表面的基模高斯光束的光场捕获区时，微球4易被激光捕获并且稳定悬浮，使用加热器10对传感单元5的空腔7中的液体加热，液体受热蒸发，虽然加热导致微球4的布朗运动会加剧，但是由于光阱力远大于微球4的布朗运动受到的液体分子力，故微球4仍稳定悬浮在光场捕获区。当液体因加热而蒸发完全，微球4最后的状态是悬浮在空气中，实现在空气环境下微球快速光悬浮。微球光悬浮的速度与外界加热功率有关，外界加热功率越大，微球所在环境溶液蒸发速度越快，导致微球光悬浮速度越快(当微球稳定悬浮在溶液中时，微球在竖直方向受到的重力向下，在竖直方向受到的液体浮力向上，竖直方向的散度光阱力向上，竖直方向三个力平衡，此时微球称为微球平衡位置；当微球所在环境溶液逐渐蒸发时，竖直向上的浮力逐渐减小，此时使用光强调制器9改变激光光功率的大小，增大微球4受到的散度光阱力，使微球在竖直方向一直保持在平衡位置，溶液蒸发速度越快，散度光阱力增加越快，当微球所在环境溶液逐渐蒸发完全时，实现在空气环境下微球快速光悬浮)。
[0032]激光器I发射的基模高斯光束，经过透镜2聚焦在传感单元5的空腔7中部，反射棱镜3使光路偏转90°有利于系统的小型化。基模高斯光束对微球4的作用力包括沿光束传播方向的散射力和指向光强较强处的梯度力，当运动的微球4进入基模高斯光束的光场捕获区时，竖直方向上微球4的重力和光阱力与液体的浮力平衡，水平方向上微球4受到光场的梯度力，在线性刚度范围内稳定，微球4易被激光捕获并且稳定悬浮。使用加热器10对传感单元5空腔7中的液体加热，液体受热蒸发，虽然加热导致微球4的布朗运动会加剧，但是由于光讲力远大于微球4的布朗运动受到的液体分子力，故微球4仍稳定悬浮在光场捕获区，当液体因加热而蒸发完全，微球4最后的状态是悬浮在空气中，实现在空气环境下微球4快速光悬浮。微球4光悬浮的速度与外界加热功率有关，外界加热功率越大，微球4光悬浮速度越快，使用光强调制器9改变激光光功率的大小，改变微球4受到的光阱力，控制微球4竖直方向的加速度和运动位移。微球4的运动状态由显微镜8观察。
[0033]本发明装置制作:
1)、制作传感单元5，为透明片状结构，内部有空腔7，表层两侧有第一孔6.1和第二孔
6.2，第一孔6.1和第二孔6.2大小相同，配有两个相同孔盖；
2)、将激光器1、光强调制器9、透镜2、反射棱镜3、传感单元5、显微镜8置于光路中，保证反射棱镜3将光束改变90°方向，保证激光器I经过透镜2后能够聚焦在传感单元5的空腔?中部，保证显微镜8能观察到传感单元5的空腔7中部。
[0034]3)、保证传感单元5的第一孔6.1和第二孔6.2是关闭状态，打开第一孔6.1和第二孔6.2，从第一孔6.1注入无微球4且无杂质的溶液，冲洗空腔7，多次冲洗，保证空腔7的洁净，并用显微镜8观察空腔7是否有杂质，如果有，继续冲洗空腔7，直到空腔7中无任何杂质。
[0035]4)、打开激光器I和光强调制器9，打开第一孔6.1，关闭第二孔6.2，使用移液器吸取微球4溶液，通过第一孔6.1向传感单元5的空腔7中注入微球4溶液，立即使用孔盖关闭第一孔6.1，用显微镜8观察微球4的运动，使用光强调制器9调节光功率的大小和透镜2的位置，使微球4运动到光场捕获区时被光束捕获。
[0036]5)、微球4在液体环境下被捕获并且稳定悬浮时，使用加热器10给传感单元5的空腔7中的液体加热，用显微镜8观察微球4运动状态，使用光强调制器9调节光功率的大小，保证微球4仍稳定悬浮在光场捕获区，当液体因加热而蒸发完全，微球4最后的状态是悬浮在空气中，实现在空气环境下微球4光悬浮。
[0037]6)、排出微球4，打开两个孔盖，从第一孔6.1注入无微球4无杂质的溶液，显微镜8下观察到微球4从第二孔6.2排出完全，立即使用孔盖关闭第一孔6.1和第二孔6.2。
【主权项】
1.一种微球快速光悬浮的装置，包括透明的传感单元(5)，其特征在于，传感单元(5)内部设有空腔(7)，空腔(7)用于给微球(4)光悬浮提供空间，传感单元(5)表层设有第一孔(6.1)、第二孔(6.2)，第一孔(6.1)用于提供微球(4)进入空腔(7)的通道，第二孔(6.2)用于提供微球(4)排出空腔(7)的通道，基模高斯光束聚焦在微球(4)上。
2.根据权利要求1所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述传感单元(5)连接加热器(10)，加热器(10)用于传感单元(5)的空腔(7)中的微球溶液加热。
3.根据权利要求1所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述传感单元(5)下方设有一个反射棱镜(3 )，反射棱镜(3 ) 一侧依次设有:激光器(I)、光强调制器(9 )、透镜(2);激光器(I)用于提供基模高斯光束； 光强调制器(9)用于调节光路中光功率的大小； 透镜(2)用于基模高斯光束的聚焦； 反射棱镜(3 )用于将光路改变90 °射出。
4.根据权利要求1或2所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述传感单元(5)为透明片状结构，其位于显微镜(8)上。
5.根据权利要求1所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述第一孔(6.1)、第二孔(6.2)大小相同，第一孔(6.1)、第二孔(6.2)分别设置有两个孔盖。
6.根据权利要求1所述一种微球快速光悬浮的装置，其特征在于，所述微球(4)为微米量级的二氧化硅微球、或者微米量级的聚苯乙烯微球。
7.一种微球快速光悬浮的方法，其特征在于，微球溶液从第一孔(6.1)注入传感单元(5)的空腔(7)中，由于微球溶液的流动性，微球(4)会向第二孔(6.2)方向流动；当微球(4)流过置于传感单元(5)下表面的基模高斯光束的光场捕获区时，微球(4)易被激光捕获并且稳定悬浮。
8.—种微球快速光悬浮的空气环境形成方法，其特征在于，使用加热器(10)对传感单元(5)的空腔(7)中的微球溶液加热，微球溶液受热蒸发，最终微球溶液受热蒸发完全时，微球(4)所处环境为空气环境。
9.一种空气环境下的微球快速光悬浮方法，其特征在于，对传感单元(5)的空腔(7)中的微球溶液加热，微球(4)的布朗运动会加剧，但是由于光阱力远大于微球(4)的布朗运动受到的液体分子力，故微球(4)仍稳定悬浮在光场捕获区；当微球溶液因加热而蒸发完全，微球(4)最后的状态是悬浮在空气中。
10.如权利要求9所述一种空气环境下的微球快速光悬浮方法，其特征在于，使用光强调制器(9)改变激光光功率的大小，改变微球(4)受到的光阱力，控制微球(4)竖直方向的加速度和运动位移。
【专利摘要】一种微球快速光悬浮的方法及装置，包括透明的传感单元，传感单元内部设有空腔，空腔用于给微球光悬浮提供空间，传感单元表层设有第一孔、第二孔，第一孔用于提供微球进入空腔的通道，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。所述传感单元连接加热器，加热器用于传感单元的空腔中的微球溶液加热。本发明一种微球快速光悬浮的方法及装置，微球光悬浮系统更加轻型化、小型化，低成本；微球在液体环境下的光悬浮比微球在空气环境下的光悬浮更易实现，采用加热方法使微球所处的液体蒸发完全，从而使微球在液体环境下的光悬浮转变到空气环境下的光悬浮，提高了空气环境下微球从未悬浮状态到光悬浮状态的速度。
【IPC分类】G02F1-01
【公开号】CN104765165
【申请号】CN201510185270
【发明人】王飞, 邹红波, 饶超平
【申请人】三峡大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月20日