射性的材料。
Claims (7)
1、一种用于金属微粒的激光光镊微细操控方法，首先使用显微观测系统选择适当的待操控区域，然后通过二维运动平台将待操控微粒移至激光辐照作用区域，调整二维运动平台高度，使微粒处在激光束腰位置；其特征在于：它是利用二维扫描振镜系统使激光光束对金属微粒进行圆周扫描，扫描轨迹将金属微粒包含在内，使激光光束的每一个作用点对金属微粒的作用力均指向扫描轨迹的曲率中心，从而利用该力将金属微粒束缚在扫描轨迹的中心，实现对金属微粒操控的方法；还包括以下步骤：
1)打开激光器，利用二维扫描振镜系统对激光光束运动方向的控制作用，使激光光束围绕微粒进行圆周扫描，将微粒包含在扫描圆周轨迹之内；
2)保持二维运动平台不动，调整二维扫描振镜的振动方式，使激光束在进行圆周扫描同时作二维阵列运动，阵列的增量在微米量级，调整激光器输出功率，使微粒随着激光束平移的方向运动，同时该微粒被捕获在扫描圆周轨迹之内，实现微粒的搬运；
3)重新调整激光功率，减小激光对金属微粒的作用力，释放金属微粒。
2、一种用于金属微粒的激光光镊微细操控方法，首先使用显微观测系统选择适当的待操控区域，然后通过二维运动平台将待操控微粒移至激光辐照作用区域，调整二维运动平台高度，使微粒处在激光束腰位置；其特征在于：它是利用二维扫描振镜系统使激光光束对金属微粒进行圆周扫描，扫描轨迹将金属微粒包含在内，使激光光束的每一个作用点对金属微粒的作用力均指向扫描轨迹的曲率中心，从而利用该力将金属微粒束缚在扫描轨迹的中心，实现对金属微粒操控的方法；还包括以下步骤：
1)打开激光器，利用二维扫描振镜系统对激光光束运动方向的控制作用，使激光光束围绕微粒进行圆周扫描，将微粒包含在扫描圆周轨迹之内；
2)开启运动平台，使二维运动平台运动，同时调整激光器输出功率，使被激光束捕获的微粒不随运动平台一起运动，即微粒仍旧处在激光扫描区域内，实现微粒的搬运；
3)重新调整激光功率，减小激光对金属微粒的作用力，释放金属微粒。
3、一种用于金属微粒的激光光镊微细操控装置，包括发射激光光源的激光器(5)、将激光器发射出来的激光束会聚成微细激光束的聚焦镜(7)、载放金属微粒的二维运动平台(8)及显微观测系统(9)，其特征在于：在激光器(5)与聚焦镜(7)之间还设置有控制激光束扫描运动方向的二维扫描振镜系统(6)，由激光器(5)发射的激光光束进入二维扫描振镜系统(6)中，再经聚焦镜(7)会聚成微细激光束。
4、根据权利要求3所述的一种用于金属微粒的激光光镊微细操控装置，其特征在于：所述的二维扫描振镜系统(6)的精度为微米量级。
5、根据权利要求3所述的一种用于金属微粒的激光光镊微细操控装置，其特征在于：所述的激光器(5)为发射的激光光束模式为基模高斯光束的激光器。
6、根据权利要求3所述的一种用于金属微粒的激光光镊微细操控装置，其特征在于：所述的二维运动平台(8)的精度为微米量级。
7、根据权利要求3所述的一种用于金属微粒的激光光镊微细操控装置，其特征在于：显微观测系统(9)是能够进行在线观测的系统。
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