一种利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法与流程

本发明涉及微纳米技术领域，具体涉及一种利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法。

背景技术：

液面具有阻力小、低磨损、生物细胞(组织)友好、易操作等特点，以液面为载体的非接触式宏微操作能够有效降低粘黏现象，可用于实现二维的操作、组装或重构等功能，在微装配、药物筛选分离、物理化学实验以及生物工程等领域具有广阔的应用前景。目前，可用于微小物体液面微操作的技术，最常见的是光学镊子，利用光子冲击产生的光阱实现微粒的捕获操作，由于光子动量小，基于光镊技术的操作主要面向微米级以下的物体，相应的光学系统复杂、成本高且操作效率偏低，与之类似的还有磁镊、声镊技术；此外，基于外加电场(电泳、介电泳)或磁场的液面驱动方式，则在通用性、操作精度、单目标操作等方面存在诸多不足。在微纳米技术高速发展的今天，开发通用、高效、跨尺度、高精度的液面无损微操作方法与技术，对推进微纳米技术的应用化具有重要意义。

综上，现有的光镊技术成本高、操作效率低以及外加电场或磁场的液面驱动通用性、操作精度差。

技术实现要素：

本发明为解决现有的光镊技术成本高、操作效率低以及外加电场或磁场的液面驱动通用性、操作精度差的问题，进而提供一种利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法是按着以下步骤实现的：

步骤一、捕获目标物：

采用多束激光对漂浮于液面的微小物体进行照射加热，通过调整激光束在液面上的光斑的位置，使光斑中心均位于目标物体边缘外侧，借助液面的表面张力作用将目标物体束缚在激光束之间；

步骤二、移动激光束：

通过手动或自动控制移动激光束,对漂浮于液面的微小物体进行液面微移动操作；

步骤三、调节激光束：

调节激光束的能量、波长、脉冲频率、光斑大小、间距参数，对漂浮于液面的微小物体进行微操作。

在一个实施方案中，多束激光的数量至少为两束，且激光束在液面上的光斑中心均位于目标物体边缘外侧。

在一个实施方案中，所述液面微小物体表面张力微操作方法采用的激光发射装置包括z向移动平台11、y向移动平台12、x向移动平台13、底座14、z向转台20、激光头座19和多个激光头18；x向移动平台13安装在底座14上，y向移动平台12安装在x向移动平台13上，z向移动平台11的一端安装在y向移动平台12上，z向转台20安装在z向移动平台11的另一端上，激光头座19安装在z向转台20的下端面上，多个激光头18安装在激光头座19上。

在一个实施方案中，多个激光头18均布安装在激光头座19上。

在一个实施方案中，漂浮于液面的微小物体的尺寸为亚毫米级至亚厘米级之间。

在一个实施方案中，步骤一中液面为气体-液体界面或两种不相溶液体界面。

在一个实施方案中，步骤二中液面微移动操作为二维液面上的平动或转动。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法采用激光束照射实现目标物体的捕获，定位精度高，可以实现选择性目标物体操作，采用激光照射成本低；

本发明的利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法利用光热效应诱导表面张力作用，可操作不同材质的目标物体，通用性高；

本发明的利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法由于尺度效应，目标物体尺度降至毫米级及以下时，表面张力作用逐渐占主导作用，通过诱导表面张力作用实现微小物体微操作，操作效率高；

本发明的利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法借助表面张力作用，能够操作亚厘米级至亚毫米级物体，即跨尺度微操作；

本发明的利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法采用激光束照射的方式，非接触式，通过合理控制激光束参数，对目标物体及液体环境的损伤小、污染小；

本发明通过控制激光束的运动，可实现可编程可控的高精度液面微操作，本发明应用于微装配、药物筛选分离、物理化学实验以及生物工程领域。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式三中激光发射装置的结构示意图；

图2是本发明的具体实施例一的激光诱导表面张力作用原理图；

图3是本发明采用多束激光照射实现液面目标物体移动操作的原理图；

图中：1为右侧表面张力、2为右侧三相接触线、3为激光束、4为左侧三相接触线、5为左侧表面张力、6为目标物体、7为温度场、8为液面、9为第一激光束、10为第二激光束、11位z向平动台、12为y向平动台、13为x向平动台、14为底座、15为容器、16为液面、17为第三激光束、18为激光头、19为激光头座、20为z向转台。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式的利用多束激光实现液面微小物体表面张力微操作方法步骤如下：

步骤一、捕获目标物：

采用多束激光对漂浮于液面的微小物体进行照射加热，通过调整激光束在液面上的光斑的位置，使光斑中心均位于目标物体边缘外侧，借助液面的表面张力作用将目标物体束缚在激光束之间；

步骤二、移动激光束：

通过手动或自动控制移动激光束,对漂浮于液面的微小物体进行液面微移动操作；

步骤三、调节激光束：

调节激光束的能量、波长、脉冲频率、光斑大小、间距参数，对漂浮于液面的微小物体进行微操作。

具体实施方式二：如图3所示，本实施方式多束激光的数量至少为两束，激光呈围栏状，且激光束在液面上的光斑中心均位于目标物体边缘外侧。如此设计，激光束围栏将目标物体6围在中央，当多激光束同时移动时，目标物体6与任一激光束发生接触，均会产生将目标物体6推向激光束围栏中央的表面张力作用，通过合理控制激光束参数、移动速度，能够将目标物体6始终束缚在激光束围栏之内，进而通过控制激光束的运动实现目标物体6的液面微操作。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式所述液面微小物体表面张力微操作方法采用的激光发射装置包括z向移动平台11、y向移动平台12、x向移动平台13、底座14、z向转台20、激光头座19和多个激光头18；x向移动平台13安装在底座14上，y向移动平台12安装在x向移动平台13上，z向移动平台11的一端安装在y向移动平台12上，z向转台20安装在z向移动平台11的另一端上，激光头座19安装在z向转台20的下端面上，多个激光头18安装在激光头座19上。如此设计，可通过调节各激光头安装角度来调整液面16上形成的激光束围栏的形状、大小，以适应不同形状、大小的目标物体6，通过控制四自由度运动台的运动，实现目标物体6在液面16上的二维平动或转动微操作。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式多个激光头18均布安装在激光头座19上。如此设计，可通过调节各激光头安装角度来调整液面16上形成的激光束围栏的形状、大小，以适应不同形状、大小的目标物体6。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式漂浮于液面的微小物体的尺寸为亚毫米级至亚厘米级之间。如此设计，可以通过激光照射，借助光热效应诱导表面张力作用实现微小物体的捕获。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：如图1和图3所示，本实施方式步骤一中液面为气体-液体界面或两种不相溶液体界面。如此设计，以液面为载体的非接触式宏微操作能够有效降低粘黏现象，具有阻力小、低磨损、生物细胞友好、易操作的特点。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：如图1和图3所示，本实施方式步骤二中液面微移动操作为二维液面上的平动或转动。如此设计，可以通过手动或自动控制激光束的移动，实现目标物体的二维操作。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

实施例：

如图3所示，采用多束激光同时照射实现液面目标物体捕获及移动操作：目标物体6漂浮于液面8上，采用第一激光束9、第二激光束10多束激光同时投射至目标物体6四周，激光束围栏将目标物体6围在中央，当多激光束同时移动时，目标物体6与任一激光束发生接触，均会产生将目标物体6推向激光束围栏中央的表面张力作用，通过合理控制激光束参数、移动速度，能够将目标物体6始终束缚在激光束围栏之中，进而通过控制激光束的运动实现目标物体6的液面微操作，本实施例不局限于第一激光束9和第二激光束10。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落在本发明的保护范围。

工作原理：

本发明基于光热效应，利用两束或两束以上激光同时对漂浮于液面的微小物体进行局部照射加热，借助表面张力作用将物体始终束缚在激光束之间，通过移动激光束实现物体的液面移动操作，通过改变激光束属性及间距可操作不同尺度、不同形状、不同材质的微小物体。

激光诱导表面张力原理：

如图2所示，利用激光束诱导表面张力作用，目标物体6漂浮于液面8上，激光束3光斑投射至目标物体6的右侧边缘附近位置，借助光热效应，在目标物体6上产生温度场7，致使右侧三相接触线2处的温度升高，即高于左侧三相接触线4处温度，由于表面张力系数与温度负相关，右侧表面张力1减小，而左侧表面张力5保持不变，故在目标物体6左右两侧沿水平方向产生一表面张力差作用，驱动目标物体6发生运动。