[發(fā)明專利]基于光致加熱效應(yīng)懸浮大尺寸微粒的方法及裝置

在審

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• 申請日: 2020-08-07
• 公開（公告）號: CN111986829A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李文強;李楠;胡慧珠;舒曉武;劉承
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發(fā)明公開了一種基于光致加熱效應(yīng)懸浮大尺寸微粒的方法及裝置。懸浮裝置包括單光束懸浮模塊、真空模塊與起支模塊，其中，單光束懸浮模塊用以構(gòu)造自下向上傳輸?shù)木劢辜す猓摷す庾饔糜诖龖腋∥⒘Ｉ希谖⒘蓚?cè)產(chǎn)生溫度差，產(chǎn)生的光致加熱作用力可以克服微粒重力使之懸浮在空中；真空模塊用于控制懸浮微粒周圍的氣壓，使光致加熱作用力最大，起支模塊用于初始起支微粒，使之自由降落至待捕獲區(qū)域。本發(fā)明利用光致加熱效應(yīng)完成對微粒的懸浮，克服傳統(tǒng)的光阱懸浮只能捕獲小尺寸微粒的缺陷，可以實現(xiàn)對較大尺寸微粒的懸浮捕獲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于光致加熱效應(yīng)懸浮大尺寸微粒的方法及裝置，通過激光加熱微粒使之受到熱作用力從而實現(xiàn)懸浮捕獲的方法。

背景技術(shù)

對于微粒的懸浮捕獲方法，最普遍的方法是利用聚焦激光形成光阱，利用光動量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的光阱力克服微粒重力使之懸浮在空氣中，但是基于光阱力的懸浮方法，光動量轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的作用力較小，至多可以懸浮10-20微米尺寸的粒子。

除了光動量轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的光阱力，微粒由于而吸收激光被加熱后，也將會產(chǎn)生光致加熱作用力，其具體原理是：當(dāng)微粒一側(cè)被激光照射后，被照射一側(cè)將會比未被照射一側(cè)具有更高的溫度，對于處于大氣或低真空環(huán)境中的微粒，更高的溫度意味著微粒與周圍環(huán)境分子具有更劇烈的碰撞，從而在高溫一側(cè)產(chǎn)生更大的分子碰撞力，通過控制加熱激光從下至上照射微粒，可以使微粒獲取向上的作用力從而克服其重力，使微粒可以懸浮在空氣中。

對于微粒受到的光致加熱作用力，其作用力大小與微粒內(nèi)溫度梯度以及環(huán)境壓強有關(guān)，其具體的表達形式由論文給出（Monteiro F , Li W , Afek G , et al. Force andacceleration sensing with optically levitated nanogram masses at microkelvintemperatures[J]. 2020.）光致加熱作用力滿足公式1：

式中，△T 表示溫度梯度，m_g 表示空氣分子質(zhì)量，T_g表示空氣分子溫度，η 表示空氣粘度系數(shù)，γ表示空氣碰撞適應(yīng)系數(shù)，p 表示環(huán)境壓強，表示微粒獲得最大光致加熱作用力時的壓強。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服傳統(tǒng)光阱難以捕獲大尺寸微粒的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于光致加熱效應(yīng)懸浮大尺寸微粒的方法及裝置。

一種基于光致加熱效應(yīng)懸浮大尺寸微粒的方法，

1）在進行捕獲前，調(diào)節(jié)加熱激光與聚焦透鏡位置，令加熱激光聚焦于起支模塊下方，打開激光器，產(chǎn)生可以穩(wěn)定懸浮微粒的光場區(qū)域；所述的聚焦透鏡與起支模塊位于真空腔內(nèi)，真空腔設(shè)有真空泵用以調(diào)節(jié)真空腔內(nèi)壓強；

2）在起支裝置的玻片上放置一批待捕獲微粒，關(guān)閉真空腔后打開真空泵，調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓強使得光致加熱產(chǎn)生最大作用力；

3）打開起支裝置，粘附在起支模塊上的微粒被振離玻片下表面，在重力作用下降落至光場區(qū)域從而實現(xiàn)懸浮。

一種采用所述方法的光致加熱懸浮捕獲大尺寸微粒的裝置，包括單光束懸浮模塊、真空模塊與起支模塊。

所述的單光束懸浮模塊包括激光器、反射鏡與聚焦透鏡，其中激光器用于發(fā)射可加熱微粒的激光，加熱激光的波長需根據(jù)待懸浮微粒材料進行選擇，使得待捕獲微粒材料對該波長具有高吸收效率，反射鏡用于反射加熱激光，使水平方向傳輸激光改變方向沿豎直方向傳輸，聚焦透鏡用以聚焦加熱激光并在其焦點處形成可懸浮微粒區(qū)間。