一種微球快速光懸浮的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學慣性導航、光學工程領域、微顆粒懸浮領域，尤其涉及一種微球快速光懸浮的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]根據量子理論可知，光束是一群以光速運動的、有動量的光子流。當光束在微球介質表面發生反射和投射時，光子的速度和方向改變，導致其動量矢量的變換。根據動量守恒定律，光子的動量變換量等于微球的動量變化量，所以光束對微球有光輻射壓。基模高斯光束對微球的作用力包括沿光束傳播方向的散射力和指向光強較強處的梯度力。當液體中的微球進入基模高斯光束的光場捕獲區時，豎直方向上微球的重力和光阱力與液體的浮力平衡，水平方向上微球受到光場的梯度力，在線性剛度范圍內穩定，微球易被激光捕獲并且穩定懸浮。
[0003]傳統空氣環境下微球光懸浮的方法是:制作微球基底，將微球放置于基底上表面，基底下表面與壓電陶瓷相連；使用壓電陶瓷驅動器，驅動壓電陶瓷振動，壓電陶瓷振動帶動基底和微球的振動，當微球受到的脫離力大于微球與基底之間的粘附力時，微球從基底表面脫離，微球向上運動；此時微球被豎直向上的激光捕獲，當微球所受的光阱力和空氣浮力與微球重力平衡時，微球穩定懸浮在空氣環境中。傳統空氣環境下微球光懸浮的缺點是:使用壓電陶瓷和壓電陶瓷驅動器，制作微球基底，將微球和微球基底與壓電陶瓷相連，使微球光懸浮的成本高，微球光懸浮的過程復雜，微球光懸浮的耗時長久。

【發明內容】

[0004]本發明提供一種微球快速光懸浮的方法及裝置，微球光懸浮系統更加輕型化、小型化，低成本；微球從第一孔中注入，簡化制備工藝，微球從第二孔中排出，提高了傳感單元的利用率；微球在液體環境下的光懸浮比微球在空氣環境下的光懸浮更易實現，采用加熱方法使微球所處的液體蒸發完全，從而使微球在液體環境下的光懸浮轉變到空氣環境下的光懸浮，提高了空氣環境下微球從未懸浮狀態到光懸浮狀態的速度；空氣環境下的光懸浮能夠避免在液體環境中布朗運動對球狀微粒運動狀態的影響以及液體環境中雜質對微球所處光場的擾動。
[0005]本發明采取的技術方案為:
一種微球快速光懸浮的裝置，包括透明的傳感單元，傳感單元內部設有空腔，空腔用于給微球光懸浮提供空間，傳感單元表層設有第一孔、第二孔，第一孔用于提供微球進入空腔的通道，第二孔用于提供微球排出空腔的通道，基模高斯光束聚焦在微球上。
[0006]所述傳感單元連接加熱器，加熱器用于傳感單元的空腔中的微球溶液加熱。
[0007]所述傳感單元下方設有一個反射棱鏡，反射棱鏡一側依次設有:激光器、光強調制器、透鏡。
[0008]激光器用于提供基模高斯光束；光強調制器用于調節光路中光功率的大小；透鏡用于基模高斯光束的聚焦。反射棱鏡用于將光路改變90°射出。
[0009]所述傳感單元為透明片狀結構，其位于顯微鏡上。
[0010]所述第一孔、第二孔大小相同，第一孔、第二孔分別設置有兩個孔蓋。
[0011]所述微球為微米量級的二氧化硅微球、或者微米量級的聚苯乙烯微球。
[0012]一種微球快速光懸浮的方法，微球溶液從第一孔注入傳感單元的空腔中，由于微球溶液的流動性，微球會向第二孔方向流動；當微球流過置于傳感單元下表面的基模高斯光束的光場捕獲區時，微球易被激光捕獲并且穩定懸浮。
[0013]一種微球快速光懸浮的空氣環境形成方法，使用加熱器對傳感單元的空腔中的微球溶液加熱，微球溶液受熱蒸發，最終微球溶液受熱蒸發完全時，微球所處環境為空氣環境。
[0014]一種空氣環境下的微球快速光懸浮方法，對傳感單元的空腔中的微球溶液加熱，微球的布朗運動會加劇，但是由于光講力遠大于微球的布朗運動受到的液體分子力，故微球仍穩定懸浮在光場捕獲區；當微球溶液因加熱而蒸發完全，微球最后的狀態是懸浮在空氣中。
[0015]一種空氣環境下的微球快速光懸浮方法，使用光強調制器改變激光光功率的大小，改變微球受到的光阱力，控制微球豎直方向的加速度和運動位移。
[0016]本發明一種微球快速光懸浮的方法及裝置，技術效果如下:
I)、微球光懸浮系統更加輕型化、小型化，低成本。
[0017]2)、微球從第一孔中注入，簡化制備工藝，微球從第二孔中排出，提高了傳感單元的利用率。
[0018]3)、微球在液體環境下的光懸浮比微球在空氣環境下的光懸浮更易實現，采用加熱方法使微球所處的液體蒸發完全，從而使微球在液體環境下的光懸浮轉變到空氣環境下的光懸浮，提高了空氣環境下微球從未懸浮狀態到光懸浮狀態的速度。
[0019]4)、空氣環境下的光懸浮，能夠避免在液體環境中布朗運動對球狀微粒運動狀態的影響、以及液體環境中雜質對微球所處光場的擾動。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明裝置結構示意圖。
[0021]圖2為本發明裝置微球光懸浮的效果圖；其中:丨表示微球重力方向；丨表示激光束方向。
【具體實施方式】
[0022]參照圖1所示，一種微球快速光懸浮的裝置，包括激光器1、透鏡2、反射棱鏡3、微球4、傳感單元5、顯微鏡8、光強調制器9、加熱器10。
[0023]微球為微米量級的二氧化硅微球，二氧化硅微球耐高溫。
[0024]激光器I可采用980nm單模激光器，能夠輸出基模高斯光束。
[0025]光強調制器9可米用Thorlabs公司的單模可變光纖光學衰減器V0A980-APC，V0A980-APC可連續衰減980nm單模激光的光功率。
[0026]加熱器10可采用中國宏創電熱機械有限公司生產的微型空氣加熱器，并將微型空氣加熱器的加熱面與傳感單元5的受熱面封閉，微型空氣加熱器將封閉區域的空氣加熱到很高的溫度，可高達450°C，傳感單元5的受熱面溫度可高達400° ;微型空氣加熱器升溫和降溫速率塊，可達10°C /S，調節快而穩定。
[0027]傳感單元5可采用石英玻璃材料制作，使用連恪法生產，此方法生產的傳感單元耐1200°左右的高溫，并且二氧化硅純度大于99.9%，穩定性好，耐腐蝕，光譜透過率高。傳感單元5的尺寸為20mm X 70mm X 10mnin
[0028]微球所在環境中的溶液可以是水或者酒精等不溶解微球同時不腐蝕傳感單元5的透明液體。
[0029]激光器I為微球4提供基模高斯光束。光強調制器9調節光路中光功率的大小，在微球4光懸浮的時候，調節光強調制器9可以控制微球4豎直方向的加速度和運動位移。透鏡2使激光器I發出的基模高斯光束聚焦在微球4上，保證實現微球4光懸浮所需的光阱力。反射棱鏡3將光路改變90°射出且不影響光功率的大小，使系統小型化。
[0030]傳感單元5為透明片狀結構，內部有空腔7，表層兩側有第一孔6.1和第二孔6.2，第一孔6.1和第二孔6.2大小相同，配有兩個相同孔蓋。空腔7給微球4光懸浮提供空間；第一孔6.1的作用是提供微球4進入空腔7的通道，通過移液器吸取微球溶液通過第一孔6.1向傳感單元5的空腔7中注入微球4溶液。第二孔6.2的作用是提供微球4排出空腔7的通道，當需要排出微球4時，可從第一孔6.1注入無微球4且無雜質的溶液，沖洗空腔7，溶液從第二孔6.2流出的同時有效地排出微球4。顯微鏡8用于觀察微球4是否被捕獲，觀察微球4光懸浮時的運動狀態。加熱器10給傳感單元5空腔7中的液體加熱，加快液體的蒸發，為微球4光懸浮的空氣環境創造條件。
[0031 ] 微球溶液從第一孔6.1注入傳感單元5的空腔7中，由于液體的流動性，微球4會向第二孔6.2方向流動，當微球4流過置于傳感單元5下