本發(fā)明涉及一種基于脈沖激光的精確控制微球進(jìn)行光懸浮的方法及裝置，屬于光學(xué)工程以及微顆粒懸浮領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

氣體或真空的環(huán)境下微粒的快速起拋和捕獲是光懸浮領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的壓電陶瓷高頻振動(dòng)起拋方案和超聲霧化起拋方案，需要在自由空間中拋灑大量微球，微球經(jīng)過捕獲區(qū)域時(shí)有一定的概率被光阱捕獲。這些簡(jiǎn)單直接的起拋方式便于物理研究和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的開展，但由于微球的光懸浮捕獲效率極低，造成大量微球的浪費(fèi)，而未被捕獲的雜質(zhì)微球會(huì)污染光懸浮光路的出光面，如透鏡表面或光纖端面，影響捕獲光場(chǎng)的分布；在真空腔裝置中，殘留的雜質(zhì)微球和起拋所用的噴霧溶劑還會(huì)污染真空腔內(nèi)部環(huán)境，破壞真空條件。一旦外界條件擾動(dòng)導(dǎo)致被捕獲的微球從光阱中脫離，便很難對(duì)目標(biāo)微球進(jìn)行重復(fù)捕獲，影響光懸浮技術(shù)的實(shí)用化。

我們也曾經(jīng)公開一種光懸浮式微球的起支方法及裝置（cn105759074a），主要利用電磁碰撞實(shí)現(xiàn)微球脫離和懸浮。

當(dāng)微粒的尺寸小于100微米時(shí)，微粒與基板表面的黏附力包括范德華力、毛細(xì)力和靜電力等。微粒與基片表面的黏附力大小受環(huán)境濕度、基片表面形貌、微球和基片材料和幾何特性等因素影響，其大小為微球自身重力的10⁴倍以上的數(shù)量級(jí)。為了使微球脫離基板表面，需要提供巨大的加速度。

隨著光懸浮研究的不斷發(fā)展，人們逐步將光懸浮技術(shù)應(yīng)用到慣性測(cè)量領(lǐng)域。不同于物理實(shí)驗(yàn)研究，在工程化應(yīng)用中，我們需要在精確控制傳感微球的前提下實(shí)現(xiàn)快速、可重復(fù)的光懸浮，才能保證測(cè)量結(jié)果的一致性。傳統(tǒng)的微球光懸浮方法顯然無法滿足這樣的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于脈沖激光的精確控制微球進(jìn)行光懸浮的方法及裝置。

一種基于脈沖激光的精確控制微球進(jìn)行光懸浮的方法，利用脈沖激光作用于基板表面，基板吸收脈沖激光，產(chǎn)生熱膨脹，對(duì)基板表面的目標(biāo)微球產(chǎn)生加速度；目標(biāo)微球克服基板表面的黏附力脫離表面；通過控制脈沖激光控制目標(biāo)微球脫離基板表面的速度和上升位置，目標(biāo)微球進(jìn)入光阱捕獲區(qū)域，微球所受的豎直向下的重力與光阱力豎直向上的分量平衡，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微球的穩(wěn)定懸浮。

所述的目標(biāo)微球的穩(wěn)定懸浮結(jié)束后，回到基板表面，等待下一次脈沖激光的激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微球的重復(fù)光懸浮。

所述的基板表面放置一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)微球。

所述的脈沖激光的光斑、脈沖能量、脈沖寬度、脈沖頻率和個(gè)數(shù)可調(diào)控。

一種實(shí)現(xiàn)根據(jù)所述方法的光懸浮裝置，包括基板、脈沖激光器、反射鏡、光闌和匯聚透鏡；所述的基板表面放置一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)微球，所述的脈沖激光器出射脈沖激光依次經(jīng)過反射鏡、光闌和匯聚透鏡，聚焦到基板的表面，光束的光斑覆蓋目標(biāo)微球所在的區(qū)域；所述的光闌用于控制入射到基板表面的脈沖光的光斑尺寸；所述的匯聚透鏡可在光軸方向上移動(dòng)，控制脈沖激光匯聚焦點(diǎn)的位置。

光阱捕獲區(qū)域位于目標(biāo)微球的正上方，而且相對(duì)位置可調(diào)。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

本發(fā)明可針對(duì)單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)微球光懸浮前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)微球的重復(fù)捕獲，光懸浮所需時(shí)長極短，取決于脈沖光源作用的時(shí)間，僅為納秒量級(jí)或者更小。光懸浮成功率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的微球光懸浮方案，可達(dá)百分之百。光懸浮過程中不會(huì)在捕獲光路中產(chǎn)生多余的雜質(zhì)微球，不會(huì)污染真空腔等設(shè)備，不會(huì)對(duì)捕獲光路原有光場(chǎng)產(chǎn)生影響，并且不需要運(yùn)動(dòng)部件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為脈沖激光照射過程中某一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為微球被穩(wěn)定懸浮后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，基板1、目標(biāo)微球2、脈沖激光器3、反射鏡4、光闌5、匯聚透鏡6、光阱捕獲區(qū)域7。

具體實(shí)施方式

脈沖激光作用于基板表面使其快速產(chǎn)生熱膨脹，能快捷有效地去除基板表面的微球。雖然基板表面的熱膨脹量很小，但在極短的脈沖作用時(shí)間內(nèi)（通常為幾十納秒），便能對(duì)微球產(chǎn)生足以克服黏附力的巨大加速度。這種技術(shù)手段，已被廣泛應(yīng)用于激光清洗領(lǐng)域，雜質(zhì)微粒的尺寸從幾十微米到幾十納米，雜質(zhì)微粒的材料有金屬材料、有機(jī)材料和介電材料等。但是激光清洗應(yīng)用只考慮雜質(zhì)清除效率，不考慮對(duì)微粒的損害，更不關(guān)心微粒去除之后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

我們借鑒了這種技術(shù)手段，將其應(yīng)用到微球光懸浮和光阱控制領(lǐng)域，可以精確控制目標(biāo)微球脫離基板后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速、可重復(fù)的光懸浮，減少光懸浮所需的時(shí)間，提高光懸浮的成功率。

本發(fā)明的一種基于脈沖激光的精確控制微球進(jìn)行光懸浮的方法，待懸浮的目標(biāo)微球黏附在基板表面上，基板材料對(duì)脈沖激光的吸收率和熱膨脹系數(shù)較大，能在脈沖作用時(shí)間內(nèi)迅速產(chǎn)生熱膨脹。使用捕獲激光在基板上方形成一個(gè)穩(wěn)定的捕獲光阱，光阱區(qū)域靠近基板表面，相互距離可調(diào)。

利用脈沖激光作用于基板表面，基板吸收脈沖激光，產(chǎn)生熱膨脹，對(duì)基板表面的目標(biāo)微球產(chǎn)生加速度；目標(biāo)微球克服基板表面的黏附力脫離表面；通過控制脈沖激光控制目標(biāo)微球脫離基板表面的速度和上升位置，目標(biāo)微球進(jìn)入光阱捕獲區(qū)域，微球所受的豎直向下的重力與光阱力豎直向上的分量平衡，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微球的穩(wěn)定懸浮。

所述的目標(biāo)微球的穩(wěn)定懸浮結(jié)束后，回到基板表面，等待下一次脈沖激光的激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微球的重復(fù)光懸浮。

以下結(jié)合附圖進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行闡述。

如圖1所示，一種實(shí)現(xiàn)根據(jù)所述方法的光懸浮裝置，包括基板1、脈沖激光器3、反射鏡4、光闌5和匯聚透鏡6；所述的基板1表面放置一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)微球2，所述的脈沖激光器3出射脈沖激光依次經(jīng)過反射鏡4、光闌5和匯聚透鏡6，聚焦到基板1的表面，光束的光斑覆蓋目標(biāo)微球2所在的區(qū)域；所述的光闌5用于控制入射到基板表面的脈沖光的光斑尺寸；所述的匯聚透鏡6可在光軸方向上移動(dòng)，控制脈沖激光匯聚焦點(diǎn)的位置。

基板1的材料對(duì)脈沖光的吸收率和熱膨脹系數(shù)較大，可選用硅材料，基板1的表面清潔干凈，沒有除目標(biāo)微球以外的雜質(zhì)。

目標(biāo)微球2為微米或納米量級(jí)的微球，可為金屬材料、有機(jī)材料或介電材料，可被普通光阱捕獲，通常選用二氧化硅微球。

脈沖激光器3的波長可選取紫外波段，可采用氪化氟krf準(zhǔn)分子激光器，波長為248nm，脈沖寬度為30ns，單個(gè)脈沖的能量、寬度、頻率和個(gè)數(shù)可調(diào)。

所述的反射鏡4和匯聚透鏡6適用于脈沖激光所在波段。比如反射鏡4對(duì)248nm波長的光反射率高，吸收損耗小。比如匯聚透鏡6對(duì)248nm波長的光透過率高，吸收損耗小，可將脈沖激光聚焦在基板1的表面。

光闌5用于控制入射到基板表面的脈沖光的光斑尺寸。

光阱捕獲區(qū)域7可通過兩束980nm單模激光對(duì)向傳輸?shù)玫剑拷繕?biāo)微球2，光阱捕獲區(qū)域下邊緣可與目標(biāo)微球2上表面相距幾個(gè)微米，相對(duì)位置可微調(diào)。

應(yīng)用實(shí)施例

如圖1所示，目標(biāo)微球2黏附在基板1表面，打開脈沖激光器3，脈沖光依次經(jīng)過反射鏡4、光闌5和匯聚透鏡6聚焦后，照射在基板1表面。如圖2所示，脈沖光照射期間，基板1表面迅速產(chǎn)生熱膨脹，目標(biāo)微球2逐漸脫離基板1表面，目標(biāo)微球2受到基板1的黏附力逐漸減小直至目標(biāo)微球2完全脫離基板1的表面。針對(duì)特定位置的光阱捕獲區(qū)域7，調(diào)節(jié)單個(gè)脈沖光的能量、寬度和入射光斑，使目標(biāo)微球2到達(dá)光阱捕獲區(qū)域7時(shí)速度為零。如圖3所示，脈沖激光作用結(jié)束后，基板1表面的熱膨脹消失，目標(biāo)微球2被捕獲激光穩(wěn)定捕獲，實(shí)現(xiàn)快速的光懸浮。每次光懸浮結(jié)束后，目標(biāo)微球2可以在重力作用下回到原來的基板1接觸區(qū)域，再次被黏附力吸附在基板1表面，等待下一次脈沖激光的激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微球2的可重復(fù)光懸浮。