一种基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法

技术领域

本发明涉及微纳米流体领域，特指一种基于激光等离激元效应而产生的微米级空化气泡在固体物体附近周期性、循环生成的实现方法和技术手段。

背景技术

随着微流体芯片在即时诊断、血液检测、微型反应容器以及药物研发等重要领域的广泛应用，其在近二十年备受关注。而人类对于其小型化、高效化、便携化以及环保化的追求，使得微流体器件内部以层流为主的低雷诺数流动与更高效、精准的微纳米流体运动之间的矛盾越为激化，寻找更为高效的微流体主动扰动方式就尤为重要。

目前已有的微流体扰动中的常用方法包括声表面波震动法、离心法、热马兰戈尼法等。其中声表面波震动法是依靠微流道中预先设置的微结构在超声的作用下产生震动对局域范围内的流体实现扰动，包括使用微流道中在液体流过时设计孔位截留的空气气泡表面、微流道中预先设计加工的微结构等。离心法则需要在微流道中提前设计多处圆环状流道，利用液体流过时产生的向心加速度来使内外圈液体扰动混合。热马兰戈尼法则以激光照射时产生的气泡为基础，利用第二束激光对气液交界处进行加热引发局域热马兰戈尼对流，实现局域内流体的大范围扰动。

综上所述，表面声波震动法和离心法都需要提前对微流道进行特异性设计，难以避免冗杂的电气连接，对于场景的适用性较弱，实现过程较为复杂。热马兰戈尼法需要多束光束同时进行控制，操作难度大。因此简单易用、适用性较高的新型微流体扰动方法就显得尤为重要。基于激光等离激元效应的空化气泡，具有～20m/s的膨胀速度，能够引起强烈的微米级局部扰动，只需要利用微流道中的流道壁面或是胶体微球等引发流场不对称的物体，就能在局域流体实现周期性的循环生成空化气泡，引发局域内强烈的流场扰动。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有微流体扰动技术存在的不足，提出基于激光等离激元效应而产生的微米级空化气泡在固体物体附近周期性、循环生成的技术方法，实现操作简单、成本低廉、高效的局域流体扰动。

为实现上述目的，本发明包括：提供一种基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，该方法使用位于等离激元共振波段的连续波激光，经显微物镜聚焦后照射到放置于液体水环境中的、贵金属纳米粒子覆盖的熔融石英样品表面；提前调整激光将光斑定位于样品表面的固体物体附近，打开激光，超过阈值功率的激光会在光斑位置引发微米级空化气泡成核、生长和坍缩；光斑附近的固体物体作为流场边界会使气泡在坍缩过程中产生朝向固体物体的运动，从而使坍缩后的气泡核脱离光斑区域钉扎；光斑区域重新由液体覆盖，在持续激光能量输入的情况下光斑位置处能够引发再一次空化气泡成核，因而形成高频率、周期性的空化气泡成核、生长与坍缩过程。

进一步的，所述贵金属纳米粒子为金纳米粒子。

进一步的，所述固体物体为表面平整的长方体物体或球形物体，作为流场边界存在于样品表面。

进一步的，激光光斑离固体物体距离L<500μm。

进一步的，本发明使用位于等离激元共振波段的激光照射贵金属纳米粒子，迅速的将光能转化为热，使周围液体汽化产生空化气泡。

进一步的，本发明将激光光斑调整至固体物体附近，能够打破空化气泡周围流体环境的对称性，使气泡受到不对称压力而产生运动，脱离光斑区域的钉扎，让液体重新覆盖光斑区域。

进一步的，通过改变输入激光的功率，能够控制空化气泡周期性生成的频率与尺寸。

进一步的，通过改变输入激光的功率，能够控制光斑所在的实现周期性空化气泡区域的范围大小。

进一步的，通过对输入激光进行脉冲宽度调制，能够控制空化气泡周期性生成的频率。

发明的效果

本发明与以往的方法相比，仅通过将激光光斑调整至固体物体附近，即可实现基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成；且通过调节激光强度及脉冲宽度调制可以实现对空化气泡的生成频率、尺寸、周期性生成区域范围大小的控制，操作简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明生成周期性空化气泡操作示意图。

图2为本发明实现的100Khz周期性空化气泡实例时间序列图。

图3为本发明实现的约10Khz周期性空化气泡实例时间序列图。

图4为本发明实现的12.5Khz周期性空化气泡实例时间序列图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

本发明基于熔融石英样品表面固体物体与激光光斑之间的相对位置控制，打破流场边界条件的对称性，使空化气泡发生不对称坍缩和运动，光斑区域重新由液体覆盖，避免气泡核在光斑区域的继续生长，实现简单高效的表面空化气泡高频率周期性生成，为实现局域流体精准扰动提供了强有力的工具。整个实现过程如图1所示，包括了贵金属纳米粒子覆盖的熔融石英样品1、固体物体2、连续波激光3、空化气泡4，激光光斑离固体物体距离L。

本发明在实施前预先将激光光斑定位于样品表面的固体物体附近，调整激光功率超过阈值功率，实施时打开激光并保持常开状态或按预先设定占空比进行脉冲宽度调制，等离激元效应迅速的将光能转化为热，使周围液体汽化实现周期性产生空化气泡。

本发明的发明人已进行实验，在下面的实施例中给出数据结果。

实施例1

设定激光功率为135mW，激光光斑中心与固体物体距离L为15μm，采用高速相机对生成的空化气泡实时图像采集。

如图2所示，实验表明当开启激光并照射样品表面时，光斑位置处产生空化气泡，气泡经历坍缩过程时产生朝向固体物体的移动，光斑区域重新由液体覆盖，避免气泡核在光斑区域的继续生长，实现样品表面空化气泡100Khz周期性生成。

实施例2

设定激光功率为74mW，激光光斑中心与固体物体距离L为40μm，采用高速相机对生成的空化气泡实时图像采集。

如图3所示，实验表明当开启激光并照射样品表面时，光斑位置处产生空化气泡，且气泡尺寸大于实施例1中的情况，气泡经历坍缩过程时产生朝向固体物体的移动，光斑区域重新由液体覆盖，避免气泡核在光斑区域的继续生长，实现样品表面空化气泡约10Khz周期性生成。

实施例3

设定激光功率为135mW，激光光斑中心与固体物体距离L为15μm，对激光进行35％占空比的脉冲宽度调制方式(即每一个激光周期内，激光开启时间：28μs，激光关闭时间：52μs)，采用高速相机对生成的空化气泡实时图像采集。

如图4所示，实验表明当开启激光并照射样品表面时，光斑位置处产生空化气泡，气泡尺寸相近于实施例1中的情况，气泡经历坍缩过程时产生朝向固体物体的移动，光斑区域重新由液体覆盖，避免气泡核在光斑区域的继续生长，实现样品表面空化气泡约12.5Khz周期性生成。

实施例1与实施例2的实验对比，表明了通过调整激光功率，能够控制空化气泡周期性生成的频率与尺寸，能够控制光斑所在的实现周期性空化气泡生成的区域范围大小。

实施例1与实施例3的实验对比，表明了通过对输入激光进行脉冲宽度调制，能够控制空化气泡周期性生成的频率。