專利名稱：一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光微技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)激光光子動力學基本原理，利用激光光子與物之間的相互作用來實現(xiàn)光操控的方法。
背景技術(shù)：
自1986年Ashkin·A發(fā)明激光光鑷技術(shù)以來，激光光鑷技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)成為捕獲和操控微米尺度和生物細胞的有效手段。
傳統(tǒng)的激光光鑷技術(shù)是建立在激光光子動力學原理之上的，通過將微激光束在透明微粒附近聚焦，在聚焦中心附近產(chǎn)生很強的梯度力，形成“光阱”，利用該“光阱”對處于其中的透明微粒的束縛力來實現(xiàn)微粒的激光光鑷捕獲及操縱，廣泛用于細胞和分子水平的生物研究領(lǐng)域之中。傳統(tǒng)的激光光鑷的操控系統(tǒng)裝置主要包括激光器，強聚焦系統(tǒng)，樣品操作系統(tǒng)，顯微動態(tài)觀測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的激光光鑷操控技術(shù)受到原理性的限制，所操控的對象主要是透明的電介質(zhì)小球，對于不透明、高反射率的材料如金屬微粒還不能夠?qū)崿F(xiàn)直接操控，可以通過在金屬微粒外面包覆一層透明的電介質(zhì)薄膜進行輔助操作。Rodney R.Agayan在Proc.of SPIE Vol.5514，503～513中的發(fā)表的文章“Opticalmanipulation of metal-silica hybrid nanoparticles”里面就介紹了這一點。
目前在激光燒結(jié)金屬粉末的微器件快速成型制造工藝中，對于金屬微粒的直接操控可以有效改善激光燒結(jié)工藝中的熱影響，精密控制燒結(jié)寬度以及深度，然而該層透明包覆薄膜對于微器件的結(jié)構(gòu)、強度以及硬度等都有一定的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)的激光光鑷操控方法無法實現(xiàn)對金屬微粒直接操控的缺陷，充分利用金屬微粒對激光具有較高反射率這一性質(zhì)，提出一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控方法，運用這種方法可以實現(xiàn)對金屬微粒的直接操控。
本發(fā)明的另一目的是根據(jù)本發(fā)明提出的方法，提出用于金屬微粒的激光光鑷微細操控裝置。
本發(fā)明的用于金屬微粒的激光光鑷微細操控方法，是利用二維掃描振鏡系統(tǒng)使激光光束對金屬微粒進行圓周掃描，掃描軌跡將金屬微粒包含在內(nèi)，使激光光束的每一個作用點對金屬微粒的作用力均指向掃描軌跡的曲率中心，從而利用該力將金屬微粒束縛在掃描軌跡的中心，實現(xiàn)對金屬微粒操控的方法；具體步驟如下(1)使用顯微觀測系統(tǒng)選擇適當?shù)拇倏貐^(qū)域；(2)通過二維運動平臺將待操控微粒移至激光輻照作用區(qū)域；(3)調(diào)整二維運動平臺高度，使微粒處在激光束腰位置；(4)打開激光器，利用二維掃描振鏡對激光光束運動方向的控制作用，使激光光束圍繞微粒進行圓周掃描，將微粒包含在掃描圓周軌跡之內(nèi)；(5)保持二維運動平臺不動，調(diào)整二維掃描振鏡的振動方式，使激光束在進行圓周掃描同時作二維陣列運動，陣列的增量在微米量級，調(diào)整激光器輸出功率，使微粒隨著激光束平移的方向運動，同時該微粒被捕獲在掃描圓周軌跡之內(nèi)，實現(xiàn)微粒的搬運；(6)重新調(diào)整激光功率，減小激光對金屬微粒的作用力，釋放金屬微粒。
上述步驟(5)也可由以下步驟替換開啟運動平臺，使二維運動平臺運動，同時調(diào)整激光器輸出功率，使被激光束捕獲的微粒不隨運動平臺一起運動，即微粒仍舊處在激光掃描區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)微粒的搬運。
根據(jù)本發(fā)明的方法設(shè)計的操控裝置包括激光器5、二維掃描振鏡系統(tǒng)6、聚焦鏡7、二維運動平臺8及顯微觀測系統(tǒng)9。其中，激光器發(fā)射的激光光束模式為基模高斯光束，即TEMOO模，二維掃描振鏡系統(tǒng)的精度為微米量級，二維運動平臺的精度為微米量級，顯微觀測系統(tǒng)可以選擇能夠進行在線觀測的系統(tǒng)。
激光器5的作用是發(fā)射激光光源，二維掃描振鏡系統(tǒng)6的作用是控制激光束的掃描運動方向，聚焦鏡7的作用是將激光器發(fā)射出來的激光束會聚成微細激光束，二維運動平臺8的作用是載放金屬微粒以及控制金屬微粒的運動方向，顯微觀測系統(tǒng)9的作用是輔助精確定位以及在線觀測。
由激光器5的發(fā)射的激光光束進入二維掃描振鏡系統(tǒng)6中，從振鏡中出來的激光束被聚焦鏡7會聚成微細激光束，該會聚光束輻照在置于二維運動平臺8上的金屬微粒4上，利用激光光子作用力對該金屬微粒實施操控，顯微觀測系統(tǒng)9的物點對應(yīng)在金屬微粒上，實現(xiàn)輔助精確定位及在線觀測。
本發(fā)明的工作原理激光光子輻照在高反射率金屬微粒上，大部分的激光光子被反射掉，并且反射光子的運動方向遵循反射定律所確定的方向，該方向相對入射激光光束方向有一定的變化，根據(jù)光子動力學原理，光子的運動方向發(fā)生了變化，必然受到微粒對它的作用力，同時光子對金屬微粒也有一相反方向的反作用力，如果該反作用力足以克服外界的干擾力，那么就可以利用該力實現(xiàn)微粒的捕獲、移動等操作。利用二維掃描振鏡系統(tǒng)對激光光束掃描運動方向的控制，使激光光束圍繞微粒進行圓周掃描，將微粒包含在掃描圓周軌跡之內(nèi)，此時激光光子對金屬微粒的作用力指向圓周軌跡的曲率中心，調(diào)整激光器的輸出功率，利用該力將金屬微粒捕獲在掃描圓周區(qū)域以內(nèi)，然后移動二維運動平臺或是利用二維掃描振鏡系統(tǒng)控制激光束的運動，可以實現(xiàn)微粒的搬移等操作。
應(yīng)用本發(fā)明的方法和裝置，能夠利用激光光鑷操控技術(shù)實現(xiàn)對金屬微粒的直接操控，對該操控下的金屬粉末實施激光微燒結(jié)，可以實現(xiàn)微器件快速成型制造。


圖1為激光光子對金屬微粒的光作用力示意圖，圖中F代表聚焦激光光束1在此時對金屬微粒的作用力，F(xiàn)′代表聚焦激光光束運動到位置2時對金屬微粒的作用力。
圖2為本發(fā)明的激光光鑷裝置的組成示意圖；圖示中，1-聚焦激光光束，2-激光光束的位置，3-激光光束掃描軌跡，4-待操控金屬微粒，5-激光器，6-二維掃描振鏡系統(tǒng)，7-聚焦鏡，8-二維運動平臺，9-顯微觀測系統(tǒng)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖具體說明一下本發(fā)明的實施例。
圖2為本發(fā)明的激光光鑷操控裝置的組成示意圖。根據(jù)本發(fā)明的方法設(shè)計的操控裝置包括激光器5，二維掃描振鏡系統(tǒng)6、聚焦鏡7，二維運動平臺8、顯微觀測系統(tǒng)9。
其中，激光器5的作用是發(fā)射激光光源，聚焦鏡7的作用是會聚激光光束，二維掃面振鏡系統(tǒng)6的作用是控制激光束的掃描運動方向，二維運動平臺8的作用是載放金屬微粒以及控制金屬微粒的運動方向，顯微觀測系統(tǒng)9的作用是輔助精確定位以及在線觀測。
由激光器5的發(fā)射的激光光束進入二維掃描振鏡系統(tǒng)6中，從振鏡中出來的激光束通過聚焦鏡7將激光束會聚成微細激光光束，該會聚光光束輻照在置于二維運動平臺8上的金屬微粒4上，利用光子作用力對該金屬微粒實施操控，顯微觀測系統(tǒng)9的物點置于該微粒上，實現(xiàn)輔助精確定位及在線觀測。
結(jié)合本裝置在對金屬微粒進行操控時，具體操作步驟如下(1)使用顯微觀測系統(tǒng)9對放置于二維運動平臺上待操控的金屬微粒4進行粗定位；(2)通過二維運動平臺8將待操控微粒移至激光輻照作用區(qū)域；(3)調(diào)整二維運動平臺8的高度，使激光器發(fā)射的激光光束通過聚焦鏡7聚焦在放置于二維運動平臺8上的金屬微粒4上，使微粒處在激光束腰位置；(4)打開激光器5和二維掃描振鏡系統(tǒng)6，利用二維掃描振鏡對激光光束運動方向的控制作用，使激光光束圍繞待操控金屬微粒4進行圓周掃描，將微粒包含在掃描圓周軌跡之內(nèi)；(5)保持二維運動平臺不動，調(diào)整二維掃描振鏡的振動方式，使激光束在進行圓周掃描同時作二維陣列運動，陣列的增量在微米量級，調(diào)整激光器輸出功率，使微粒隨著激光束平移的方向運動，同時該微粒被捕獲在掃描圓周軌跡之內(nèi)，實現(xiàn)微粒的搬運；(6)重新調(diào)整激光功率，減小激光對金屬微粒的作用力，釋放金屬微粒。
本發(fā)明的操控方法還可以采用另一種實施方式，其他步驟同以上所述，步驟(5)可以由以下步驟代替開啟二維運動平臺8，使二維運動平臺運動，同時調(diào)整激光器輸出功率，使被激光束捕獲的微粒不隨運動平臺一起運動，即微粒仍舊處在激光掃描包含區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)微粒的搬運；本發(fā)明的工作原理圖參見圖1，圖1為激光光子對金屬微粒的光力作用示意圖。根據(jù)上述工作原理可知，聚焦的激光束1輻照在金屬微粒4上對該微粒產(chǎn)生一個遠離光軸方向的作用力F，該力方向即為該點的法線方向，當激光光束運動到2所示的位置時，該激光束同樣對金屬微粒產(chǎn)生一個沿該點法線作用力F’?，F(xiàn)在利用二維掃描振鏡系統(tǒng)6的對激光束運動的控制作用使激光束沿著3所示的軌跡進行圓周掃描，該掃描軌跡將金屬微粒包含在內(nèi)，在激光光束的每一個作用點都對金屬微粒有一個作用力，該作用力指向掃描軌跡的曲率中心。利用該力可以將金屬微粒束縛在掃描軌跡的中心，即可實現(xiàn)金屬微粒的激光捕獲。
本發(fā)明用于金屬微粒的激光光鑷微細操控方法及裝置，不僅僅適用于微米量級的金屬微粒，而且適用于其他不透明、對激光有高反射性的材料。
權(quán)利要求
1.一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控方法，首先使用顯微觀測系統(tǒng)選擇適當?shù)拇倏貐^(qū)域，然后通過二維運動平臺將待操控微粒移至激光輻照作用區(qū)域，調(diào)整二維運動平臺高度，使微粒處在激光束腰位置；其特征在于它是利用二維掃描振鏡系統(tǒng)使激光光束對金屬微粒進行圓周掃描，掃描軌跡將金屬微粒包含在內(nèi)，使激光光束的每一個作用點對金屬微粒的作用力均指向掃描軌跡的曲率中心，從而利用該力將金屬微粒束縛在掃描軌跡的中心，實現(xiàn)對金屬微粒操控的方法；還包括以下步驟1)打開激光器，利用二維掃描振鏡系統(tǒng)對激光光束運動方向的控制作用，使激光光束圍繞微粒進行圓周掃描，將微粒包含在掃描圓周軌跡之內(nèi)；2)保持二維運動平臺不動，調(diào)整二維掃描振鏡的振動方式，使激光束在進行圓周掃描同時作二維陣列運動，陣列的增量在微米量級，調(diào)整激光器輸出功率，使微粒隨著激光束平移的方向運動，同時該微粒被捕獲在掃描圓周軌跡之內(nèi)，實現(xiàn)微粒的搬運；3)重新調(diào)整激光功率，減小激光對金屬微粒的作用力，釋放金屬微粒。
2.一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控方法，首先使用顯微觀測系統(tǒng)選擇適當?shù)拇倏貐^(qū)域，然后通過二維運動平臺將待操控微粒移至激光輻照作用區(qū)域，調(diào)整二維運動平臺高度，使微粒處在激光束腰位置；其特征在于它是利用二維掃描振鏡系統(tǒng)使激光光束對金屬微粒進行圓周掃描，掃描軌跡將金屬微粒包含在內(nèi)，使激光光束的每一個作用點對金屬微粒的作用力均指向掃描軌跡的曲率中心，從而利用該力將金屬微粒束縛在掃描軌跡的中心，實現(xiàn)對金屬微粒操控的方法；還包括以下步驟1)打開激光器，利用二維掃描振鏡系統(tǒng)對激光光束運動方向的控制作用，使激光光束圍繞微粒進行圓周掃描，將微粒包含在掃描圓周軌跡之內(nèi)；2)開啟運動平臺，使二維運動平臺運動，同時調(diào)整激光器輸出功率，使被激光束捕獲的微粒不隨運動平臺一起運動，即微粒仍舊處在激光掃描區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)微粒的搬運；3)重新調(diào)整激光功率，減小激光對金屬微粒的作用力，釋放金屬微粒。
3.一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控裝置，包括發(fā)射激光光源的激光器(5)、將激光器發(fā)射出來的激光束會聚成微細激光束的聚焦鏡(7)、載放金屬微粒的二維運動平臺(8)及顯微觀測系統(tǒng)(9)，其特征在于在激光器(5)與聚焦鏡(7)之間還設(shè)置有控制激光束掃描運動方向的二維掃描振鏡系統(tǒng)(6)，由激光器(5)發(fā)射的激光光束進入二維掃描振鏡系統(tǒng)(6)中，再經(jīng)聚焦鏡(7)會聚成微細激光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控裝置，其特征在于所述的二維掃描振鏡系統(tǒng)(6)的精度為微米量級。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控裝置，其特征在于所述的激光器(5)為發(fā)射的激光光束模式為基模高斯光束的激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控裝置，其特征在于所述的二維運動平臺(8)的精度為微米量級。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控裝置，其特征在于顯微觀測系統(tǒng)(9)是能夠進行在線觀測的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于金屬微粒的激光光鑷微細操控方法及裝置，屬于激光微技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是利用二維掃描振鏡系統(tǒng)使激光光束對金屬微粒進行圓周掃描，掃描軌跡將金屬微粒包含在內(nèi)，使激光光束的每一個作用點對金屬微粒的作用力均指向掃描軌跡的曲率中心，從而利用該力將金屬微粒束縛在掃描軌跡的中心，實現(xiàn)對金屬微粒操控的方法。所采用的裝置包括激光器(5)、聚焦鏡(7)、二維運動平臺(8)及顯微觀測系統(tǒng)(9)，還設(shè)置有控制激光束掃描運動方向的二維掃描振鏡系統(tǒng)(6)。本發(fā)明能夠利用激光光鑷操控技術(shù)實現(xiàn)對金屬微粒的直接操控，對該操控下的金屬粉末實施激光微燒結(jié)，可以實現(xiàn)微器件快速成型制造。
文檔編號G02F1/01GK1830752SQ20061007863
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者陳繼民, 孫大慶, 宗小軍 申請人:北京工業(yè)大學