一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统转让专利
申请号 : CN202210137958.X
文献号 : CN114205929B
文献日 : 2022-08-05
发明人 : 章逸舟 , 李翠红 , 马园园 , 陈志明 , 何朝雄 , 梁韬 , 傅振海 , 胡慧珠
申请人 : 之江实验室 , 浙江大学
摘要 :
本发明公开了一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统，包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一红外光学窗口、真空腔、捕获物镜、第一非球面红外透镜、纳米微粒、第二非球面红外透镜、第二红外光学窗口、光学垃圾桶；激光器发出的准直的远红外光沿光轴方向进入激光扩束系统，经激光扩束系统扩束准直后再被反射，并透射通过第一红外光学窗口进入真空腔，后经过第一非球面红外透镜聚焦；悬浮纳米微粒被捕获光束束缚在捕获物镜的焦点位置处。本发明可以实现悬浮纳米微粒进行原位热脱附，消除粒子表面及内部杂质，提高微粒的耐高真空悬浮概率，免了其它加热手段可能导致粒子烧结难以分撒、粒子结构破损等问题。
权利要求 :
1.一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统，其特征是：包括激光器（1）、第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、第三反射镜（6）、第四反射镜（7）、第一红外光学窗口（8）、真空腔（10）、捕获物镜（11）、第一非球面红外透镜（12）、纳米微粒（13）、第二非球面红外透镜（14）、第二红外光学窗口（15）、光学垃圾桶（16）；激光器（1）发出的准直的远红外光沿光轴方向被第一反射镜（2）、第二反射镜（3）反射进入激光扩束系统，经激光扩束系统扩束准直后再被第三反射镜（6）、第四反射镜（7）反射，并透射通过第一红外光学窗口（8）进入真空腔（10），后经过第一非球面红外透镜（12）聚焦；悬浮纳米微粒（13）被捕获物镜（11）聚焦的捕获光束束缚在捕获物镜（11）的焦点位置处，第一非球面红外透镜（12）的焦点与捕获物镜的焦点重合；
红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒（13）上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散，发散的光被第二非球面红外透镜（14）准直，准直光经过第二红外光学窗口（15）后射出真空腔外进入光学垃圾桶（16）；
所述的第二非球面红外透镜（14）用于将未经过纳米微粒（13）的红外光直接引导出真空腔（10）外，并被光学垃圾桶（16）吸收，以避免红外光在腔内散射；第一非球面红外透镜（12）和第二非球面红外透镜（14）采用相同的非球面透镜，第一非球面红外透镜（12）、第二非球面红外透镜（14）和捕获物镜（11）三者的焦点重合；
所述的激光扩束系统用于扩大入射光的光斑直径并准直，激光扩束系统由平凹负透镜
（4）、平凸正透镜（5）透镜组组成，凹面和凸面均为球面，材质选择在长波红外波段高透的材料，前后表面均镀有增透膜，激光依次透射经过平凹负透镜（4）的凹面平面和平凸正透镜（5）的平面和凸面，平凸正透镜（5）的物方焦点与平凹负透镜（4）的像方焦点重合；扩束倍数取决于第一非球面红外透镜（12）所需的入射光束直径与激光器（1）发射出的光斑直径的比值；
所述的加热对象悬浮纳米微粒被捕获物镜形成的汇聚的捕获光束束缚住，并悬浮于空
气或真空环境中；
捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直。
2.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征是：所述的第一反射镜（2）、第二反射镜（3）相向成90°，第一反射镜（2）和第二反射镜（3）表面均镀有满足不小于300W/cm连续波的红外激光损伤阈值的高反射膜，且用于调节红外光束准直入射至激光扩束系统。
3.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征是：所述的第三反射镜（6）、第四反射镜（7）相向成90°，第三反射镜（6）和第四反射镜（7）表面均镀有满足不小于300W/cm连续波的红外激光损伤阈值的高反射膜，用于调节红外聚焦光斑位置使其与捕获物镜（11）焦点重合。
4.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征是：所述的第一非球面红外透镜（12）用2
于将红外光聚焦成光斑辐射照度大于或等于10000W/mm。
5.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征是：非球面透镜前表面是非球面，后表面是球面或平面。
6.根据权利要求5所述的红外光学系统，其特征是：所述的非球面透镜的材质选择在长波红外波段高透的材料，前后表面均镀有增透膜，非球面透镜表面面型满足以下公式；
其中z为矢高，Y为垂直于光轴的径向距离，R为曲率半径，k为二次曲线常数，A4、A6、An为多次项系数。
说明书 :
一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统，主要用于真空环境下对悬浮纳米微粒进行加热。
背景技术
[0002] 真空光镊系统中的机械振子可获得与外界环境近乎完全隔离的状态，具有超高灵敏度的探测能力，是精密测量和基础物理研究的理想平台。悬浮微粒作为真空光镊中的机械振子，其稳定性对实现真空光镊高灵敏度探测具有重要意义和决定性影响。随着真空度的提升，粒子散射减少，温度增加，微粒表面或者内部的杂质释放，运动加剧，超出光阱捕获范围，最终导致粒子丢失。真空光镊技术中广泛使用的二氧化硅微粒样品是在酒精‑水‑氨水的混合环境中制备的，生长后的粒子不可避免的会引入环境中的‑OH，H2O等，这些杂质对SiO2在真空环境下的稳定性会产生不利影响。通过对微粒加热可以去除粒子内部的水和表面积内部孔携带的甲硅烷醇基团，从一定程度上可改善微粒的稳定性。
[0003] 当前在非悬浮状态下可以通过对微粒样品批量煅烧等方法一定程度消除微粒杂质，但在起支微粒的过程可能会重新引入杂质影响，最直接有效的方法还是对悬浮状态下对目标微粒进行原位处理。公开文献报道了一种用于微米量级粒子加热的方法，其采用10.6um波长的CO2激光器，将红外光束直接照射至微米量级的悬浮微粒，其主要用于加热悬浮微粒并观测不同气压状态下粒子的逃逸功率密度的实验测定。
[0004] 文献报道的采用10.6um的CO2激光器是直接将激光器发射出的光束照射至15um直径的小球上，从实验结果看，在15um直径的悬浮微粒在10mbar的气压下其逃逸功率密度小2
于50mW/mm。
于50mW/mm。
[0005] 随着真空度的提升，粒子有效捕获区间收缩。空气分子进一步减少，粒子表面或内部杂质释放，运动加剧，超出光阱捕获范围，导致粒子逃逸。相比于微米微粒，纳米微粒的尺寸小两到三个数量级，直径越小相对散热表面积越大，加热越困难。据估算，粒子的加热温度需要达到400摄氏度，为了使纳米微粒（如直径200nm）达到上述温度，照射至微粒表面的2
激光（9um）辐射照度需不小于10000W/mm。采用激光直接照射的方式，即使采用市面上较高
2
的35W光功率的红外激光器，其激光辐射照度也只能达到7.7W/mm ，远小于所需的激光辐射照度。在激光光功率一定的情况下，为了提升照射至微粒表面的激光辐射照度，因此需要减小激光光斑尺寸来实现辐射照度提升。使用传统高透红外的球面透镜来聚焦红外光束会因为球差导致聚焦光斑过大，能量不集中等问题，单纯的采用高透红外的非球面透镜虽然能解决球面透镜聚焦红外激光存在的能量集中问题，但是由于激光直接出射的入射光束孔径小，在保持一定数值孔径要求的情况下，其存在焦距过短与腔内其它元器件干涉等问题。
激光（9um）辐射照度需不小于10000W/mm。采用激光直接照射的方式，即使采用市面上较高
2
的35W光功率的红外激光器，其激光辐射照度也只能达到7.7W/mm ，远小于所需的激光辐射照度。在激光光功率一定的情况下，为了提升照射至微粒表面的激光辐射照度，因此需要减小激光光斑尺寸来实现辐射照度提升。使用传统高透红外的球面透镜来聚焦红外光束会因为球差导致聚焦光斑过大，能量不集中等问题，单纯的采用高透红外的非球面透镜虽然能解决球面透镜聚焦红外激光存在的能量集中问题，但是由于激光直接出射的入射光束孔径小，在保持一定数值孔径要求的情况下，其存在焦距过短与腔内其它元器件干涉等问题。
发明内容
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提出一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统，本发明可精准加热真空悬浮状态下的目标纳米微粒，实现微粒的原位温度调节；消除微粒表面及内部杂质，提高微粒的耐高真空悬浮概率，实现稳定的高真空悬浮。
[0007] 本发明实现目的的技术方案如下：
[0008] 一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统，包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一红外光学窗口、真空腔、捕获物镜、第一非球面红外透镜、纳米微粒、第二非球面红外透镜、第二红外光学窗口、光学垃圾桶；激光器发出的准直的远红外光沿光轴方向被第一反射镜、第二反射镜反射进入激光扩束系统，经激光扩束系统扩束准直后再被第三反射镜、第四反射镜反射，并透射通过第一红外光学窗口进入真空腔，后经过第一非球面红外透镜聚焦；悬浮纳米微粒被捕获物镜聚焦的捕获光束束缚在捕获物镜的焦点位置处，第一非球面红外透镜的焦点与捕获物镜的焦点重合；红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散，发散的光被第二非球面红外透镜准直，准直光经过第二红外光学窗口后射出真空腔外进入光学垃圾桶。
[0009] 所述的第一反射镜、第二反射镜相向成90°，第一反射镜和第二反射镜表面均镀有满足不小于300W/cm连续波的红外激光损伤阈值的高反射膜且，用于调节红外光束准直入射至激光扩束系统。
[0010] 所述的第三反射镜、第四反射镜相向成90°，第三反射镜和第四反射镜表面均镀有满足不小于300W/cm连续波的红外激光损伤阈值的高反射膜，用于调节红外聚焦光斑位置使其与捕获物镜焦点重合。
[0011] 所述的第一非球面红外透镜用于将红外光聚焦成光斑辐射照度大于或等于2
10000W/mm。
10000W/mm。
[0012] 所述的第二非球面红外透镜用于将未经过纳米微粒的红外光直接引导出真空腔外，并被光学垃圾桶吸收，以避免红外光在腔内散射；第一非球面红外透镜和第二非球面红外透镜采用相同的非球面透镜，第一非球面红外透镜、第二非球面红外透镜和捕获物镜三者的焦点重合。
[0013] 所述的非球面透镜前表面是非球面，后表面是球面或平面。
[0014] 所述的非球面透镜的材质选择在长波红外波段高透的材料，前后表面均镀有增透膜，非球面透镜表面面型满足以下公式
[0015] ；
[0016] 其中z为矢高，Y为垂直于光轴的径向距离，R为曲率半径，k为二次曲线常数，A4、A6、An为多次项系数。
[0017] 所述的激光扩束系统用于扩大入射光的光斑直径并准直，激光扩束系统由平凹负透镜、平凸正透镜透镜组组成，凹面和凸面均为球面，材质选择在长波红外波段高透的材料，前后表面均镀有增透膜，激光依次透射经过平凹负透镜的凹面平面和平凸正透镜的平面和凸面，平凸正透镜的物方焦点与平凹负透镜的像方焦点重合；扩束倍数取决于第一非球面红外透镜所需的入射光束直径与激光器发射出的光斑直径的比值。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] 与现有技术相比，本发明可以实现在封闭环境下对捕获状态下的悬浮纳米微粒进行原位在线粒子热脱附，消除粒子表面及内部杂质，提高微粒的耐高真空悬浮概率，实现稳定的高真空悬浮，免了其它加热手段（如煅烧加热方法）可能导致粒子烧结难以分撒、粒子结构破损等问题。同时，尽可能减少了对腔体或腔体内其它元件的灼伤或影响。
附图说明
[0020] 图1是原位加热的红外光学系统示意图。
[0021] 图2是二氧化硅在12μm及以下波长的光吸收系数。
[0022] 图1中，激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、平凹负透镜4、平凸正透镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、第一红外光学窗口8、窗口玻璃9、真空腔10、捕获物镜11、第一非球面红外透镜12、纳米微粒13、第二非球面红外透镜14、第二红外光学窗口15、光学垃圾桶16。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024] 如图1所示，一种加热悬浮纳米微粒的红外光学系统，包括激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、平凹负透镜4、平凸正透镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、第一红外光学窗口8、真空腔10、捕获物镜11、第一非球面红外透镜12、纳米微粒13、第二非球面红外透镜14、第二红外光学窗口15、光学垃圾桶16；激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被第一反射镜2、第二反射镜3反射进入激光扩束系统，经激光扩束系统扩束准直后再被第三反射镜6、第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦；悬浮纳米微粒13被捕获物镜11聚焦的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，第一非球面红外透镜12的焦点与捕获物镜的焦点重合；红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散，发散的光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔外进入光学垃圾桶16。上述红外光学系统可以实现在真空或者大气环境下对悬浮纳米微粒的原位在线加热。激光器1是能够发射出
9.3um波长的远红外激光器，在9.3um波长下悬浮纳米微粒具有更高的热吸收效应，激光器的功率大小变化会影响红外光学系统中光学元件的参数的选择。
9.3um波长的远红外激光器，在9.3um波长下悬浮纳米微粒具有更高的热吸收效应，激光器的功率大小变化会影响红外光学系统中光学元件的参数的选择。
[0025] 红外光学系统中的第一反射镜2、第二反射镜3相向成90°，第一反射镜2和第二反射镜3表面均镀有满足不小于300W/cm连续波的红外激光损伤阈值的高反射膜且用于调节红外光束准直入射至激光扩束系统。第一反射镜2和第二反射镜3分别固定在两个三维调整架上，通过三维调整架的调节可以实现光束准确地通过平凹负透镜4和平凸正透镜5透镜中心，以降低离轴及倾斜误差。
[0026] 红外光学系统中的第三反射镜6、第四反射镜7相向成90°，第三反射镜6和第四反射镜7表面均镀有满足不小于300W/cm连续波的红外激光损伤阈值的高反射膜，第三反射镜6和第四反射镜7分别固定在两个三维调整架上，通过三维调整架的调节可以实现光束准确地通过第一非球面红外透镜12，减小因离轴或者倾斜导致的像差而影响聚焦光斑。通过调节第三反射镜6和第四反射镜7可以使红外聚焦光斑位置与捕获物镜11焦点重合。
[0027] 红外光学系统中的第一非球面红外透镜12用于将红外光聚焦成光斑辐射照度大2
于或等于10000W/mm。纳米微粒的相对表面积大散热快只有辐射照度高于该阈值才能实现对悬浮纳米微粒加热。
于或等于10000W/mm。纳米微粒的相对表面积大散热快只有辐射照度高于该阈值才能实现对悬浮纳米微粒加热。
[0028] 红外光学系统中的第二非球面红外透镜14用于将未经过纳米微粒13的红外光直接引导出真空腔10外，并被光学垃圾桶16吸收，以避免红外光在腔内散射；第二非球面红外透镜14可以有效地收集未经过悬浮微粒的绝大部分红外激光和部分被悬浮微粒散射的前向散射红外激光，避免其在真空腔10内散射、反射损伤光机元器件。光学垃圾桶由金属加工制成且经过发黑处理，可实现对红外激光吸收及散热。
[0029] 第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14采用相同的非球面透镜，第一非球面红外透镜12、第二非球面红外透镜14和捕获物镜11三者的焦点重合。三者焦点的重合可使悬浮纳米微粒位于红外聚焦光斑辐射照度最高的位置上有利于微粒的加热。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14采用相同的非球面透镜这样的话系统具有对称性，可以降低光学加工或者机械加工的成本。红外光学系统中的非球面透镜前表面是非球面，后表面是球面或平面。所述的非球面透镜的材质选择在长波红外波段高透的材料，前后表面均镀有增透膜，非球面透镜表面面型满足以下公式
[0030] ；
[0031] 其中z为矢高，Y为垂直于光轴的径向距离，R为曲率半径，k为二次曲线常数，A4、A6、An为多次项系数。非球面红外透镜相比与普通的球面红外透镜可以解决由于入射激光光束直径过大引起的球差，非球面红外透镜相比球面红外透镜可以实现更小的聚焦光斑，提高红外光斑的辐射照度。
[0032] 红外光学系统中所述的激光扩束系统用于扩大入射光的光斑直径并准直，激光扩束系统由平凹负透镜4、平凸正透镜5透镜组组成，凹面和凸面均为球面，材质选择在长波红外波段高透的材料，前后表面均镀有增透膜，激光依次透射经过平凹负透镜4的凹面平面和平凸正透镜5的平面和凸面，平凸正透镜5的物方焦点与平凹负透镜4的像方焦点重合；扩束倍数取决于第一非球面红外透镜12所需的入射光束直径与激光器1发射出的光斑直径的比值。平凹负透镜4和平凸正透镜5表面均镀有对9.3um高透的增透膜且其材料基底是对9.3um高透的硒化锌或锗等红外材料。采用平凹负透镜4、平凸正透镜5透镜组组成红外扩束系统可有效的减少扩束系统的长度并且避免了系统中间出现聚焦点。另外经过红外扩束系统后，远红外激光的光斑直径变大有利于实现更小的红外聚焦光斑，提高红外光斑的辐射照度。
[0033] 实施例1
[0034] 本实施例采用功率为35W，光腰直径2.4mm的远红外连续光激光器。
[0035] 如图1所示，激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束透过由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角第三反射镜6和第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦。1064nm捕获光由真空腔外透过窗口玻璃9后进入真空腔10，捕获物镜11将1064nm激光聚焦，悬浮纳米微粒13被1064nm的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直，第一非球面红外透镜12的焦点、捕获物镜11及第二非球面红外透镜14三者的焦点重合。红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散。为避免发散的红外激光在真空腔内反射、散射灼伤腔体或其他元件，发散的红外光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔10外进入光学垃圾桶16。
[0036] 实施例1中的悬浮纳米微粒的直径为200nm二氧化硅小球，据估算其表面入射辐射4 2
照度需要达到10W/mm 。图2展示了二氧化硅在12μm及以下波长的光吸收系数，可以看到二氧化硅在长波下具有很强的吸收，因此可以利用远红外光辐照对其进行加热。玻璃、光纤、高聚合物分子材料如PET/FPT等材料在9um左右波长的吸收率明显高于其它波段，选用功率为35W的9.3um波长的激光器，其光腰直径为2.4mm。
照度需要达到10W/mm 。图2展示了二氧化硅在12μm及以下波长的光吸收系数，可以看到二氧化硅在长波下具有很强的吸收，因此可以利用远红外光辐照对其进行加热。玻璃、光纤、高聚合物分子材料如PET/FPT等材料在9um左右波长的吸收率明显高于其它波段，选用功率为35W的9.3um波长的激光器，其光腰直径为2.4mm。
[0037] 激光扩束系统扩束的主要目的是为了增大准直光束的孔径，在保持一定数值孔径要求的情况下使得系统后可以采用较长后工作距离非球面头透镜，避免非球面透镜与捕获物镜等其它元件干涉。激光扩束系统由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成，平凹负透镜4的焦距为‑25.4mm，球面曲率半径为‑35.6mm，基底材料为硒化锌，透镜表面镀有增透膜。平凸正透镜5的焦距为149mm，球面曲率半径为209mm，基底为硒化锌。平凹负透镜4和平凸正透镜5之间的空气间距为147.3mm。第一红外光学窗口8和第二红外光学窗口15均采用硒化锌作为基底，其表面镀有增透膜。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14为非球面透镜，焦距40mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为44.05mm，二次曲线常数为0，多次项系数‑7 ‑11A4、A6分别为‑1.8001258×10 和‑9.5903211×10 。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为36.35mm。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为65.6mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径约为29.37um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜
2
12焦点处的其平均辐射照度约为10127W/mm。
2
12焦点处的其平均辐射照度约为10127W/mm。
[0038] 实施例2
[0039] 本实施例采用功率为35W，光腰直径2.4mm的远红外连续光激光器。
[0040] 如图1所示，激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束透过由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角第三反射镜6和第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦。1064nm捕获光由真空腔外透过窗口玻璃9后进入真空腔10，捕获物镜11将1064nm激光聚焦，悬浮纳米微粒13被1064nm的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直，第一非球面红外透镜12的焦点、捕获物镜11及第二非球面红外透镜14三者的焦点重合。红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散。为避免发散的红外激光在真空腔内反射、散射灼伤腔体或其他元件，发散的红外光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔10外进入光学垃圾桶16。
[0041] 激光扩束系统由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成，平凹负透镜4的焦距为‑25.4mm，球面曲率半径为‑35.6mm，基底材料为硒化锌，透镜表面镀有增透膜。平凸正透镜5的焦距为149mm，球面曲率半径为209mm，基底为硒化锌。平凹负透镜4和平凸正透镜5之间的空气间距为147.3mm。第一红外光学窗口8和第二红外光学窗口15均采用硒化锌作为基底，其表面镀有增透膜。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14为非球面透镜，焦距
30mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为29.46mm，二次曲线常数为0，多次项系数A4、A6‑7 ‑11
分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径约为22.26um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点处
2
的其平均辐射照度约为17630.4W/mm。
30mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为29.46mm，二次曲线常数为0，多次项系数A4、A6‑7 ‑11
分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径约为22.26um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点处
2
的其平均辐射照度约为17630.4W/mm。
[0042] 实施例3
[0043] 本实施例采用功率为21W，光腰直径2.4mm的远红外连续光激光器。
[0044] 如图1所示，激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束透过由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角第三反射镜6和第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦。1064nm捕获光由真空腔外透过窗口玻璃9后进入真空腔10，捕获物镜11将1064nm激光聚焦，悬浮纳米微粒13被1064nm的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直，第一非球面红外透镜12的焦点、捕获物镜11及第二非球面红外透镜14三者的焦点重合。红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散。为避免发散的红外激光在真空腔内反射、散射灼伤腔体或其他元件，发散的红外光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔10外进入光学垃圾桶16。
[0045] 激光扩束系统由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成，平凹负透镜4的焦距为‑25.4mm，球面曲率半径为‑35.6mm，基底材料为硒化锌，透镜表面镀有增透膜。平凸正透镜5的焦距为149mm，球面曲率半径为209mm，基底为硒化锌。平凹负透镜4和平凸正透镜5之间的空气间距为147.3mm。第一红外光学窗口8和第二红外光学窗口15均采用硒化锌作为基底，其表面镀有增透膜。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14为非球面透镜，焦距
30mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为29.46mm，二次曲线常数为0，多次项系数A4、A6‑7 ‑11
分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径约为22.26um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点处
2
的其平均辐射照度约为10578W/mm。
30mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为29.46mm，二次曲线常数为0，多次项系数A4、A6‑7 ‑11
分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径约为22.26um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点处
2
的其平均辐射照度约为10578W/mm。
[0046] 实施例4
[0047] 本实施例采用功率为35W，光腰直径2.4mm的远红外连续光激光器。
[0048] 如图1所示，激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束透过由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角第三反射镜6和第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦。1064nm捕获光由真空腔外透过窗口玻璃9后进入真空腔10，捕获物镜11将1064nm激光聚焦，悬浮纳米微粒13被1064nm的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直，第一非球面红外透镜12的焦点、捕获物镜11及第二非球面红外透镜14三者的焦点重合。红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散。为避免发散的红外激光在真空腔内反射、散射灼伤腔体或其他元件，发散的红外光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔10外进入光学垃圾桶16。
[0049] 激光扩束系统由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成，平凹负透镜4的焦距为‑25.4mm，球面曲率半径为‑35.6mm，基底材料为硒化锌，透镜表面镀有增透膜。平凸正透镜5的焦距为200mm，球面曲率半径为280.5mm，基底材料为硒化锌。平凹负透镜4和平凸正透镜5之间的空气间距为173.1mm。第一红外光学窗口8和第二红外光学窗口15均采用硒化锌作为基底，其表面镀有增透膜。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14为非球面透镜，焦距40mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为44.05mm，二次曲线常数为0，多次项系数‑7 ‑11
A4、A6分别为‑1.8001258×10 和‑9.5903211×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为36.35mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为24.12um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦
2
点处的其平均辐射照度可达15016W/mm。
A4、A6分别为‑1.8001258×10 和‑9.5903211×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为36.35mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为24.12um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦
2
点处的其平均辐射照度可达15016W/mm。
[0050] 实施例5
[0051] 本实施例采用功率为35W，光腰直径2.4mm的远红外连续光激光器。
[0052] 如图1所示，激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束透过由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角第三反射镜6和第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦。1064nm捕获光由真空腔外透过窗口玻璃9后进入真空腔10，捕获物镜11将1064nm激光聚焦，悬浮纳米微粒13被1064nm的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直，第一非球面红外透镜12的焦点、捕获物镜11及第二非球面红外透镜14三者的焦点重合。红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散。为避免发散的红外激光在真空腔内反射、散射灼伤腔体或其他元件，发散的红外光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔10外进入光学垃圾桶16。
[0053] 激光扩束系统由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成，平凹负透镜4的焦距为‑25.4mm，球面曲率半径为‑35.6mm，基底材料为硒化锌，透镜表面镀有增透膜。平凸正透镜5的焦距为200mm，球面曲率半径为280.5mm，基底材料为硒化锌。平凹负透镜4和平凸正透镜5之间的空气间距为173.1mm。第一红外光学窗口8和第二红外光学窗口15均采用硒化锌作为基底，其表面镀有增透膜。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14为非球面透镜，焦距30mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为29.46mm，二次曲线常数为0，多次项系数‑7 ‑11
A4、A6分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为18.05um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点处
2
的其平均辐射照度可达26813W/mm。
A4、A6分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为18.05um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点处
2
的其平均辐射照度可达26813W/mm。
[0054] 实施例6
[0055] 本实施例采用功率为21W，光腰直径2.4mm的远红外连续光激光器。
[0056] 如图1所示，激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束透过由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角第三反射镜6和第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦。1064nm捕获光由真空腔外透过窗口玻璃9后进入真空腔10，捕获物镜11将1064nm激光聚焦，悬浮纳米微粒13被1064nm的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直，第一非球面红外透镜12的焦点、捕获物镜11及第二非球面红外透镜14三者的焦点重合。红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散。为避免发散的红外激光在真空腔内反射、散射灼伤腔体或其他元件，发散的红外光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔10外进入光学垃圾桶16。
[0057] 激光扩束系统由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成，平凹负透镜4的焦距为‑25.4mm，球面曲率半径为‑35.6mm，基底材料为硒化锌，透镜表面镀有增透膜。平凸正透镜5的焦距为200mm，球面曲率半径为280.5mm，基底材料为硒化锌。平凹负透镜4和平凸正透镜5之间的空气间距为173.1mm。第一红外光学窗口8和第二红外光学窗口15均采用硒化锌作为基底，其表面镀有增透膜。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14为非球面透镜，焦距30mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为29.46mm，二次曲线常数为0，多次项系数‑7 ‑11
A4、A6分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为18.05um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点
2
处的其平均辐射照度可达16088W/mm。
A4、A6分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。第一非球面红外透镜12到捕获物镜11焦点的间隔距离为27mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为18.05um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，第一非球面红外透镜12焦点
2
处的其平均辐射照度可达16088W/mm。
[0058] 实施例7
[0059] 本实施例采用功率为35W，光腰直径2.4mm的远红外连续光激光器。
[0060] 如图1所示，激光器1发出的准直的远红外光沿光轴方向被两个相向成90度角的第一反射镜2和第二反射镜3反射进入激光扩束系统，激光光束透过由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成的扩束系统扩束准直后再被两个相向成90度角第三反射镜6和第四反射镜7反射，并透射通过第一红外光学窗口8进入真空腔10，后经过第一非球面红外透镜12聚焦。1064nm捕获光由真空腔外透过窗口玻璃9后进入真空腔10，捕获物镜11将1064nm激光聚焦，悬浮纳米微粒13被1064nm的捕获光束束缚在捕获物镜11的焦点位置处，捕获光路光轴与红外加热光路光轴互相垂直，第一非球面红外透镜12的焦点、捕获物镜11及第二非球面红外透镜14三者的焦点重合。红外光被聚焦照射在悬浮纳米微粒13上，聚焦后的红外光在焦点后又开始发散。为避免发散的红外激光在真空腔内反射、散射灼伤腔体或其他元件，发散的红外光被第二非球面红外透镜14准直，准直光经过第二红外光学窗口15后射出真空腔10外进入光学垃圾桶16。
[0061] 激光扩束系统由平凹负透镜4和平凸正透镜5组成，平凹负透镜4的焦距为‑25.4mm，球面曲率半径为‑35.6mm，基底材料为硒化锌，透镜表面镀有增透膜。平凸正透镜5的焦距为200mm，球面曲率半径为280.5mm，基底材料为硒化锌。平凹负透镜4和平凸正透镜5之间的空气间距为173.1mm。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14为非球面透镜，焦距30mm，基底材料为锗，其非球面的曲率半径为29.46mm，二次曲线常数为0，多次项系‑7 ‑11
数A4、A6分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为18.05um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，
2
第一非球面红外透镜12焦点处的其平均辐射照度可达26813W/mm。
数A4、A6分别为‑3.9735336×10 和‑6.3265251×10 。第一非球面红外透镜12和第二非球面红外透镜14的另一面为球面，其曲率半径为40mm。该红外光学系统可以使聚焦光斑达到衍射极限，其衍射极限光斑半径为18.05um。反射镜的反射率和透镜的透过率均为97%左右，
2
第一非球面红外透镜12焦点处的其平均辐射照度可达26813W/mm。
[0062] 本发明的红外光学系统可以实现悬浮纳米微粒在捕获状态下进行原位在线实现粒子的热脱附，消除粒子表面及内部杂质，提高微粒的耐高真空悬浮概率，实现稳定的高真空悬浮。
[0063] 本发明的红外光学系统可实现在封闭环境中对捕获状态下粒子进行加热，避免了其它预加热手段（如煅烧加热方法）可能导致的粒子烧结难以分撒、粒子结构破损等问题。
[0064] 本发明的红外光学系统可实现在封闭环境中对捕获状态下对对象微粒的单独加热，将未经过微粒散射的红外光和部分红外光引出真空腔，尽可能减少对真空腔体或腔内其它元件的灼伤或影响。
[0065] 上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。