光阱中捕获微粒的装置

技术领域

本发明公开了一种微粒捕获装置，具体公开了一种光阱中捕获微粒的装置。

背景技术

光镊是以激光的力学效应为基础的一种物理工具。1969年，美国物理学家A.Ashkin等首次实现了激光驱动微米离子的实验。1986年，A.Ashkin等人又发现，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点附近。

激光聚焦形成的光阱，令微小物体受光压而被束缚在光阱处，由于光阱使用高聚焦的激光来实现对微粒非机械接触捕获，不会产生机械损伤，同时光阱的机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度，是“遥控”的操作，因而微粒几乎不受外界环境影响，从而可以利用光悬浮的微粒完成对外界物理量的探测，获得高探测精度。

空气或真空环境下微粒的初始捕获(即起支)一直是光阱领域的一个技术难点。起支技术在实施过程中，悬浮在空气中的微粒需要进入到光阱的有效捕获区域后，才能被光阱捕获。根据理论计算，光阱的有效捕获区域通常较狭窄。为了保证一定的捕获效率，传统的方法需要将大量微粒投送到光阱区域，不仅造成大量的微粒浪费，而且很容易导致光阱同时捕获多微粒的情况，影响后续的实验；而且大量未被捕获的杂质微粒会污染附近光路；

微粒与微粒以及微粒与物体表面存在黏附力，包括范德华力、毛细力和静电力等。当微粒的尺寸大于较大时，表面黏附力可以忽略不计，当微粒的尺寸小于100微米的量级时，微粒与基片表面的粘附力微粒与基片表面粘附力大小受环境湿度、基片表面形貌、微粒和基片材料和几何特性等因素影响，其大小为微粒自身重力的10

发明内容

为了解决背景中的问题，本发明提出了一种光阱中捕获微粒的装置。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括真空腔、微粒箱、振荡器、电动平移台、光阱和微粒，微粒箱、振荡器、电动平移台、光阱和微粒均位于真空腔内，微粒箱安装在振荡器上，振荡器安装在电动平移台上，微粒箱下端出口的下方设有光阱，微粒箱内部有多个微粒；微粒箱包括箱体和箱盖，箱盖密封于箱体上部，箱体的箱壁垂直于箱体底面，箱体内部开设有漏斗形的微粒腔，微粒腔内有多个微粒，微粒腔下部中心开设有微孔作为出口，微孔贯穿微粒箱底部。

还包括振荡器驱动器和电动平移台驱动器，振荡器驱动器和电动平移台驱动器位于真空腔外，振荡器驱动器与振荡器电连接，电动平移台驱动器与电动平移台电连接。

所述的微孔的直径大于微粒直径并且小于微粒直径的2倍。

所述的微粒腔的腔壁为光滑壁面。

所述的振荡器为压电振荡器，电动平移台为压电平移台。

所述的微粒的材质包括但不仅限于石英、陶瓷和金属。

所述的光阱是由真空腔外的光源产生并入射到真空腔内的激光，但不限于激光。

本发明的有益效果是：

本发明直接将微粒投送到光阱的有效捕获区域，提高光阱捕获效率；同时，通过设计微孔口径的大小，控制投放微粒的数量，避免光阱捕获多个微粒的情况，解决了杂质微粒污染光路系统的问题；微粒腔可装载足够多的微粒，确保试验过程不会因为没有微粒而中断。

附图说明

图1为本发明装置的总体结构示意图；

图2为本发明装置与光阱的位置示意图；

图3为本发明装置投放微粒时的位置示意图；

图4为本发明装置微粒捕获后的位置示意图。

图中：1、真空腔，2、微粒箱，3、振荡器，4、电动平移台，5、光阱，6、箱体，7、箱盖，8、微粒腔，9、微孔，10、微粒，11、箱壁，12、腔壁，13、振荡器驱动器，14、电动平移台驱动器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，装置包括真空腔1、微粒箱2、振荡器3、电动平移台4、光阱5和微粒10，微粒箱2、振荡器3、电动平移台4、光阱5和微粒10均位于真空腔1内，微粒箱2安装在环形的振荡器3上，振荡器3安装在电动平移台4上，振荡器3为压电振荡器，电动平移台4为压电平移台，但不限于此，具体实验中电动平移台4根据微粒10的大小及微粒箱2和光阱5的相对位置选择，微粒箱2下端出口的下方设有光阱5，微粒箱2内部有多个微粒10；微粒箱2包括箱体6和箱盖7，箱盖7密封于箱体6上部，密封方式包括但不限于螺纹密封，箱体6的箱壁11垂直于箱体6底面，箱体6内部开设有漏斗形的微粒腔8，微粒腔8的腔壁12经过抛光打磨后为光滑壁面，微粒腔8内有多个微粒10，微粒腔8下部中心开设有微孔9作为出口，微孔9为圆柱形通孔，微孔9贯穿微粒箱2底部，振荡器3和电动平移台4未挡住微孔9，环形的振荡器3的内径大于微孔9的直径，微孔9的直径大于微粒10直径并且小于微粒10直径的2倍，微孔9的直径大小控制微粒10逐个投放，避免了释放微粒10的堆积和浪费，微粒10的材质为石英、陶瓷和金属中的任一一种，但不限于此。

还包括振荡器驱动器13和电动平移台驱动器14，振荡器驱动器13和电动平移台驱动器14位于真空腔1外，振荡器驱动器13与振荡器3电连接，电动平移台驱动器14与电动平移台4电连接。

如图2、图3和图4所示，启动装置前确认振荡器驱动器13与振荡器3电连接正常，电动平移台驱动器14与电动平移台4电连接正常，以及振荡器驱动器13和电动平移台驱动器14正常工作；大气压下打开微粒箱2的箱盖7，将多个微粒10装载于微粒箱2的微粒腔8内，盖上箱盖7并密封；关闭真空腔1，在真空腔1内的微粒箱2下方设置一个光阱5，光阱5由真空腔1外的光源入射至真空腔1内聚焦形成，光源为激光，但不限于此；启动电动平移台驱动器14，带驱动电动平移台4移动，电动平移台4移动带动微粒箱2移动，直至微粒箱2的微孔9位于光阱5光阱有效捕获区的正上方，停止电动平移台驱动器14；启动振荡器驱动器13，带动振荡器3振动，振荡器3振动带动微粒箱2振动，通过振荡器3工作时产生的加速度力作用，驱使多个微粒10往微孔9口处聚集，同时该加速度力克服微粒10与微粒10以及微粒10与微孔9表面的粘附力，使得一个微粒10在重力和加速度力的作用下从微孔9中下落；若下落的一个微粒10被光阱5有效捕获，则完成捕获，停止振荡器驱动器13工作；若下落的一个微粒10未被光阱5有效捕获，则振荡器3继续工作，使得下一个微粒10从微孔9中下落，直至下落的一个微粒10被光阱5有效捕获；停止振荡器驱动器13工作；启动电动平移台驱动器14，带动电动平移台4移动，使得微粒箱2远离光阱5；停止电动平移台驱动器14。

具体实施例如下：

考虑若微球球径30微米，那么理论上微孔9的孔径设计成Φ30～60微米。若微粒腔1顶面直径为5mm，微粒腔1的高度为5mm，则微粒腔1内可储存的微粒10数量达几千到几十万，确保实验过程不会因为没有微粒10而中断；

综上所述，本发明能精确的控制投放微粒的数量和位置，避免实验中微粒的浪费和污染实验腔内部，微粒腔中储存大量微粒，使得真空腔内有效微粒释放捕获次数从典型的数十次量级提高到数万次量级，因此本发明具有实际的应用价值。