通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法与装置
阅读说明：本技术 通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法与装置 (Method and device for enhancing vacuum tolerance of light suspended particles through preheating desorption ) 是由 李翠红 马园园 高晓文 蒋静 陈志明 胡慧珠 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法与装置。方法包括以下几个步骤：首先开启捕获激光,形成捕获光阱,将微粒投送到光阱所在区域,实现微粒的捕获,并通过光电探测器收集被捕获微粒的散射光信号；打开预加热激光器,调整预加热激光器光束对准被捕获的微粒；调节预加热激光器功率至微粒加热速率大于散热速率,使得微粒内部温度升高,实现预加热；打开真空泵,将真空度抽至大于光阱有效捕获区域第一次缩小的真空拐点时,停止抽真空；光电探测器收集的微球散射光信号不再发生变化时关闭预加热激光器。本发明可以提高微粒在高真空环境下的稳定捕获概率,推动真空光镊技术的应用,同时也为微纳尺寸微粒的物性研究提供方法与手段。(The invention discloses a method and a device for enhancing the vacuum tolerance of light suspended particles through preheating desorption. The method comprises the following steps: firstly, starting capture laser to form a capture optical trap, sending particles to the area where the optical trap is located to realize the capture of the particles, and collecting scattered light signals of the captured particles through a photoelectric detector; turning on the preheating laser, and adjusting the light beam of the preheating laser to be aligned with the captured particles; adjusting the power of a preheating laser until the heating rate of the particles is greater than the heat dissipation rate, so that the internal temperature of the particles is increased, and preheating is realized; opening a vacuum pump, and stopping vacuumizing when the vacuum degree is greater than the vacuum inflection point of the first reduction of the effective capture area of the optical trap; and turning off the preheating laser when the microsphere scattered light signals collected by the photoelectric detector do not change any more. The invention can improve the stable capture probability of particles in a high vacuum environment, promote the application of the vacuum optical tweezers technology, and provide a method and means for researching the physical properties of micro-nano particles.)
技术领域
本发明涉及传感标定领域，具体涉及通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法与装置。
背景技术
光镊技术自上世纪七十年代由阿瑟·阿什金开创以来，作为捕获和操纵微粒的通用工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。光镊技术中通过激光束悬浮的微粒可以视作简谐振子模型理解，相比传统的振子模型，光镊技术无接触机械耗散；进一步地，与液体或空气介质中的光镊系统不同，在真空中运作的光镊系统可实现悬浮单元与环境的完全隔离。基于上述优势，应用物理学领域科学家在基础物理学如热力学、量子物理和传感领域对真空光镊技术开展了大量研究。
微纳尺寸微粒的物性研究对基于真空光悬浮原理的光镊技术具有重要的应用意义，光悬浮的基本原理是利用紧聚焦光场梯度力和散射力共同作用实现微小微粒的悬浮。真空光镊技术中广泛使用的二氧化硅微粒并不是专门为真空光悬浮体系设计合成的，而是采用是斯托伯等人在1968年提出的Stöber合成法，在乙醇溶液中，采用氨作为催化剂，水解正硅酸四乙酯合成。通过Stöber合成工艺获得的二氧化硅颗粒通常为具有多孔结构的无定形二氧化硅，如图1所示，在微粒表面（开放式微孔）或者内部（闭合式微孔）都具有微孔结构，因此表面和内部都容易吸附杂质。在真空光镊实验过程中，随着真空度的提升，气压逐渐降低，微粒散热通道减少，导致温度升高，进而使得微粒表面和内部的杂质发生脱附。通过理论计算光阱有效捕获范围随真空度的变化过程，如图2所示，可以发现光阱中悬浮的微粒在真空度降至10mbar-0.1mbar范围内时，光阱有效捕获范围骤减，悬浮的微粒容易冲出光阱从而丢失，导致真空悬浮失败，骤减的气压值与实验中观测到的微球丢失真空度基本一致。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法与装置，具体技术方案如下：
通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法，包括以下几个步骤：
（1）首先开启捕获激光，形成捕获光阱，将微粒投送到光阱所在区域，实现微粒的捕获，并通过光电探测器收集被捕获微粒的散射光信号；
（2）打开预加热激光器，调整预加热激光器光束对准被捕获的微粒；
（3）调节预加热激光器功率至微粒加热速率大于散热速率，使得微粒内部温度升高，实现预加热；
（4）打开真空泵，将真空度抽至大于光阱有效捕获区域第一次缩小的真空拐点时，停止抽真空；
（5）光电探测器收集的微球散射光信号不再发生变化时关闭预加热激光器。
所述的通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法，预加热激光波长要选择粒子吸收率较高的波长范围。
所述的通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法，对于材质为二氧化硅的微粒，选择远红外波段波长的激光器对微粒进行预加热。
所述的通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法，步骤（4）中停止抽真空的气压高于光阱有效捕获区域缩小对应的真空度。
一种采用所述方法的通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的装置，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一光调制器、第二光调制器、第一透镜、微粒、第二透镜、真空腔、真空泵、光电探测器、控制显示系统；所述第一光调制器、第一透镜、第二透镜依次布置在所述第一激光器的出射光路上，且第一透镜、第二透镜均位于所述真空腔中，所述光电探测器位于第二透镜折射路线上，所述第二光调制器位于第二激光器出射线路上；所述真空腔与所述真空泵连接，且所述第一光调制器、第二光调制器、光电探测器、真空泵分别与所述控制显示系统连接。
所述的通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的装置，增加了激光器的自动控制器件，第一激光器和第二激光器的开关和强度由控制显示系统控制第一光调制器和第二光调制器信号输出来调节。
所述的通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的装置，所述的真空腔内的真空度由控制显示系统控制真空泵来调节。
所述的通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的装置，应用步骤如下：
打开第一激光器出射捕获激光，经第一光调制器处理后射入真空腔，通过高数值孔径的第一透镜聚焦形成捕获光阱，将微粒投送到光阱所在区域实现微粒的捕获；打开第二激光器出射用于微粒预加热的激光，经过第二光调制器处理后射入真空腔，加热前调整经过第二激光器、第二光调制器的光束，使其对准被捕获的微粒；打开真空泵对真空腔抽真空，调节第二激光器输出功率，使激光对微粒的加热速率大于散热速率，从而使微粒温度升高；在真空腔内真空度至略大于光阱有效捕获区域第一次缩小的真空拐点时，停止抽真空，继续加热微球，直至残余吸附释放完毕，关闭第二激光器；其中第二透镜用于收集微粒散射光的变化，收集信号进入光电探测器，监控微粒脱附状态，控制显示系统用于系统的信号采集与控制。
本发明的有益效果：
（1）提高了微粒在高真空环境下的稳定捕获概率，减小微球制备技术对真空光镊技术的限制，进而推动真空光镊技术的应用，有利于稳定构建仄牛级的极弱力探测器，亚飞克级的纳米颗粒质量探测器，微伽级的加速度计等超灵敏探测器；
（2）微粒在高真空环境下的稳定捕获有利于开展宏观量子现象，微观热力学，超高速转子，近距力学现象等的研究。
附图说明
图1是微粒结构示意图。
图2是光阱中三轴有效捕获范围随真空度的变化曲线，其中光阱为数值孔径为0.8的物镜聚焦激光功率为100 mW，波长为1064 nm的连续光组成。
图3是无预加热时微粒内部和表面杂质释放过程中散射光信号随真空度的变化曲线。
图4是通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的方法流程图。
图5是通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的装置示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先阐述本发明的方法和设计原理。
在基于光阱技术和光悬浮微粒的力学敏感特性搭建的高灵敏度极弱力和加速度传感装置中，由于不存在理想的对光无吸收的悬浮介质，微粒丢失的一个重要原因是微球吸热，运动加剧，进而脱离光阱束缚。如图2所示，无外加热情况时微粒散射光强度随着真空度下降过程逐渐降低，在1mbar附近，微球散射光强度骤降，对应一个较大的杂质脱附过程，之后微粒的散射光强度基本保持恒定。微粒的散射光强度与微粒半径的平方成正比，因此散射光光强减弱对应微球体积变小的杂质释放过程。因此在形成光阱的捕获光的作用下，微粒也会吸热作用，温度升高到一定程度导致微粒表面和内部的杂质脱附，运动加剧，增加了微粒脱离光阱束缚的概率。
此外，在低真空条件下，空气分子多，易于散热，且空气阻尼大，有效捕获范围大，微粒不易丢失；随着真空度的增加，空气分子密度减小，散热速率减缓，空气阻尼减小，光阱的有效捕获范围降低，容易导致微粒脱离光阱力的束缚，从而冲出光阱发生丢失。从图3中可以看出微粒散射光随时间先减弱后保持稳定，与真空度随时间的变化趋势相一致。从室压到1mbar的过程中，微球的散射光光强不断减弱，在1mbar附近，微球散射光强度骤降，对应一个较大的杂质脱附过程，之后随着气压的减小微球的散射光基本保持恒定。微粒的散射光强度与微粒半径的平方成正比，因此散射光光强减弱对应微球体积变小的杂质释放过程。
因此，在光阱有效捕获区域较大的气压下，通过主动激光预加热技术使被光阱捕获的微粒温度升高，促使微粒表面和内部的杂质脱附，利用光电探测器收集的微球散射光信号不再发生变化时判断杂质脱附完全，关闭预加热激光器。提前释放冲量，保证在高真空度时不至于冲出捕获范围，提高微粒在高真空环境下的稳定捕获概率，有利于真空光镊技术在弱力探测和加速度测量等方面的应用研究。
应用实施例
高真空条件下在光阱中悬浮单个二氧化硅微粒。
以悬浮二氧化硅微球的预加热处理进行说明，过程如图4所示。
（1）在室压条件下，将溶胶凝胶法制备的直径200纳米的二氧化硅微粒高倍稀释到异丙醇溶剂中，然后通过雾化喷雾法投送到光阱中，由光阱捕获，实现微球悬浮；
（2）打开预加热激光器，预加热激光器采用波长9微米的激光器，调整光束对准捕获微粒；
（3）打开真空泵，缓慢抽真空；
（4）调节预加热激光器输出功率，使功率密度大于，使微粒加热速率大于散热速率，使微粒温度升高，进而使微粒表面和内部的杂质脱附；
（5）在真空腔内真空度至30mbar时，停止抽真空，继续加热微球，通过光电探测器收集微球散射光信号；
（6）如图2当光电探测器收集信号出现散射光功率衰减到不再变化或者共振频率减小5%时，表明残余吸附释放完毕；
（7）关闭预加热激光器。
继续进行高真空实验。
装置实施例
本发明中通过预加热脱附增强光悬浮微粒真空耐受度的装置，如图5所示，包括第一激光器1、第二激光器2、第一光调制器3、第二光调制器4、第一透镜5、微粒6、第二透镜7、真空腔8、真空泵9、光电探测器10、控制显示系统11。
所述第一光调制器3、第一透镜5、第二透镜7依次布置在所述第一激光器1的出射光路上，且第一透镜5、第二透镜7均位于所述真空腔8中，所述光电探测器10位于第二透镜7折射路线上，所述第二光调制器4位于第二激光器2出射线路上；所述真空腔8与所述真空泵9连接，且所述第一光调制器3、第二光调制器4、光电探测器10、真空泵9分别与所述控制显示系统11连接。其中，第一激光器1和第二激光器2的开关和强度由控制显示系统11控制第一光调制器3和第二光调制器4信号输出来调节；真空腔8内的真空度由控制显示系统11控制真空泵9来调节；其中第二透镜7用于收集微粒散射光的变化，收集信号进入光电探测器10，监控微粒脱附状态。
第一激光器1出射捕获激光，经第一光调制器3处理后射入真空腔8，通过高数值孔径的第一透镜5聚焦形成捕获光阱，将微粒投送到光阱所在区域实现微粒的捕获；打开第二激光器2出射用于微粒预加热的激光，经过第二光调制器4处理后射入真空腔8，加热前调整经过第二激光器2、第二光调制器4的光束，使其对准被捕获的微粒6；打开真空泵9对真空腔8抽真空，调节第二激光器2输出功率，使激光对微粒的加热速率大于散热速率，从而使微粒温度升高；在真空腔8内真空度至略大于光阱有效捕获区域第一次缩小的真空拐点时，停止抽真空，继续加热微球，直至残余吸附释放完毕，关闭第二激光器2。
以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：用于光检测阵列复用的系统及其方法