非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統及其測量方法
2023-10-05 06:27:49 1
專利名稱：非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統及其測量方法
技術領域：
本發明涉及光電子及微流動系統技術領域，具體是一種非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統及其測量方法。
背景技術：
微流動系統由於尺寸微小，降低能耗和具有集成化以及大批量生產等特點，在液體流量控制、微量化學分析、微型注射和藥物傳送、集成電路微冷卻等方面有著廣泛的應用前景。精確測量微流體系統中液體的微流動對推動微流動系統的發展具有極大的實用價值。在微流動系統中，液體介質微流動後恢復平靜的時間為恢復時間。本發明基於超快雷射技術，利用泵浦-探測原理提出了一種新型的測量非線性液體介質微流動後恢復時間的測量系統以及測量方法，能夠精確測量非線性液體介質微流動後的恢復時間，進而能間接得到非線性液體介質微流動的流速，且能進行簡單、方便、快捷的測量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統及其測量方法，能夠簡單、方便、快捷地測量出任何一種非線性液體介質的微流動後的恢復時間。本發明所採用的技術方案是一種非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，包括超短脈衝光源、氦氖雷射光源、二向色鏡、反射鏡、非線性液體介質、遮光板、光學衰減片、精密探測器。其特徵在於，超短脈衝光源產生的超短脈衝作為泵浦光，氦氖雷射光源產生的雷射作為探測光。探測光依次經第一反射鏡、第一二向色鏡、非線性液體介質、第二反射鏡、第二二向色鏡、第二光學衰減片到達精密探測器。泵浦光依次經第一光學衰減片、第一二向色鏡、非線性液體介質、第二反光鏡、第二二向色鏡到達遮光板。所述超短脈衝光源採用鈦寶石再生放大雷射器。所述氦氖雷射光源採用氦氖雷射器。所述二向色鏡對波長為800nm的雷射反射率99. 9%，對波長為632nm的雷射透射率99. 9%。所述反射鏡為前表面鍍銀反射鏡。所述非線性液體介質為二硫化碳。所述遮光板為光學遮光板。所述光學衰減片為可調節金屬膜中性密度漸變濾光片。所述精密探測器為CO) Camera。非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統的微流動恢復時間的測量方法的具體步驟為I)調試泵浦光和探測光光路，使兩光路共線射入非線性液體介質中；2)調節第一光學衰減片，逐漸增大泵浦光入射功率直至能在精密探測儀器中觀察到探測光光斑出現明顯的衍射環；3)逐漸降低鈦寶石再生放大雷射器的重複頻率，直至能在精密探測儀器中觀察到探測光光斑衍射環消失；4)記錄此時鈦寶石再生放大雷射器的重複頻率，推算出非線性液體介質的微流動的恢復時間。本發明的工作原理是鈦寶石再生放大雷射器發出的飛秒脈衝，在非線性液體介質中傳輸時，隨著入射功率的逐漸增大，光束將發生小尺度自聚焦。當功率增大到一定值時，光路上的自聚焦焦點處的非線性液體介質將會被破壞，被破壞的液體介質將變成黑色小顆粒。當氦氖雷射器發出的探測光從非線性液體介質通過時，遇到黑色顆粒，將發生衍射，此時在CCD中將觀察到明顯的衍射環。非線性液體介質微流動時，黑色顆粒也將隨之移動，當飛秒脈衝的重複率很大時，兩個脈衝之間的間隔時間很短，黑色顆粒在很小的間隔時 間裡移動的距離很小，可以始終觀察到衍射環。逐漸降低飛秒脈衝的重複率，兩個脈衝之間的間隔時間增大，黑色顆粒的移動距離增大，衍射圓環將逐漸消失，當衍射環完全消失時，此時兩個飛秒脈衝的間隔時間即為非線性液體介質微流動的恢復時間。通過單位換算進而能間接得到非線性液體介質微流動的流速。
圖I為本發明非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統結構示意圖。其中I :氦氖雷射光源；2 :超短脈衝光源；3a_3b :反射鏡；4a_4b :二向色鏡；5a_5b :光學衰減片；6 :非線性液體介質；7 :遮光板；8 :精密探測器。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖，對本發明做具體說明。如圖I所示，本實施例提出的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，包括氦氖雷射光源I、超短脈衝光源2、反射鏡3a-3b、二向色鏡4a-4b、光學衰減片5a_5b、非線性液體介質6、遮光板7、精密探測器8。上述各部分的功能分別說明如下氦氖雷射光源1，用於產生探測光；超短脈衝光源2，用於產生泵浦光；反射鏡3a_3b，用於光束的反射，本實施例選用前表面鍍銀的反射鏡；二向色鏡4a_4b，用於選擇性的通過光束，本實施例選用對波長為800nm的光束反射率99. 9%，對波長為632nm的光束透射率99. 9% 二向色鏡；光學衰減片5a，用於調節入射到非線性介質的超短脈衝的功率；光學衰減片5b，用於調節入射到精密探測器CCD中的功率，避免因功率過大損壞CCD。非線性液體介質6，用作被測量介質；遮光板7，用於遮除掉從第二二向色鏡中反射出來的波長為800nm的光束；精密探測器8，用於動態探測探測光的變化過程，本實施例選用CXD Camera(Coherent 公司的 Laser Cam-HR Beamview,其點陣為 1280X1024，解析度約為6. 7 μ mX 6. 7 μ m)。本發明所採用的非線性液體介質微流動恢復時間的精確測量系統裝置工作過程如下雷射光源I為氦氖雷射器，中心波長為632nm,作為探測光。雷射光源2為Coherent公司生產的商用鈦寶石再生放大雷射系統(型號為LibraS),輸出的最短脈衝寬度約lOOfs，帶寬約為12nm，重複頻率為1kHz，中心波長為800nm，作為泵浦光。調試泵浦光和探測光光路，使兩光路共線射入非線性液體介質中。調節第一光學衰減片，逐漸增大泵浦光入射功率直至能在精密探測儀器中觀察到光斑出現明顯的衍射環。逐漸降低鈦寶石再生放大雷射器的重複頻率，直至能在精密探測儀器中觀察到光斑衍射環消失。記錄此時鈦寶石再生放大雷射器的重複頻率，推算出非線性液體介質的微流動的恢復時間。本實施例基於超快雷射技術，利用泵浦-探測原理，實現非線性液體介質微流動 恢復時間的精確測量。目前，泵浦-探測技術比較廣泛的應用於測量超快過程，由於其成本低和測量精度高，已經被越來越多的研究者接受。本實施例的泵浦-探測技術能夠簡單、方便、快捷地測量出非線性液體介質的微流動的恢復時間，進而能間接得到非線性液體介質微流動的流速，並且測量精度高。
權利要求
1.一種非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，包括超短脈衝光源、氦氖雷射光源、二向色鏡、反射鏡、非線性液體介質、遮光板、光學衰減片、精密探測器，其特徵在於，超短脈衝光源產生的超短脈衝作為泵浦光，氦氖雷射光源產生的雷射作為探測光；探測光依次經第一反射鏡、第一二向色鏡、非線性液體介質、第二反射鏡、第二二向色鏡、第二光學衰減片到達精密探測器；泵浦光依次經第一光學衰減片、第一二向色鏡、非線性液體介質、第二反光鏡、第二二向色鏡到達遮光板。
2.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所述超短脈衝光源採用鈦寶石再生放大雷射器。
3.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所述氦氖雷射光源採用氦氖雷射器。
4.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所述二向色鏡對波長為800nm的雷射反射率99. 9%，對波長為632nm的雷射透射率99. 9%。
5.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所述反射鏡為前表面鍍銀反射鏡。
6.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所述非線性液體介質為二硫化碳。
7.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所述遮光板為光學遮光板。
8.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所述光學衰減片為可調節金屬膜中性密度漸變濾光片。
9.根據權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統，其特徵在於，所 述精密探測器為CXD Camera。
10.一種利用權利要求I所述的非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統的微流動恢復時間的測量方法，其特徵在於，該方法的具體步驟為 1)調試泵浦光和探測光光路，使兩光路共線射入非線性液體介質中； 2)調節第一光學衰減片，逐漸增大泵浦光入射功率直至能在精密探測儀器中觀察到探測光光斑出現明顯的衍射環； 3)逐漸降低鈦寶石再生放大雷射器的重複頻率，直至能在精密探測儀器中觀察到探測光光斑衍射環消失； 4)記錄此時鈦寶石再生放大雷射器的重複頻率，推算出非線性液體介質的微流動的恢復時間。
全文摘要
本發明公開了一種能精確測量非線性液體介質微流動恢復時間的測量系統及其測量方法，非線性液體介質微流動恢復時間測量系統包括超短脈衝光源、氦氖雷射光源、二向色鏡、反射鏡、非線性液體介質、遮光板、光學衰減片、精密探測器。本發明基於超快雷射技術，利用泵浦-探測原理實現非線性液體介質微流動恢復時間的精確測量，進而能間接得到非線性液體介質微流動的流速，本發明能夠簡單、方便、快捷地測量出任何一種非線性液體介質的微流動的恢復時間，並且測量精度高。
文檔編號G01P5/26GK102967726SQ201210544530
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者譚超, 傅喜泉, 林峰, 周元 申請人:湖南大學