基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置。悬浮装置包括单光束悬浮模块、真空模块与起支模块，其中，单光束悬浮模块用以构造自下向上传输的聚焦激光，该激光作用于待悬浮微粒上，在微粒两侧产生温度差，产生的光致加热作用力可以克服微粒重力使之悬浮在空中；真空模块用于控制悬浮微粒周围的气压，使光致加热作用力最大，起支模块用于初始起支微粒，使之自由降落至待捕获区域。本发明专利技术利用光致加热效应完成对微粒的悬浮，克服传统的光阱悬浮只能捕获小尺寸微粒的缺陷，可以实现对较大尺寸微粒的悬浮捕获。

【技术实现步骤摘要】
基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置
本专利技术涉及基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置，通过激光加热微粒使之受到热作用力从而实现悬浮捕获的方法。
技术介绍
对于微粒的悬浮捕获方法，最普遍的方法是利用聚焦激光形成光阱，利用光动量转移产生的光阱力克服微粒重力使之悬浮在空气中，但是基于光阱力的悬浮方法，光动量转移所产生的作用力较小，至多可以悬浮10-20微米尺寸的粒子。除了光动量转移所产生的光阱力，微粒由于而吸收激光被加热后，也将会产生光致加热作用力，其具体原理是：当微粒一侧被激光照射后，被照射一侧将会比未被照射一侧具有更高的温度，对于处于大气或低真空环境中的微粒，更高的温度意味着微粒与周围环境分子具有更剧烈的碰撞，从而在高温一侧产生更大的分子碰撞力，通过控制加热激光从下至上照射微粒，可以使微粒获取向上的作用力从而克服其重力，使微粒可以悬浮在空气中。对于微粒受到的光致加热作用力，其作用力大小与微粒内温度梯度以及环境压强有关，其具体的表达形式由论文给出（MonteiroF,LiW,AfekG,etal.Forceandaccelerationsensingwithopticallylevitatednanogrammassesatmicrokelvintemperatures[J].2020.）光致加热作用力满足公式1：式中，△T表示温度梯度，mg表示空气分子质量，Tg表示空气分子温度，η表示空气粘度系数，γ表示空气碰撞适应系数，p表示环境压强，表示微粒获得最大光致加热作用力时的压强。
技术实现思路
为了克服传统光阱难以捕获大尺寸微粒的缺陷，本专利技术提出了一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法及装置。一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法，1）在进行捕获前，调节加热激光与聚焦透镜位置，令加热激光聚焦于起支模块下方，打开激光器，产生可以稳定悬浮微粒的光场区域；所述的聚焦透镜与起支模块位于真空腔内，真空腔设有真空泵用以调节真空腔内压强；2）在起支装置的玻片上放置一批待捕获微粒，关闭真空腔后打开真空泵，调节腔内压强使得光致加热产生最大作用力；3）打开起支装置，粘附在起支模块上的微粒被振离玻片下表面，在重力作用下降落至光场区域从而实现悬浮。一种采用所述方法的光致加热悬浮捕获大尺寸微粒的装置，包括单光束悬浮模块、真空模块与起支模块。所述的单光束悬浮模块包括激光器、反射镜与聚焦透镜，其中激光器用于发射可加热微粒的激光，加热激光的波长需根据待悬浮微粒材料进行选择，使得待捕获微粒材料对该波长具有高吸收效率，反射镜用于反射加热激光，使水平方向传输激光改变方向沿竖直方向传输，聚焦透镜用以聚焦加热激光并在其焦点处形成可悬浮微粒区间。所述的起支模块为包括压电陶瓷、位移台、玻片与压电陶瓷驱动信号，用于完成对特定微粒的振动起支，从而使之脱离玻片完成悬浮。所述的真空模块包括真空腔与真空泵，真空腔用于安放聚焦透镜与起支模块，真空泵用以调节真空腔内压强。所述的激光器所选用的波长对于待悬浮捕获粒子具有高吸收系数。所述的待悬浮微粒为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微粒。本专利技术的有益效果：本专利技术具有一般光阱捕获装置所不具有的优势：利用光致加热效应，可以有效在空气或真空中悬浮较大尺寸的微粒，从而可以在更大尺寸量级的微粒上进行相关实验。附图说明图1是本专利技术一种基于光致加热效应稳定捕获微粒的装置模块示意图。图2是本专利技术基于光致加热效应悬浮捕获微粒实现的一个光路图。图3是悬浮装置中起支模块示意图。具体实施方式当微粒因为吸收激光而被加热后，其微粒内部会由于激光加热的存在而产生一个内部温度差，该内部温度差会导致微粒与其两侧环境分子碰撞强度不同，所以会在微粒两侧产生由于温度梯度所导致压力差，该压力差可以克服微粒重力从而使之稳定悬浮在空气或真空环境中。本专利技术采用上述方法，利用光致加热在微粒内部产生的温度差，使环境分子在微粒两侧产生压力差，从而实现微粒悬浮，该方法可以实现纳米至毫米级粒子的捕获。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的阐述。参照图1，所述的基于光致加热的微粒悬浮系统包括三个模块，即单光束悬浮系统，微粒起支模块以及真空系统。参照图1，所述的真空系统主要包含真空腔与真空泵，用以控制微粒捕获时的环境压强，由于光热作用力与压强相关，根据公式1，对于不同的微粒尺寸，光热作用力将会在特定压强条件下达到最大，因此，通过真空泵降低压强从而使光热作用力最大。参照图2，所述的单光束悬浮模块包括激光器1、反射镜2、聚焦透镜3，其中激光器发射的激光经反射镜反射与聚焦透镜聚焦后，可以形成聚焦光斑，从而可以将激光强度有效作用在待捕获微粒上，进而获取足够的光致加热作用力，从而使微粒克服重力悬浮在空气或真空中。激光器1所选择的激光波长需要根据微粒材料进行相应选择，为了获取足够的光致加热效应，应保证微粒对该激光波长具有较高的吸收参数，譬如，若选择的微粒材料二氧化硅，可以使用二氧化碳激光器所产生10.6微米的远红外波长对微粒进行加热。参照图3，所述的起支模块包括玻片1，压电陶瓷2、位移台3以及压电陶瓷驱动4，其中，压电陶瓷驱动产生高频电压作用于压电陶瓷两侧，令压电陶瓷产生高频的振动，玻片通过胶粘或机械固定的方式固定在压电陶瓷上，使之获取与压电陶瓷相同的振动强度，此时在玻片上的待捕获微粒会在高频振动的作用下脱离玻片表面，从而在重力作用下降落至待捕获区间。所述的微粒为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微粒，微粒为球形、圆柱形以及方形。其中，所述的球形微粒半径为纳米至毫米量级，圆柱形微粒长度不超过毫米量级，圆形面半径为纳米至微米量级，方形微粒的长宽高均为纳米至毫米量级。实施例首先可以使用光纤或细棒蘸取少量微粒于玻片下表面，然后关闭真空腔，打开真空泵使环境压强降低至光热作用力最大时的压强区间，然后打开激光器1，随后开启起支模块使微粒脱离基板表面，微粒降落至捕获区域后即可以完成稳定悬浮捕获。最后，上述实施方式仅用于说明而不是限制本专利技术，本领域普通技术人员应当理解，对本专利技术的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利技术的权利要求的保护范围当中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法，其特征是，/n1）在进行捕获前，调节加热激光与聚焦透镜位置，令加热激光聚焦于起支模块下方，打开激光器，产生可以稳定悬浮微粒的光场区域；所述的聚焦透镜与起支模块位于真空腔内，真空腔设有真空泵用以调节真空腔内压强；/n2）在起支装置的玻片上放置一批待捕获微粒，关闭真空腔后打开真空泵，调节腔内压强使得光致加热产生最大作用力；/n3）打开起支装置，粘附在起支模块上的微粒被振离玻片下表面，在重力作用下降落至光场区域从而实现悬浮。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光致加热效应悬浮大尺寸微粒的方法，其特征是，
1）在进行捕获前，调节加热激光与聚焦透镜位置，令加热激光聚焦于起支模块下方，打开激光器，产生可以稳定悬浮微粒的光场区域；所述的聚焦透镜与起支模块位于真空腔内，真空腔设有真空泵用以调节真空腔内压强；
2）在起支装置的玻片上放置一批待捕获微粒，关闭真空腔后打开真空泵，调节腔内压强使得光致加热产生最大作用力；
3）打开起支装置，粘附在起支模块上的微粒被振离玻片下表面，在重力作用下降落至光场区域从而实现悬浮。


2.一种采用如权利要求1所述方法的光致加热悬浮捕获大尺寸微粒的装置，其特征是，包括单光束悬浮模块、真空模块与起支模块。


3.如权利要求2所述的装置，其特征是，单光束悬浮模块包括激光器、反射镜与聚焦透镜，其中激光器用于发射可加热微粒的激光，加热激光的波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文强，李楠，胡慧珠，舒晓武，刘承，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33