光懸浮測量系統的製作方法

2023-06-09 02:31:11

專利名稱：光懸浮測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光懸浮測量系統，是用以觀測光懸浮狀態下微粒位置及運動狀態的一種測量系統。
光懸浮研究開創於70年代初，是利用豎直朝上的雷射束的輻射壓力捕陷透明介質微粒，並使其穩定懸浮於周圍的媒質(如空氣，水等)中(參見文獻A.Ashkin等人Optical Levitation by Radiation Pressure. Applied Physics Letters，Vol.19，No.9，283～285(1971))。微粒實現穩定懸浮的主要條件有二，一是雷射束的中心強周邊弱的光強分布(TE00模高斯型分布)對微粒造成趨向於光束軸心的捕陷力，使其不能脫離光束的範圍，這就是捕陷作用，二是朝上照射的光束託起微粒使其克服重力而懸浮於空間，這就是推舉作用。二十餘年來，光懸浮技術得到了很大的發展，以光懸浮原理為基礎的「光鑷」的研製在細胞生物學，分子遺傳學的實驗研究上已獲得重要應用。雖然如此，光懸浮的基本問題——捕陷力和推舉力的計算和測量仍有待進一步研究，因為這些問題的解決不僅具有重要的物理意義，而且將直接促進光懸浮的應用和光鑷的設計製作。近年來，已發表了很多關於捕陷力的理論分析文章，但由於實驗上的難度較大，已發表的實際測量結果很少。
本發明的目的是針對光懸浮狀態下微粒受力測量的困難，提出並設計一種十分簡單的測試系統，可以對微粒所受捕陷力及微粒的運動狀態進行精密測量。
本發明的核心是分別採用強度調製的縱向推舉光束和強度調製的橫向驅動光束迫使原處於穩定懸浮狀態的介質微粒發生縱向(豎直方向)和橫向(水平方向)的振蕩運動，從縱向振蕩幅度和橫向振蕩共振頻率分別推算出微球的有關空氣動力學參數和光學陷阱的橫向捕陷力。
測量系統的構成如附

圖1所示。作為光源的雷射器1(可以是輸出功率為瓦級的連續氣體雷射器，如氬離子雷射器等)的輸出光束被分束器2分為兩束光，一束光沿光路I前進，依次經過斬波器3，透鏡5，直角反射稜鏡6到達其內置有微球17的微球室12，另一束光沿光路II前進，依次經衰減器22，反射鏡21，斬波器20，透鏡19到達微球室12。在微球室12之外的頂上和二個側面，即x、y、z三個方向上均置有顯微鏡如圖1所示，x方向置有顯微鏡11，y方向置有顯微鏡13，並在顯微鏡13的投影處設有觀測屏幕14，z方向置有顯微鏡16。微球室12由透明罩18和透明底板10構成，透明罩18和透明底板10均能透過所用雷射器1的雷射束，比如，可採用光學玻璃或石英玻璃等製成。底板10下置有壓電陶瓷環7，壓電陶瓷環7與音頻信號發生器8之間通過開關9相連。整個微球室12固定於顯微鏡16的樣品平臺4上，因此微球室12可以隨樣品平臺作x-y方向兩維精密移動。
按照上面所述的結構，先遮住光路II，只使用光路I(暫時不用斬波器3)，前後移動透鏡5，使雷射束的焦點處於置有很多微球17的透明底板10上，(微球直徑在15～20微米範圍)，移動微球室位置，使底板10上的微球之一正好進入光束範圍，這可通過顯微鏡16進行觀察。調整雷射功率到適當水平(功率大小決定於被懸浮的微球的大小)，此時掀按開關9，使預先調整到與微球室12和壓電陶瓷環7組成系統的機械共振頻率相應的音頻信號發生器8的輸出電壓加在壓電陶瓷環7上，強烈的音頻振動使微球克服它與底板10之間的範德瓦爾斯吸附力而暫時離開底板10，這時方向朝上的光束即光路I上的光束將微球17之一向上託起，被託起的微球稱為懸浮球15，懸浮球15上升到光束的推力與球的重力相等的平衡位置(離開焦點越遠光束直徑越大，光強越弱，懸浮球15所受推舉力越小，因而懸浮球15可以自動找到自己的平衡位置)。再移動透鏡5，使懸浮球15隨光束焦點的上升移動到足夠的高度。在懸浮狀態下懸浮球強烈地散射雷射束，作為一個明亮耀眼的物體，它被顯微鏡放大，它的像被投射在觀測屏幕14上。這時在光路I中加入斬波器3，開啟斬波器3後縱向光束被周期性地遮斷，光束遮斷時懸浮球15因重力而自由下落，下落的高度Δh與遮斷的時間τ及空氣阻力的大小有關，斬波器3的葉輪形狀設計成遮斷時間τ遠比通光時間T短，即τ＜T，使得懸浮球15每次下落後都能回升到原來的位置。改變斬波速率從而改變遮斷時間τ，可以在觀測屏幕14上精密地測量下落高度Δh與τ的關係。在相同的τ下Δh比真正的自由落體(無空氣阻力時)的下落高度要小，由實測的Δh-τ曲線可求出任意時刻懸浮球運動的速度
和加速度
，由牛頓力學定律可以推導出懸浮球的空氣阻力為fd(v)＝m(g-a)， (1)其中m是懸浮球的質量，g是重力加速度。通用的標準空氣阻力表達式為fd=122ACd,----(2)]]>(1)式與(2)式比較，可以得到標準的空氣阻力係數Cd=2m(g-a)2A,----(3)]]>其中ρ為空氣密度，
為懸浮球投影面積，D為懸浮球直徑。
不使用斬波器3，也暫不使用斬波器20。光路II的光束到達微球室12後，調整透鏡19的方向和z方向位置，使聚焦的光束照射在懸浮球15上。這時可通過顯微鏡16和13觀察到懸浮球15因受橫向輻射壓力而發生位置的改變。當開啟斬波器20，周期性地遮斷了橫向光束迫使懸浮球15發生橫向(x向)振蕩，連續改變斬波頻率，可以觀察到共振現象，即在某一特定調製頻率下懸浮球15橫向振幅達到極大值。可變衰減器22的作用是調整光束強度使懸浮球不會因光強過強引起振幅過大而逃離縱向光束形成的光阱。
在一級近似下光阱可視為線性力阱，即橫向束縛力滿足f＝-kx， (4)(4)式中R為彈性係數，x為橫向位移量。按斯託克斯定律，空氣中低速運動的球體所受阻力與運動速度成線性關係，f＝rv＝6πηRv， (5)其中r為阻力係數，η為空氣的粘滯係數，R為懸浮球半徑，v為懸浮球的運動速度。在這樣的條件下，可將懸浮球的運動視為典型的有阻尼的受迫振動，角共振頻率滿足01=02-22----(6)]]>其中0=km,=r2m=3Rm]]>稱為阻尼係數。由(6)式可以得到R=m[02+(6Rm)2----(7)]]>(7)式中ω0′2是實驗測量的懸浮球振蕩共振頻率，粘滯係數η可以從手冊中查到，這樣計算出k值，就確定了一級近似下縱向光束形成的光阱的勢能曲線和各種位移下橫向束縛力的數值。
本發明的優點是，在光懸浮測量系統中使用縱向調製光提供了一種對微小物體自由墜落現象的直接的、精密的觀測系統，從而可對極小顆粒進行空氣動力學測量，在已有技術中沒有採用調製光的測量方法。這一觀測系統可以用於雲雨中水滴的運動和塵埃沉降過程的研究，對氣象學和環境保護事業有潛在的應用價值。
在本發明的光懸浮測量系統中使用橫向調製光提供了一種對光懸浮光阱束縛力的測量系統，已有技術只報導過液體媒質中對光阱束縛力的測量，所用方法十分複雜。本發明適用範圍廣，不但可以用於測量空氣媒氣中的光阱的力學性質，還可用於測量液體、真空等其它媒質中的光阱。對光阱力學參數的測量結果可以驗證有關的理論計算，並為各類「光鑷」的設計製作提供數據。這套光懸浮測量系統的另一優點是構造簡單，成本低廉，觀察測量直觀方便。
附圖1是本發明光懸浮測量系統的構成及光路示意圖。附圖2和附圖3分別繪出了用縱向調製光和橫向調製光的典型測量結果。
以下對照附圖1，結合最佳實施例對本發明作進一步詳細說明。實驗樣品微球17用玻璃製成。雷射器1採用氬離子雷射器，其輸出雷射模式為多譜線TEM00橫模，輸出光斑尺寸為1.4毫米，發散度為0.5毫弧度。光路I上的光束經焦距為5釐米的透鏡5後在微球室12內形成直徑約為18微米的焦斑。光路II上的光束經焦距為8釐米的透鏡19後在微球室12內形成直徑為31微米的焦斑。斬波器3及20的斬波頻率範圍在10～300Hz，斬波器3的通-斷比值為5∶1，斬波器20的通斷比值為1∶1，可變衰減器22由多片透射率不同的衰減片組成，其光強衰減量可在0～100％範圍內逐級跳變。顯微鏡16的目鏡放大倍數為16倍，物鏡放大倍數為4倍，顯微鏡13在觀測屏幕14上對微球形成的像的放大倍數為800倍。音頻信號發生器8的型號為XD7型。壓電陶瓷7是外徑為30毫米，內徑26毫米，高7毫米的圓環，它的上方粘於透明底板10的下表面，下方粘在顯微鏡16的樣品平臺4上，因而可以聯同樣品臺作x-y方向的精密移動。
觀測結果只使用光路I，用經斬波器3調製的雷射束使懸浮球15上下振蕩，在觀察屏幕14上測量懸浮球15隨光束遮斷時間τ而變的下落高度Δh，得到如圖2所示的曲線a(圖2中曲線b是為比較而畫出的沒有空氣阻力時自由落體的曲線)。由曲線a可以看出，懸浮球從加速運動變為勻速運動的過渡區約在1.5ms左右，這個特徵時間就是所稱的「速度弛豫時間」，是空氣動力學的一個重要參數，這一測量結果比已有結果更為精確。當光路I的氬離子雷射束功率為850毫瓦時，在微球室12內形成光阱，懸浮球15的直徑為20微米，懸浮球15採用光學玻璃製成，玻璃的折射率為1.52，比重為2.61，在光路II的橫向光束驅動下，懸浮球15發生橫向振蕩，振蕩的共振頻率為132赫，從物理手冊查到空氣的粘滯係數為18.1×10-6帕斯卡·秒，根據這些數據由(7)式計算出光阱束縛力的彈性係數為k＝8.6×10-3克重/秒2。束縛力和勢能隨位置x變化的曲線如圖3所示。圖3中曲線a代表束縛力F，單位為10-11牛頓(N)，曲線b代表勢能E，單位為10-18焦耳(J)。
上述所測得的數據是已有技術中所沒有的。
權利要求
1.一種觀測光懸浮狀態下微粒位置及運動狀態的光懸浮測量系統，包括由透明罩(18)和透明底板(10)構成的微球室(12)，在微球室(12)內底板(10)上置有微球(17)，在底板(10)下置有通過開關(9)與音頻信號發生器(8)相連的壓電陶瓷環(7)，微球室(12)置於顯微鏡(16)的樣品臺(4)上；作為光源的雷射器(1)輸出的雷射束被分束器(2)分成兩束光，一束光沿著光路I前進，依次經透鏡(5)，直角反射稜鏡(6)至微球室(12)；另一束光沿著光路II前進，依次經衰減器(22)，反射鏡(21)，透鏡(19)至微球室(12)。其特徵在於在光路I上，於分束器(2)與透鏡(5)之間置有斬波器(3)；在光路II上，於反射鏡(21)與透鏡(19)之間置有斬波器(20)。
2.根據權利要求1的一種光懸浮測量系統，其特徵在於在微球室(12)外的x、y、z三維方向上均置有顯微鏡(11)、(13)、(16)，並在其中一隻顯微鏡(13)的投影處置有觀測屏幕(14)。
3.根據權利要求1的一種光懸浮測量系統，其特徵在於斬波器(3)的葉輪遮斷時間τ遠比通光時間T短，即τ＜T。
全文摘要
一種光懸浮測量系統，用於觀測光懸浮狀態下微粒位置及運動狀態。包括置於顯微鏡樣品臺上，底板下帶有與音頻信號發生器相連的壓電陶瓷環，內置有微球的微球室。雷射器輸出雷射束經分束器分成兩束光，一束光沿光路I依次經過斬波器、透鏡、反射稜鏡至微球室，另一束光沿光路Ⅱ依次經過衰減器、反射鏡、斬波器、透鏡至微球室。在微球室外xyz三維方向上均置有顯微鏡。本發明的測量系統適用範圍廣，不僅適用於空氣媒質，還適用於液體、真空等媒質中光阱力學性質的測量和微球流體力學特性的測量。
文檔編號G01P3/36GK1166600SQ9611659
公開日1997年12月3日 申請日期1996年11月26日 優先權日1996年11月26日
發明者蔡惟泉 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所