[發明專利]基于脈沖激光的精確控制微球進行光懸浮的方法及裝置

在審

• 申請號: 201710087697.4
• 申請日: 2017-02-18
• 公開（公告）號: CN106935307A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 傅振海;胡慧珠;葛曉佳;舒曉武;劉承
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00;G02B27/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種基于脈沖激光的精確控制微球進行光懸浮的方法及裝置。利用脈沖激光作用于基板表面，基板吸收脈沖激光，產生熱膨脹，對基板表面的目標微球產生加速度；目標微球克服基板表面的黏附力脫離表面；通過控制脈沖激光，控制目標微球脫離基板表面的速度和上升位置，目標微球進入光阱捕獲區域，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，實現目標微球的穩定懸浮。光懸浮裝置，包括基板、脈沖激光器、反射鏡、光闌和匯聚透鏡。本發明精確控制目標微球進入光阱捕獲區域的運動狀態，實現單個或多個目標微球的重復捕獲，光懸浮所需時長極短，與脈沖激光作用的時間量級相當，光懸浮成功率高，并且不需要運動部件。

技術領域

本發明涉及一種基于脈沖激光的精確控制微球進行光懸浮的方法及裝置，屬于光學工程以及微顆粒懸浮領域。

背景技術

氣體或真空的環境下微粒的快速起拋和捕獲是光懸浮領域的一個技術難點。傳統的壓電陶瓷高頻振動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，微球經過捕獲區域時有一定的概率被光阱捕獲。這些簡單直接的起拋方式便于物理研究和驗證實驗的開展，但由于微球的光懸浮捕獲效率極低，造成大量微球的浪費，而未被捕獲的雜質微球會污染光懸浮光路的出光面，如透鏡表面或光纖端面，影響捕獲光場的分布；在真空腔裝置中，殘留的雜質微球和起拋所用的噴霧溶劑還會污染真空腔內部環境，破壞真空條件。一旦外界條件擾動導致被捕獲的微球從光阱中脫離，便很難對目標微球進行重復捕獲，影響光懸浮技術的實用化。

我們也曾經公開一種光懸浮式微球的起支方法及裝置（CN 105759074 A），主要利用電磁碰撞實現微球脫離和懸浮。

當微粒的尺寸小于100微米時，微粒與基板表面的黏附力包括范德華力、毛細力和靜電力等。微粒與基片表面的黏附力大小受環境濕度、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倍以上的數量級。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展，人們逐步將光懸浮技術應用到慣性測量領域。不同于物理實驗研究，在工程化應用中，我們需要在精確控制傳感微球的前提下實現快速、可重復的光懸浮，才能保證測量結果的一致性。傳統的微球光懸浮方法顯然無法滿足這樣的需求。

發明內容

本發明提供了一種基于脈沖激光的精確控制微球進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，產生熱膨脹，對基板表面的目標微球產生加速度；目標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微球脫離基板表面的速度和上升位置，目標微球進入光阱捕獲區域，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，實現目標微球的穩定懸浮。

所述的目標微球的穩定懸浮結束后，回到基板表面，等待下一次脈沖激光的激發，從而實現目標微球的重復光懸浮。

所述的基板表面放置一個或多個目標微球。

所述的脈沖激光的光斑、脈沖能量、脈沖寬度、脈沖頻率和個數可調控。

一種實現根據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或多個目標微球，所述的脈沖激光器出射脈沖激光依次經過反射鏡、光闌和匯聚透鏡，聚焦到基板的表面，光束的光斑覆蓋目標微球所在的區域；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，控制脈沖激光匯聚焦點的位置。

光阱捕獲區域位于目標微球的正上方，而且相對位置可調。

本發明的有益效果體現在幾個方面：