一种非等离子体金属光致超声驱动流体运动的方法及捕捉装置

摘要

本发明公开了一种非等离子体效应金属光致超声驱动流体运动的方法及捕捉装置，该方法利用脉冲激光经过聚焦之后照射非等离子体金属注入的基板，基板吸收脉冲激光的能量，由于光声效应产生超声波，所产生的超声波进而驱动流体进行宏观运动，在120mW下可以达到分米每秒的数量级别。相对于通过金来进行光致超声驱动液体，本发明采用的激光流控方法采用了更低成本的铁、钨等金属，由于铁的生物兼容性，使得相关器件在生物方面具有更广泛的应用；除此之外，由于两种金属的高熔点，在激光烧蚀后展现出比金注入器件更长的流体流动时间。

权利要求

1.一种非等离子体效应金属光致超声驱动流体运动的方法，其特征在于，包括以下步骤：激光经过聚焦之后照射非等离子金属离子注入的基板，基板吸收脉冲激光的能量，产生超声波并驱动流体进行宏观运动；其中，所述非等离子金属离子为铁或钨离子；

所述激光首先通过脉冲激光器发射，所述脉冲激光器的波长为532nm，频率为1000Hz，脉宽为150ns，所述脉冲激光的频率为7.3‑120mW；所述基板为石英基板。

2.如权利要求1所述的非等离子体效应金属光致超声驱动流体运动的方法，其特征在于，所述聚焦的过程为：将激光经过焦距为5cm的凸透镜进行聚焦。

3.如权利要求1所述的非等离子体效应金属光致超声驱动流体运动的方法，其特征在于：所述流体运动的速度与注入金属的浓度成正比例关系。

说明书

一种非等离子体金属光致超声驱动流体运动的方法及捕捉

装置

技术领域

[0001] 本发明属于激光控流体运动技术领域，具体涉及到一种非等离子体金属光致超声驱动流体运动的方法及捕捉装置。

背景技术

[0002] 对于流体的应用来说，例如微流体技术，化学微反应器和生物科学系统，操纵或驱动液体的方法是其重要且基本的要求。与传统的方法相比，激光由于其优秀的单色性与良好的方向准直性，在微小尺度能达到较高强度等独特的优异性能，其在操控液体流动方面具有独特的优势。利用光学技术来进行流体控制具有很多优异的特点，如能量无损耗，无接触无污染，时间空间上易精确控制和制造成本较低。但是大多数方式，诸如利用光辐射压力，或者热毛细作用、电泳和光电润湿效应等光控流体技术都存在所驱动的液体流动速度较弱的问题。最近发现的光致超声驱动宏观流体运动效应通过将光声效应与超声驱流结合起来克服了这一局限性，随后，通过离子注入技术在石英基板中注入金，实现了激光对流场的实时驱动，石英上任何一点都可以作为发射点来产生射流，使这项技术在微流控方面具有更广阔的应用前景，但是仍然存在许多尚未解决的问题。

[0003] 首先，金作为一种贵金属，成本较高，在推广应用的方面具有局限性；其次，金并不具有生物兼容性，这对生物体方面的应用如无痛注射等产生了限制；最后，虽然金注入的器件能提供较快的驱动流体速度，但是其持续寿命却十分短暂，并不能提供长时间的流场。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种非等离子体金属光致超声驱动流体运动的方法及捕捉装置，可以实现持久的流场寿命，以及具有可重复性，适用范围广，应用潜力大，流动速度较快，持续时间长等特点。

[0005] 为达上述目的，本发明提供了一种非等离子体金属光致超声驱动流体运动的方法，包括以下步骤：激光经过聚焦之后照射非等离子金属离子注入的基板，基板吸收脉冲激光的能量，产生超声波并驱动流体进行宏观运动；其中，非等离子金属离子为铁或钨离子。

[0006] 采用上述方案的有益效果是：光声效应发生在声控流体之前，并决定了流的强度，因为光声效应是光热效应，所以只要能够吸收激光脉冲并将其转换为热量，就会产生光声波来驱动液体。超声波可以通过金属离子本身的热膨胀、周围水的热膨胀或纳米颗粒周围的瞬态水蒸气产生，而激光点的温度增加到沸腾温度以上时，会产生瞬态水蒸气，水蒸气的热膨胀引起的较高的局部温度可以产生更多的蒸汽，进一步产生更强的超声波，因此在持久的流场持续时间的条件下，流体可以进行宏观运动。在控制相同的照射条件与吸光度下，铁和钨具有更高的熔点，可以在同一照射条件下提供更持久的流场持续时间，实现持久的流场寿命。

[0007] 进一步地，激光首先通过脉冲激光器发射，脉冲激光器的波长为532nm，频率为1000Hz，脉宽为150ns。

[0008] 进一步地，聚焦的过程为：将激光经过焦距为5cm的凸透镜进行聚焦。

[0009] 采用上述方案的有益效果是：激光经过焦距为5cm的凸透镜聚焦到基板上，无需前处理时间即可观察到液体流动。

[0010] 进一步地，脉冲激光的频率为7.3‑120mW。

[0011] 进一步地，流体运动的速度与注入金属的浓度成正比例关系。

[0012] 采用上述方案的有益效果是：通过提高注入金属的浓度，可以提高基板的吸光度，进而可以有效的增加流动的速度。

[0013] 对非等离子体效应金属光致超声驱动流体运动进行捕捉的装置，包括玻璃水池和位于玻璃水池两侧的基板与氦氖激光器，玻璃水池内部满载有荧光颗粒，玻璃水池外部设置有相机。

[0014] 进一步地，氦氖激光器的波长为632.8nm。

[0015] 采用上述方案的有益效果是：使用532nm脉冲激光通过5cm的凸透镜聚焦到进行非等离子体金属注入的基板上，将基板放置在装满荧光颗粒的玻璃水池中，在另一边放置一个632.8nm的氦氖激光器用于照明视场，经柱透镜拉长后，在侧面利用CCD相机对其流动视频进行捕捉。

[0016] 综上所述，本发明具有以下优点：

[0017] 1、使用的实验装置简单易于操作，设计结构成本较低，便于推向应用；驱动流体所需的功率阈值较低，可以在较低的功率下实现流体运动；在较高的功率下，可以达到分米每秒的最大速度；

[0018] 2、本发明使用的是非等离子体金属，打破了局限于金这种产生表面等离子体共振效应的金属，所选取基板只要满足具有足够高的吸光度，即能产生光致超声驱动流体现象，为今后的应用提供了更加广阔的选择；

[0019] 3、本发明通过增加注入金属浓度，使得其驱动速度得到大幅度提升，这为其高速应用提供了实验基础；

[0020] 4、本发明使用铁，钨作为离子注入金属，成本低，流场持续稳定性强，适用范围广，应用潜力巨大，如生物方面的应用；

[0021] 5、通过本发明提供的方法，在120mW的高功率脉冲激光下，铁注入的激光流控器件驱动液体的最大速度可以达到13.6cm/s。

附图说明

[0022] 图1为本发明的实验装置示意图；

[0023] 图2为532nm、频率1000Hz、脉宽为150ns的脉冲激光器照射铁注入石英基板产生流体的功率阈值；

[0024] 图3为相同浓度梯度的铁与金注入样品的宏观形貌，紫外‑可见光光谱与30mW下的最大速度对比；

[0025] 图4为相同功率下与相同初始速度下的铁、钨、金三种金属流场持续稳定性的对比；

[0026] 图5为在120mW下铁注入的石英样品能达到的最大速度示意图。

具体实施方式

[0027] 以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

[0028] 实施例1

[0029] 如图1所示，本实施例提供了一种非等离子体金属光致超声驱动流体运动的方法，包括以下步骤：

[0030] (1)于石英基板中注入铁离子，使石英基板的透射率为51％；

[0031] (2)调节脉冲激光器的波长为532nm，重复频率为1000Hz，脉宽为150ns；

[0032] (3)将调节好的脉冲激光器通过焦距为5cm的凸透镜聚焦到石英基板的表面上，并于水池中装满荧光颗粒用于响应另一端的632.8nm的氦氖激光器的照射而发光，并与水池侧面摆放CCD相机以实现捕捉拍摄视场功能。

[0033] 如图2所示，在激光脉冲器的照射下，当激光频率缓慢增加到7.3mW时，CCD相机拍摄到了微弱的流体运动，其中图2中的白色虚线为基板的位置，红色的点为水池中的荧光颗粒。如图5所示，在激光脉冲器的照射下，当激光频,增加到120mW时，铁注入的石英基板可以达到的最大速度，为13.6cm/s，突破了现有技术中厘米每秒的数量级提升。

[0034] 试验例1

[0035] 本试验例将铁离子注入的基板与金离子注入的基板进行同样的光致超声驱动流体运动的试验，其中如图3(a)所示，铁注入的样品外观呈黑色，而金呈红色，这两种样品可16 2 17 2
以通过这种方式来快速区分。如图3(b)所示，选取了5×10 /cm和1×10 /cm 两种浓度的铁与金进行了透射率测量。其中金注入的石英基板由于在532nm附近的表面等离子体共振效应而在短波长段显示出明显的透射下降。由于金的吸收率比铁高，如图3(c)‑(f)所示，注入金的石英载玻片产生更强的射流。然而，在图3(c)‑(f)中，当两种金属浓度加倍时，金注入的样品速度只是略微增加，而对于铁注入的样品来说，流场速度增加到两倍以上。

[0036] 试验例2

[0037] 如图4所示，本试验例通过比较不同金属的驱动流体的效率，来检验离子浓度与流体运动的速度的关系，包括铁与金以及铁与钨的比较示意。图4(a)与图4(b)显示出了四个注入样品的透射光谱，其中铁与金对照组的吸收约为50％，铁与钨对照组的吸收约为24％。图4(c)‑(d)记录了四个样品在30分钟之内的速度变化示意图。可以看出，在相同的光吸收和激光功率下，金在激光流中比铁速度快得多，但铁比金稳定。与以金注入的石英相比，以铁注入的石英基板需要更高的激光功率来产生相同初始速度的流场，但在此更高功率下稳定性高于金。在铁和钨之间，铁的速度更快，但钨的稳定性比铁稍高。这与三种金属的熔点成正比。

[0038] 虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。