专利名称：制造、俘获和控制液体中气泡的方法
技术领域：
本发明涉及光学俘获，尤其涉及一种制造、俘获和控制液体中气泡的方法。
背景技术：
俘获和控制微粒在纳米技术和显微技术以及在医学和生物学应用中具有十分重 大的意义。俘获和控制微粒通常包括使用光阱(光学或激光镊子)，对液体中的微粒施加 光压。尽管光镊的力很小，但在某些情况下，对非接触式俘获和控制细胞及其他微粒是足够 的。0JC M. [Acceleration and trapping of particles by radiation pressure"，Phys. Rev. Lett. 24(4)，156-159(1970)]中提供了使用光镊非破坏性的俘获和 移动微粒可行性的例证。从此之后，光镊的设计不断被改进。很多光镊的改进被发展，且很 多应用被提出并研究。例如，专利号为4，893，886、名称为“生物粒子的非破坏性俘获陷阱及其使用方 法”、专利权人为Ashkin等(1990年1月16日)的美国专利描述了用红外激光器进行单束 光梯度力生物微粒俘获的方法和设备。并提到几种俘获模式。另外一篇专利号为5，512，745、名称为“光阱系统及其方法”、专利权人为Finer等 的美国专利(1996年4月30日)公开了一种激光镊子的改进设计。上述系统包括校正脱 靶位置的反馈循环，用来检测微粒位置的基于散射光检测的象限光电二极管探测器，以及 用来改变俘获光束位置的声光调制器或振镜。另外一篇专利号为5，689，109、名称为“控制、处理及观察小颗粒、尤其是生物颗粒 的方法和设备”、专利权人为S1^tze (1997年11月18日)的美国专利公开了由两种不同波 长的激光组成的激光镊子的改进。所述第一激光的聚焦辐射形成光阱，第二激光的聚焦辐 射用于控制微粒。专利号为5，953，166、名称为“激光俘获器”、专利权人为Siikano (1999年9月14
日)的美国专利公开了一种激光俘获器，用于选择俘获如悬浮在介质中的微生物的微粒组 中的微粒。有多项专利涉及到光镊的应用。专利号为6，943，062 B2,名称为“使用光镊去除污染物粒子”，专利权人为Chen等 (2005年9月13日)的美国专利公开了一种在不损伤表面的前提下，基于对粒子的光学俘 获和移动去除表面污染物粒子的方法。专利号为5，445，011、名称为“使用光阱的扫描力显微镜”、专利权人为(ihislain 等(1995年8月四日)的美国专利描述了一种由光学透明筒进行探测的扫描力显微镜，所 述光学透明筒在其轴上具有至少一个尖端，并通过光阱来定位与导向。专利号为7，315，374，名称为“实时监控光俘获碳纳米管”，专利权人为Tan等 (2008年1月1日)的美国专利以及专利号为7，316，982，名称为“使用光阱控制碳纳米管”， 专利权人为Chang(2008年1月8日)的美国专利描述了使用光镊控制液体中的碳纳米管的方法和改进。已知光镊的一些限制包括相对较低的俘获力——激光平均功率为IOmW时的俘获力通常是皮牛顿级别 (PN)，这在某些情况下不够的；通过光镊的激光辐射穿透俘获的微粒，可能会对其造成损害；光镊俘获高于周围液体的折射率的微粒，所以可能不能俘获低折射率及不透明的 微粒。因此，需要研发新型陷阱，以便消除基于辐射压的光镊的缺陷，尤其是实现对低折 射率和不透明微粒的俘获。例如，俘获和控制液体中的气泡在微技术、生物学和医学上有着 许多非常重要的应用。参考文献[Laser—induced hybrid trap for micro—bubbles" ,Appl. Phys. B 71, 801-805,2000]报道了观察使用连续波(CW)氩激光束稳定俘获乙醇液体中微气泡。使用垂 直穿过介质的高斯光束俘获浮在液体表面的微气泡。对该俘获效应的解释包括光压力的存 在和液体介质对流引起的流体力。现有技术中已知的另一种光俘获方法是基于在液体中进行光学击穿。众所周知，由于非线性吸收和击穿等离子体的形成，激光脉冲在液体中的聚焦使 在焦点区域的气泡产生和排出。这些气泡通常是不稳定的、具有多次振荡的空化气泡。空 化气泡的崩溃时间t。(气泡最大和最小时的时间间隔)可通过罗利公式来计算
权利要求
1.一种制造、俘获和控制液体中的微气泡的方法，其特征在于，所述方法包括提供用 于产生激光脉冲辐射的脉冲激光源和聚焦光学装置；用超过聚焦带处液体中的光学击穿阈 值的能量、将脉冲激光辐射聚焦至所述液体中的聚焦带。
2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述将脉冲激光聚焦的步骤包括用干 聚焦光学装置将所述脉冲激光聚焦至所述液体中的一点，从而使所述液体中的焦点的深度 位于物镜的球差补偿深度的附近。
3.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于所述光学聚焦装置的数值孔径范围为 0. 3-1. 65。
4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于所述将脉冲激光聚焦的步骤包括用浸 没聚焦光学装置将所述脉冲激光聚焦。
5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于还包括提供用于将激光光束引导至远 端位置的波导。
6.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于所述脉冲激光源包括适于产生宽度为 lOfs-lOps、波长为350nm-1500nm的激光脉冲的激光源。
7.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于所述脉冲激光源包括产生重复频率为 IOkHz-IOOMHz的的脉冲激光的激光源。
8.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于还包括使所述聚焦带在所述液体中移动。
9.根据权利要求书8所述的方法，其特征在于，使所述聚焦带在所述液体中移动的步 骤包括提供装有液体的容器和用于改变所述容器的位置的变位系统；改变所述容器相对 于脉冲激光光束的位置。
10.根据权利要求书8所述的方法，其特征在于使所述聚焦带在所述液体中移动的步 骤包括相对于所述聚焦光学装置改变脉冲激光光束的入射角。
11.根据权利要求书8所述的方法，其特征在于还包括用控制器来控制聚焦带在液体 中的移动。
12.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于还包括调节脉冲激光光束的能量。
全文摘要
本发明公开了一种制造、俘获和控制液体中气体微泡的方法。该方法包括提供用于产生激光脉冲辐射的脉冲激光源和聚焦光学装置；用超过聚焦带处液体中的光学击穿阈值的能量、将脉冲激光辐射聚焦至所述液体中的聚焦带。同时建议使用聚焦光学装置将激光光束聚焦到其深度与所述聚焦光学装置的球差补偿深度接近的焦点。
文档编号G01N21/01GK102066903SQ200980120574
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月5日 优先权日2008年4月3日
发明者列夫·德沃尔金, 弗拉基米尔·德米特里耶夫, 谢尔盖·澳斯姆柯夫 申请人:彼克斯尔技术有限公司