[发明专利]一种基于光微流染料激光的流速传感方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于光微流染料激光的流速传感方法及装置。该流速传感系统包括高重频脉冲激光器、透镜、反射镜、法珀腔镜、微量进样泵、注射器、塑料毛细管、2根方形玻璃毛细管、光电探测器和数据采集卡。染料注入毛细管，法珀谐振腔提供光反馈，并在脉冲激光泵浦下形成微流激光。微流的流速增大，微流激光输出的衰减时间越长。基于此原理，实现流速传感。本发明具有灵敏度高、集成度高的特点。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于光微流染料激光的流速传感方法。

背景技术

微流速的控制与测量对许多微流控芯片应用都至关重要。在流式细胞分析、微粒/细胞计数与分选中，流速直接决定了检测或分选速度，常用于确定单位体积内细胞的绝对数量；在生物制药中，流速也起着重要作用，例如影响细胞增殖、单克隆抗体产生；在化学微反应器研究中，流速直接决定了微液滴形成的速率及其尺寸。因此，微流体的流速控制及其精确测量十分必要。

传统微流速传感方法包括电化学、光热效应、悬臂梁、粒子示踪测速等，其测量范围、灵敏度往往不能满足需求。光微流激光采用微量体积(微升到纳升量级)的液体材料作为增益介质，结合激光谐振腔的高品质因子，可实现高灵敏度传感，并且容易与微流控芯片集成。

发明内容

针对上述问题或不足,本发明根据液体流速增大，微流激光输出的衰减时间越长的特点提出了基于光微流染料激光的流速传感方法。该流速传感方法具有灵敏度高、体积小等特点。

本发明涉及的一种基于光微流染料激光的流速传感方法，传感方法包括以下步骤：

步骤1：将方形玻璃毛细管置于两块法珀腔镜之间，构成法珀谐振腔；

步骤2：将罗丹明染料注入需要检测流量的方形玻璃毛细管，采用高重频脉冲激光器作为泵浦激光，法珀谐振腔提供光反馈，形成微流激光；

步骤3：由光电探测器接收微流激光，并记录电压信号随时间衰减曲线；

步骤4：改变微量进样泵的流速，重复步骤3，测得一系列流速对应的电压随时间衰减曲线；

步骤5：实际测量流速时，采用步骤1到步骤3的方法获得电压随时间衰减曲线，对比步骤4获得的一系列不同流速下的衰减曲线，获得当前的流速。

进一步的，所述步骤5的具体方法为：

步骤5.1：以电压衰减至初始电压的1/e所需要的时间作为衰减时间,e为自然对数的底数，通过函数t＝A exp(x/τ)+t₀拟合衰减时间与流速的关系得到标定曲线(即：衰减时间(Y轴)随流速(X轴)的变化趋势)，t为流速为x时对应的衰减时间，A,τ,t₀为拟合参数；

步骤5.2：实际测量流速时，通过测得衰减时间t，结合拟合函数和拟合参数，反推得到待测流速。

进一步的，所述脉冲激光的参数为：重复频率为4kHz-8KHz，脉冲宽度为5ns-9ns。一方面，该激光器较高的重复频率增强了染料的光漂白效应；另一方面，较窄的脉冲宽度使其具有较高的峰值功率，更容易达到激光阈值。

一种采用基于光微流染料激光的流速传感方法的装置，该装置包括：高重频脉冲激光器、透镜、反射镜、法珀腔镜、微量进样泵、注射器、塑料毛细管、方形玻璃毛细管、光电探测器和数据采集卡。其中微量进样泵控制注射器向塑料毛细管注入微量罗丹明染料，塑料毛细管连接方形玻璃毛细管，方形玻璃毛细管设置于法珀谐振腔的两块法珀腔镜之间；采用高重频脉冲激光器发出激光，通过透镜汇聚于两块法珀腔镜之间的方形玻璃毛细管作为泵浦激光，法珀谐振腔提供光反馈，形成微流激光；由光电探测器接收微流激光，并记录电压信号随时间的变化曲线；通过该变化曲线计算出流速。

进一步的，所述法珀谐振腔的两块法珀腔镜之间设置两根方形玻璃毛细管，一根通过微流液体，另一根起支撑作用。