红外显微观测被俘获吸光性颗粒.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．20(2013)208702红外显微观测被俘获吸光性颗粒米张志刚刘丰瑞张青川干程腾高杰伍小平(中国科学技术大学近代力学系，中科院材料力学行为与设计重点实验室，合肥230027)(2013年6月14日收到；2013年7月16日收到修改稿)光镊技术被广泛应用在俘获和操纵微纳米尺寸颗粒，目前被研究学者普遍接受的俘获吸光性颗粒的机理为光泳力．本文实现了对空气中被俘获的吸光性颗粒的红外显微观测．当激光器功率为1．0W时，成功观测到被俘获墨粉颗粒(直径约7}Im)和甲苯胺蓝颗粒(直径约为1—2Om)的温升约

2、为14K，为光泳力理论提供了强有力的证据．另外，首次用可见光显微镜和红外显微镜同时观测到被俘获颗粒的周期振荡现象，并分析了振荡现象的产生机理．关键词：光镊，光俘获，红外显微PACS：87．80．Cc，87．64．km，42．62．一bDOI：10．7498／aps．62．208702中操纵颗粒的原理为光泳力．当激光照射到吸光性1引言颗粒时，被照射表面吸收光能温度升高．颗粒与周围的空气存在热交换，颗粒较高温度表面处的空气1970年，Ashkin[1]首次实现了用激光束操纵温度也高．颗粒周围的气体分子做布朗运动撞击到微米尺寸颗粒，到目前光镊技术仍然被广

3、泛地研颗粒表面并被颗粒反弹时，温度较高表面的气体分究[2-5]和应用【6，7l，并发展了光阱力[8一l0]的计算子撞击和反弹时的频率以及平均动量大于未被照与分析、生成空心光束[11-13]以及偏振光镊[14]等射表面的气体分子撞击和反弹的频率以及平均动方面．应用光镊技术俘获的颗粒尺寸为微纳米量级，量，因此吸光性颗粒获得了沿光强梯度方向的净动分为透光性颗粒【151l6]和吸光性颗粒[17118】两种．目量，从而发生定向运动，这就是光泳力原理．然而到前国内对于俘获和操纵透光性颗粒方面的研究报目前为止，被俘获颗粒的温升现象一直没有被直接道比较多，而对于俘

4、获和操纵吸光性颗粒方面的研观测和报道过．究报道比较少．对透光性颗粒的俘获和操纵主要在基于多年的红外成像研究经验【25—27J，本文将液体中进行，通过平衡颗粒所受到的几个主要力：红外显微镜应用到观测被俘获颗粒的红外图像．文散射力、梯度力以及重力【l9]，实现颗粒的稳定俘中第二部分采用高斯光束照射球差透镜，在焦点处获和操纵．对吸光性粒子的俘获和操纵主要在空气形成大量的暗区能量陷阱结构【28]，用以俘获墨粉中进行，并且已经有研究学者实现了捕捉和操纵吸光性颗粒[17,18】．应用光镊技术俘获大量的吸光性颗粒，同时采用红外显微镜和可见光显微镜从不同颗粒，并对

5、吸光性颗粒进行图像采集，识别被俘获角度同时拍摄，并对墨粉温升进行分析．第三部分颗粒的数量与大小，可应用在PM2．5检测[20，21]等采用暗区能量陷阱俘获甲苯胺蓝颗粒，并进行红外方面．对于俘获空气中吸光性颗粒现象，研究学者显微观测和温升分析．第四部分描述了实验过程中普遍认为是基于光泳力原理[22123]．Lewittes等【24]部分被俘获颗粒的周期性震荡现象，并给出了合理进行了光悬浮吸光性颗粒实验，并首次提出了实验的解释．国家重点基础研究发展计划(批准号：2011CB302105)、国家自然科学基金(批准号：11072233，11127201，1

6、1102201)和中国科学院科研装备研制项目(批准号：YZ201265)资助的课题．’t通讯作者．E-mail：zhangqc@uste．edu．cn④2013中国物理学会ChinesePhysicalSociety208702．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．2O(2013)208702为了描述被俘获颗粒周期振荡现象，我们给出结了如下解释．在透镜的制造加工过程中。误差是不可避免的，并且实验过程中空气中的微小尘埃会粘本文采用球差透镜生成大量的暗区能量陷附在透镜表面，因此焦点处的实际光场强度分布与阱场，并成功俘获了大量吸光性墨

7、粉颗粒和甲苯理论分析的光场强度分布会略有差别，在焦点处有胺蓝颗粒．实验中观测到了被俘获颗粒的周期振一定较大的暗区能量陷阱的生成概率．当颗粒进入荡现象，其产生原因主要为透镜加工误差和透镜大的暗区能量陷阱时，由于颗粒形状为不规则的，表面吸附的空气尘埃影响了焦点处的光场强度施加在其上的力也往往不平衡，因此颗粒获得了一分布．采用红外显微镜成功观测到了被俘获颗粒个初始的动量，使得颗粒难以稳定在某一特定位置．的红外图像，当激光器功率约为1．0W时，颗粒的此外，颗粒不能够突破能量陷阱，因此会在大的暗温升约为14K，为光泳力理论提供了强有力的论据．区能量陷阱内部做

8、周期性振荡．产生大的暗区能量陷阱的概率远低于产生正常尺寸暗区能量陷阱的感谢昆山光微电子有限公司提供红外显微镜以及红外概率，