[發明專利]一種光阱中微球重復起支與懸浮的方法與裝置

在審

• 申請號: 202110131877.4
• 申請日: 2021-01-30
• 公開（公告）號: CN112967831A
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 李文強;胡慧珠;李楠;陳杏藩;舒曉武
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種光阱中微球重復起支與懸浮的方法與裝置。通過加熱激光聚焦基板表面，利用基板表面的熱膨脹對目標微球施加瞬時加速度，令微球克服粘附力脫離基板表面，從而進入光阱懸浮區域實現光懸浮，通過降低懸浮激光光強的方法降低光阱力，使得微球重新降落在基板上，等待下一次的加熱激光激發，進而實現微球的重復起支與光懸浮。裝置包括激光加熱模塊、光阱懸浮模塊與成像模塊，其中，成像模塊包含匯聚透鏡與CCD，用于觀察微球起支與懸浮過程。本發明利用光致加熱完成微球起支并進行光阱懸浮，可以實現單個或多個目標微球的重復起支與懸浮，該方法實現光懸浮所需時長極短，懸浮成功率高，能夠有效推動光阱傳感系統的實用化進程。

技術領域

本發明涉及一種光阱中微球重復起支與懸浮的方法與裝置，屬于光學工程以及微顆粒懸浮領域。

背景技術

根據量子理論，光束是一群以光速運動的，既有質量又有動量的光子，當光子入射到介質表面時會產生折射和反射，光子的速度和方向改變，導致其動量矢量的變化，由動量守恒定律就可以推出，當光束照射至微球，光子的動量變化量與微球的動量變化量相等，所以光束對微球存在力學作用，稱為光輻射壓，光輻射壓包括了沿光束傳播方向的散射力和總是指向光強較大處的梯度力，在這兩個力的作用下，光束能在一定區域內對微球進行捕捉，令其穩定在某特定位置，該區域稱為光阱。

激光聚焦形成的光阱，令微小物體受光壓而被束縛在光阱處，由于光阱使用高聚焦的激光來實現對微球非機械接觸懸浮，不會產生機械損傷，同時光阱的機械部件離懸浮對象的距離都遠大于懸浮對象的尺度，是“遙控”的操作，因而微球幾乎不受外界環境影響，從而可以利用光懸浮的微球完成對外界物理量的探測，獲得高探測精度。

光阱懸浮的前提是將待懸浮微球輸送至光阱懸浮區間，現有的方案主要包括振動脫附法和噴霧懸浮法，利用壓電振動裝置使干粉狀或懸濁液中的微球樣品迅速脫離存儲介質，進入光阱懸浮區域。上述兩種方案本質上都是對微球樣品進行隨機懸浮，需要向光阱區域噴撒過量的樣品以保證微球有一定的概率被懸浮。這些簡單直接的懸浮方式便于快速開展物理驗證實驗，但由于微球的光懸浮效率極低，大量未被懸浮的雜質微球會污染附近光路的出光面，如透鏡表面或光纖端面，影響懸浮光場的分布；此外，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。一旦外部干擾導致被懸浮的微球從光阱中脫離，便很難對其進行重復懸浮；對于真空環境下的高靈敏度傳感測量，往往還需要重新降低真空度甚至打開真空腔，在空氣環境下重新懸浮微球，并且針對不同的傳感微球需要對微球尺寸和光阱剛度等關鍵參數進行重新標定，影響光阱技術的實用化。

發明內容

本發明的目的是針對現有光阱系統中微球輸送方法的不足，提出了一種光阱中微球重復起支與懸浮的方法與裝置，能夠實現對特定微球的起支及光阱懸浮，同時可以在微球懸浮后進行回收以進行重復起支懸浮，有利于推進光阱傳感器件的實用化進程。

一種光阱中微球重復起支與懸浮的方法，利用能對目標基板形成光吸收效應的加熱激光，聚焦于裝載微球的目標基板，光致加熱效應導致目標基板產生熱膨脹，從而使得微球在熱膨脹作用下獲取瞬時加速度，克服微球與基板間的粘附力實現起支；通過調節加熱激光的聚焦光斑尺寸、作用時間與光強，控制基板熱膨脹程度，使微球在脫離基板后進入光阱懸浮區域，并在光阱力的作用下克服重力實現穩定懸浮；在完成微球起支并實現穩定懸浮后，通過降低懸浮激光光強的方法降低光阱力，使得微球重新降落在基板上，等待下一次的加熱激光激發，進而實現微球的重復起支與光懸浮。

所述的基板表面放置有一個或多個微球，通過顯微成像系統對基板表面的微球位置進行成像觀察，并利用三維位移臺移動微球至激光加熱區間，從而實現微球起支。

一種采用根據所述的方法實現光阱中微球重復起支與懸浮的裝置，包括激光加熱模塊、光阱懸浮模塊以及成像模塊：

所述的激光加熱模塊用于加熱基板特定區域，利用基板的熱膨脹使粘附于表面的微球獲得初始加速度脫離基板表面；

所述的光阱懸浮模塊用于構造三維光阱，使得微球能夠被穩定懸浮于空氣或真空；