一种利用微结构实现微球操控及激光推进效率提高的方法与流程

本发明属于微纳光子动力学领域，具体涉及一种利用微结构实现微球操控及激光推进效率提高的方法。

背景技术：

脉冲激光推进作为一种具有潜在研究价值的推进技术，与传统的化学推进技术相比，具有比冲高、载荷量大、费用低等优点。推进模式分为大气呼吸模式和烧蚀模式，二者区别在于工作物质来源不同，前者来源于周围空气，不需要额外的携带推进剂；后者来源于物体本身。但是大气呼吸模式只适用于低空，随着物体海拔上升，推进模式以烧蚀模式为主。脉冲激光推进的基本原理是：在脉冲激光照射到靶材料表面后，分子或原子经过光致电离和雪崩电离形成可膨胀的等离子体，通过反冲作用推动靶材料。此外，还有光压以及材料本身的热膨胀的也起到推动作用。在深入的研究探索中，脉冲激光推进技术有望应用到一些特殊环境中，如在核反应过程中器件表面的杂质粒子的清除，杂质粒子受到脉冲激光照射后汽化挥发，可以确保核反应的顺利进行；在医学领域的靶向给药，利用推进技术直接将药物运送到病变区，实现有效的治疗。因此，脉冲激光推进技术在微观领域的应用具有非常重要的意义。

脉冲激光推进概念是在1972年a.kantrowitz首次提出。2011年，来自南开大学的杨建军等人公开了利用激光制备微结构靶提高激光推进冲量耦合系数的方法【中国专利申请号：201110087843.6】，通过改变靶材的结构来提高冲量耦合系数。

随着对脉冲激光推进技术的深入研究，逐渐由宏观领域延伸到微观领域。2004年，南开大学张楠等人通过改变推进材料和使用高功率的飞秒脉冲激光，提高了推进效率，其中冲量耦合系数达到5.0dyne/w【lightpropulsionofmicrobeadswithfemtosecondlaserpulses.opt.express,2004,12(15):3590-3598】；2008年，中科院物理研究所的郑志远等人通过改变靶材料的表面结构明显的提高了推进效率，其中冲量耦合系数达到1785dyne/w【transmittedlaserpropulsioninconfinedgeometryusingliquidpropellant.appl.phys.a,2008,91:357-360】；2011年，黑龙江省哈尔滨工业大学李寒阳等人通过改变锥形光纤尖端出射的脉冲激光能量来推进微球，发现微球的动量正比于脉冲激光能量【observationofmicrospheremovementdrivenbyopticalpulse.opt.letters,2011,36(11):1996-1998】，但是微球的运动轨迹有偏移。结论得出，脉冲激光的推进效率依赖于激光参数和材料特性。虽然脉冲激光推进技术具有不可替代的优点，但是脉冲激光能量在传播过程中造成能量的损失不可避免，使得推进效率降低。本发明提供一种利用微结构实现微球操控及激光推进效率提高的方法，涉及脉冲激光在微结构中空气电离产生的等离子体受到石英毛细管的限制，减少了能量的损失，使得等离子体沿管壁膨胀，从而提高推进效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种利用微结构实现微球操控及激光推进效率提高的方法，采用新型的微结构限制等离子体的膨胀来提高推进效率，并提供了基于脉冲激光推进的、可操控粒子运动方向的微结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种利用微结构实现微球操控及激光推进效率提高的方法，具体的实现步骤为：

步骤1.在经过处理的玻璃微球107中挑选形状、大小与石英玻璃管106匹配的玻璃微球107作为推进靶材料；

步骤2.确定脉冲激光的参数设置，使脉冲激光光源101发射的纳秒脉冲激光焦点聚焦照射到多模光纤105横截面处，确保进入多模光纤105的脉冲激光能量最大；

步骤3.外界条件保持不变，通过改变脉冲激光光源101输出的能量，实现玻璃微球107在微结构中定向运动；

步骤4.在微结构的末端利用光学光谱仪109进行光谱采集，通过电脑110处理对光谱进行表征；

步骤5.取下微结构，放入到倒有酒精的超声机中进行酒精超声，去除微结构中的杂质粒子；

步骤6.重复步骤1至步骤5。

步骤2所述的脉冲激光光源101发射出波长恒定的脉冲激光聚焦采用的是4×光学显微镜物镜102，聚焦后的脉冲激光束通过光纤分束器103分别进入到能量计104和多模光纤105中，通过能量计104测量出进入多模光纤105的脉冲能量。

步骤3所述的脉冲激光光源101输出的能量是通过调节电压的形式改变的。

步骤3所述的微结构包含石英玻璃管106、多模光纤105、玻璃微球107，高速ccd记录玻璃微球107在微结构中的定向运动过程，根据玻璃微球107的运动距离与运动时间计算运动过程中产生的动量，动量与单个纳秒脉冲能量的比值即为玻璃微球107的推进效率。

步骤4所述的光学光谱仪109探头放置在石英玻璃管106末端。

步骤1所述的玻璃微球107直径为60μm，多模光纤105的横截面直径为125μm、纤芯直径50μm，石英玻璃管106的内径75μm、外径150μm，多模光纤105与石英玻璃管106通过熔接机进行同轴焊接。

本发明的有益效果在于：本发明主要构成器件模光纤、透明玻璃微球、石英毛细管等都为普通光学器件，所以主装置的成本低；本发明推进装置微型化，能够极端环境下完成艰巨任务；本发明实验设置简单，实际操作容易，玻璃微球的运动方向可操控；本发明降低能量的损失，提高推进效率。

附图说明

图1为一种可操控粒子运动方向和提高推进效率的微结构图。

图2为脉冲激光在微结构中推进玻璃微球的结构图。

图3为玻璃微球受到脉冲激光照射之后的运动图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

一种利用微结构实现微球操控及激光推进效率提高的方法，总装置包括能量输出模块1、微结构模块2和等离子体光谱采集模块3；能量输出模块1由脉冲激光光源101、光学显微镜物镜102、光纤分束器103和能量计104构成；微结构模块2由多模光纤105、石英毛细管106、玻璃微球107和交界面108构成；(3)等离子体光谱采集模块3由光学光谱仪109和电脑110构成。

为进一步利用微结构实现微球操控及激光推进效率提高的方法，其步骤是：

步骤1.将选作用于脉冲激光推进的玻璃微球107，放入超声机进行酒精超声清洗，然后取部分溶液放置于载玻片上面，待其自然风干，通过光学显微镜从中挑选形状标准、大小适中的玻璃微球107作为推进材料，另取一段单模光纤，通过拉锥机进行拉锥，最后利用锥形光纤将玻璃微球107推入到微结构中；

步骤2.参见图1，在实际应用中，设置好脉冲激光光源101的参数。参数设定如下：波长为532nm，脉冲宽度为10ns，重复频率为10hz。在标准大气环境中，脉冲激光光源101通过经4×光学显微镜物镜102聚焦，来回移动多模光纤105的端面，使端面放置在焦点处确保进入多模光纤的脉冲激光能量最大，之后通过光纤分束器103分别进入到能量计104和多模光纤105中，通过能量计104可以得知进入到微结构的脉冲能量，选用纤芯直径为50μm的多模光纤105，可以传输更多的脉冲能量。

步骤3.微结构器件：参见图2，一段多模光纤105，纤芯直径为50μm；石英毛细管106，内径为75μm，外径为150μm；透明玻璃微球107直径为60μm；多模光纤105与石英毛细管106则是通过熔接机进行焊接，微结构在制作过程中要保证多模光纤105与石英毛细管106同轴。实验中外界条件保持不变，脉冲激光信号201在多模光纤105的纤芯和包层之间以全反射的形式传播，并且在多模光纤105端面发生反射202，在透明玻璃微球107表面发生反射203和透射206。通过改变纳秒脉冲激光101的能量使得在交界面108出射的能量在2.58～21.67μj之间，脉冲激光能量e1超过空气的击穿阈值，使得空气电离形成高温高压的等离子体204，由于石英毛细管106的限制作用，等离子体膨胀形成的冲击力沿着管壁方向传播推动玻璃微球107做定向运动205，提高了推进效率，并且获得动量p1和位移x1，由于摩擦力和其他阻力的作用运动一定距离后停止。此外，玻璃微球107在微结构中的定向运动过程被高速ccd记录下来，如图3所示。根据玻璃微球107的运动距离可以计算出在运动过程中产生的动量，用动量除以单个纳秒脉冲能量即的到玻璃微球的推进效率和用动量除以消耗的重量即得到玻璃微球107的比冲量。在脉冲能量过大时，微球可能飞出石英毛细管106中，甚至完全破碎。此时，则需要重新挑选玻璃微球107。

步骤4.光学光谱仪109的参数如下：光谱范围530～1100nm，采用100nm的狭缝，分辨率为1nm。在石英毛细管106末端通过光学光谱仪109采集光谱，经电脑110处理进行表征，目的是证明玻璃微球的动力在来源于空气等离子体的膨胀。

步骤5.取下微结构，放入到倒有酒精的超声机中进行酒精超声，去除微结构中的杂质粒子，如果玻璃微球107发生损坏，则重新挑选形状标准、大小适中的玻璃微球107。