[发明专利]一种光悬浮式微球的起支方法及装置

说明书

本发明公开了一种光悬浮式微球的起支方法及装置，可用于光阱加速度计微球的快速起支。本装置利用电磁碰撞的方法能够轻易获取微球脱离基片表面所需的巨大加速度，碰撞的可重复性强，可实现微球的快速脱离和悬浮。本装置利用单光束光阱与对接光纤的耦合光功率的变化量作为微球是否悬浮成功的有效判据。本发明的优点在于利用简单的电磁装置快速、可重复地实现微球的光悬浮，无需传统的显微成像结构和昂贵的压电振动器件，微球悬浮的可控性和重复性高。

技术领域

本发明涉及一种基于电磁碰撞方法实现光悬浮式微球快速起支的装置，属于惯性测量技术、光学工程领域以及微颗粒悬浮领域。

背景技术

光阱加速度计利用聚焦的激光光束捕获微球，通过测量微球的位置或者所受的光阱力来获取惯性组件加速度信息。根据微球所处的环境，光阱加速度计可分为光阱液浮式加速度计和光阱悬浮式加速度计，微球所处的环境分别为液体、气体或真空。相比光阱液浮式加速度计，光阱悬浮式加速度计克服了微粒在液体中的布朗运动和液态环境中的分子粘滞力、光泳效应等，提高了微球位置测量的稳定性，精度可达ng级；同时，光阱悬浮式加速度计也降低了对传感空间的封装要求。相应地，气体或真空的环境对光阱悬浮式加速度计的微粒起支也提出了更高的要求。光阱传感基片单位中微粒的初始捕获和稳定悬浮是光阱悬浮式加速度计的技术难点。

当微粒的尺寸为1微米到100微米的量级时，微粒与基片表面的黏附力包括范德华力、毛细力和静电力等。微粒与基片表面的黏附力大小受环境湿度、基片表面形貌、微球和基片材料和几何特性等因素影响，其大小为微球自身重力的10⁴倍以上的数量级。为了使微球脱离传感基片表面，需要提供巨大的加速度。

实现微球在光悬浮中起支的传统方法是：在传感基片下表面黏结压电陶瓷；压电陶瓷在驱动电源驱动下振动，带动传感单元底部的基片和基片上黏附的微球一起振动，当压电陶瓷工作在谐振频率时，基片表面与微粒的黏附力不能提供微球随传感单元一起振动所需的加速度，微球从传感单元基底表面脱离。脱离基底表面的微球被竖直向上的激光捕获，微球在光阱力、空气浮力和自身重力的平衡下稳定悬浮在空气环境中。

利用压电陶瓷实现微球悬浮的方法要求压电陶瓷驱动器具有足够大的驱动能力，在谐振频率处能为压电陶瓷产生足够的驱动电流。微球起支的成功率取决于微球与基片表面的黏附力大小，对于特定的压电陶瓷振动系统，需要调节驱动器功率才能提高微球起支所需的加速度。悬浮过程耗时较长，需要通过显微镜等成像系统观察判断微球是否悬浮成功。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种光悬浮式微球的起支方法及装置。

本发明提供了一种基于电磁碰撞实现微球脱离基片表面的方法，和一种基于单光束光阱与对接光纤的耦合光功率的变化量来判断微球是否悬浮成功方法。将两者结合得到一种有别于传统方案的光悬浮式微球起支方法。相比传统的压电陶瓷高频振动起支方法，利用电磁碰撞的方法能够轻易获取微球脱离基片表面所需的巨大加速度，碰撞的可重复性强。本发明适用范围包含且不限于光阱加速度计装置，同样也适用微颗粒悬浮领域其他需要微球快速脱离表面的场合。

本发明的技术方案的具体步骤如下：

控制器发送指令给电磁铁组，驱动电磁铁组内的两块电磁铁交替工作，带动光阱传感基片在两块电磁铁之间往返运动，并在电磁铁表面发生碰撞；碰撞瞬间微球获得加速度，克服自身与基片表面的黏附力并脱离基片表面；

每次碰撞过程中，脱离基片表面的微球部分经过竖直向上的单光束光阱的有效捕获区域，进入有效捕获区域的微球在自身重力与光阱力的平衡下实现悬浮；微球经过有效捕获区域的概率取决于脱离基片表面的微球的数量和空间分布的密度，也取决于微球脱离基片表面后的运动状态。可以通过在光阱传感基片内制作微型捕获腔，提高微球的空间分布密度，约束微球的运动范围，从而提高微球的捕获概率。