CN114005570B - 真空中电荷选择捕获释放的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空中电荷选择捕获释放的装置与方法。光阱和微粒位于真空室内，微粒稳定捕获于光阱中，栅网电极***将等离子体***产生的电荷输送至微粒上；方法步骤为：等离子体***发射诱导等离子体激光垂直聚焦于等离子体靶材表面并产生等离子体，等离子体的电荷在栅网电极***的作用下引出并在单向移动中与光阱中的微粒碰撞，被微粒选择捕获。本发明通过激光诱导产生等离子体，避免产生高压电场；同时，通过对栅网电极电势的合理分配，很好的控制在静电场中运动的电荷的性质及电量，从而控制微粒所捕获电荷的性质。
Description
技术领域
本发明涉及一种电荷捕获释放装置，具体涉及一种真空中电荷选择捕获释放装置与方法。
背景技术
光镊又称为单光束梯度光阱，自上世纪七十年代由美国物理学家Ashkin开创以来，光镊对微粒的操控是非接触的遥控方式，不会给对象造成机械损伤，作为捕获和操纵粒子的工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。
基于真空光阱技术的精密传感的基础物理研究，往往需要建立微粒光电信号与微粒的实际运动信息(位移量)的对应关系，也即建立光电压信号与微粒位移的转换关系，这种关系的建立往往需要精确的动力学模型实现。常用的标定方法有两种：(1)根据微粒在光阱中的热平衡运动位置进行标定；(2)利用微粒易带电的特点，通过对微粒施加电场进行电场力标定。基于第二种方法，如何让中性微粒带电是个需要实际解决的问题。传统的方法是通过高压放电让微粒带上电荷，但这样的方法，微粒所带电荷是随机的。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于激光诱导等离子体的微粒电荷选择捕获释放装置与方法。
本发明采用的技术方案是：
一、一种真空条件下电荷选择释放装置：
装置包括真空室、栅网电极***、等离子体***、光阱和微粒，光阱和微粒位于真空室内，微粒稳定捕获于光阱中，栅网电极***将等离子体***产生的电荷输送至微粒上；
栅网电极***包括第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极，第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极依次相互平行并间隔竖直布置于真空室内，第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极中心均开设有通孔，光阱位于第二栅网电极和第三栅网电极之间；
等离子体***包括等离子体靶材、诱导等离子体光源和光路***，等离子体靶材和光路***位于真空室内，等离子体靶材位于第一栅网电极和第二栅网电极通孔之间，等离子体靶材靠近第一栅网电极通孔处，等离子体靶材的靶面朝向第二栅网电极通孔，光路***位于第三栅网电极远离第二栅网电极的一侧，诱导等离子体光源位于真空室外靠近光路***的一侧；
诱导等离子体光源发射诱导等离子体激光并由高功率光纤输入光路***中，诱导等离子体激光经过光路***准直聚焦后从光路***中出射并依次穿过第三栅网电极和第二栅网电极中心的通孔，最终垂直聚焦于等离子体靶材表面，使得等离子体靶材靶面产生等离子体，等离子体的电荷由第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极引出并加速至微粒处与微粒碰撞，使微粒带电或呈电中性。
所述的光阱由真空室外的光源产生激光并由光纤入射聚焦至真空室内形成。
所述的栅网电极***还包括第一栅网电极电源、第二栅网电极电源和第三栅网电极电源，第一栅网电极电源、第二栅网电极电源和第三栅网电极电源位于真空室外，第一栅网电极电源、第二栅网电极电源和第三栅网电极电源分别与第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极电连接；所述的等离子体***还包括诱导等离子体激光源电源，诱导等离子体激光源电源位于真空室外，诱导等离子体激光源电源与诱导等离子体激光源电连接。
所述的等离子体靶材的材质为致密介质。
所述的等离子体诱导激光源包括但不限于气体激光器、准分子激光器或半导体激光器，由这些激光器产生的激光是击穿等离子体靶材并产生等离子体的能量源；诱导等离子体激光的波段包括但不限于红外波段、可见光波段或紫外波段。
二、一种真空中电荷选择捕获释放方法：
1)将所述装置的诱导等离子体光源接通电源，诱导等离子体光源发射诱导等离子体激光并由高功率光纤输入光路***中，诱导等离子体激光经过光路***准直聚焦后，从光路***中出射并依次穿过第三栅网电极和第二栅网电极中心的通孔，最终垂直聚焦于等离子体靶材表面，等离子体靶材在诱导等离子体激光的作用下产生等离子体；等离子体是自由电子、自由离子和中性粒子组成的表现出集体行为的准中性的气体，由于存在很多自由电子和自由离子，等离子体的电导率很高；使用等离子体中的电荷替代高压放电产生的电荷，可以避免在真空室内产生高压电场；
2)将所述装置的第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极接通电源，第一栅网电极和第二栅网电极之间产生电势差形成引出电场，第二栅网电极和第三栅网电极之间产生电势差形成加速电场；
3)步骤1)中等离子体中电荷在引出电场的作用下引出并单向移动至加速电场内，并在加速电场的作用下单向加速移动至光阱处与光阱中的微粒碰撞；
4)若微粒呈电中性，则电荷与微粒碰撞后使得微粒带电，微粒带电性质与电荷一致；若微粒带电，且微粒带电性质与电荷相反，则电荷与微粒碰撞后使得微粒被电荷中和，从而实现在真空环境下对电荷的选择捕获和释放。
所述步骤1)中，光路***包括扩束装置、准直装置和聚焦装置，通过将引入的诱导等离子体激光进行扩束、准直和聚焦，最终将诱导等离子体激光入射至等离子体靶材表面。
所述步骤1)中，诱导等离子体激光的能量密度大于等离子体靶材表面能量密度临界值，才能击穿等离子体靶材表面并使得等离子体靶材产生等离子体。
所述步骤2)中，若第一栅网电极电势高于第三栅网电极电势，第二栅网电极电势介于第一栅网电极电势和第三栅网电极电势之间，则第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极将等离子体的正电荷引出加速至微粒上；若第一栅网电极电势低于第三栅网电极电势，第二栅网电极电势介于第一栅网电极电势和第三栅网电极电势之间，则第一栅网电极、第二栅网电极和第三栅网电极将等离子体的负电荷引出加速至微粒上；引出电荷的性质由第一栅网电极和第二栅网电极之间的电势高低限制，引出电荷的移动方向由第二栅网电极和第三栅网电极之间的电势高低限制。
本发明的有益效果是：
本发明通过激光诱导产生等离子体，避免产生高压电场；同时，通过对栅网电极电势的合理分布，可以很好的控制在静电场中运动的电荷的性质，从而控制粒子所捕获电荷的性质。
附图说明
图1为本装置结构示意图；
图中：1、真空室，2、等离子体靶材，3、等离子体，4、第一栅网电极，5、第二栅网电极，6、第三栅网电极，7、诱导等离子体光源，8、光路***，9、诱导等离子体激光，10、第一栅网电极电源，11、第二栅网电极电源，12、第三栅网电极电源，13、诱导等离子体激光源电源，14、光阱，15、微粒，16、电荷。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本装置包括真空室1、栅网电极***、等离子体***、光阱14和微粒15，光阱14和微粒15位于真空室1内，微粒15稳定捕获于光阱14中，光阱14由真空室1外的光源产生激光并由光纤入射聚焦至真空室1内形成，栅网电极***将等离子体***产生的电荷16输送至微粒15上。
栅网电极***包括第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6，第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6依次相互平行并间隔竖直布置于真空室1内，第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6中心均开设有通孔，光阱14位于第二栅网电极5和第三栅网电极6之间。
栅网电极***还包括第一栅网电极电源10、第二栅网电极电源11和第三栅网电极电源12，第一栅网电极电源10、第二栅网电极电源11和第三栅网电极电源12位于真空室1外，第一栅网电极电源10、第二栅网电极电源11和第三栅网电极电源12分别与第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6电连接。
等离子体***包括等离子体靶材2、诱导等离子体光源7和光路***8，等离子体靶材2和光路***8位于真空室1内，等离子体靶材2位于第一栅网电极4和第二栅网电极5通孔之间，等离子体靶材2的材质为致密介质，等离子体靶材2靠近第一栅网电极4通孔处，等离子体靶材2的靶面朝向第二栅网电极5通孔，光路***8位于第三栅网电极6远离第二栅网电极5的一侧，诱导等离子体光源7位于真空室1外靠近光路***8的一侧。
等离子体***还包括诱导等离子体激光源电源13，诱导等离子体激光源电源13位于真空室1外，诱导等离子体激光源电源13与诱导等离子体激光源9电连接。
等离子体诱导激光源13包括但不限于气体激光器、准分子激光器或半导体激光器，由这些激光器产生的激光是击穿等离子体靶材2并产生等离子体3的能量源；诱导等离子体激光9的波段包括但不限于红外波段、可见光波段或紫外波段。
诱导等离子体光源7发射诱导等离子体激光9并由高功率光纤输入光路***8中，诱导等离子体激光9经过光路***8准直聚焦后从光路***8中出射并依次穿过第三栅网电极6和第二栅网电极5中心的通孔，最终垂直聚焦于等离子体靶材2表面，使得等离子体靶材2靶面产生等离子体3，等离子体3的电荷16由第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6引出并加速至微粒15处与微粒15碰撞，使微粒15带电或呈电中性。
本装置的方法步骤如下：
1)将所述装置的诱导等离子体光源7接通电源，诱导等离子体光源7发射诱导等离子体激光9并由高功率光纤输入光路***8中，诱导等离子体激光9经过光路***8准直聚焦后，从光路***8中出射并依次穿过第三栅网电极6和第二栅网电极5中心的通孔，最终垂直聚焦于等离子体靶材2表面，等离子体靶材2在诱导等离子体激光9的作用下产生等离子体3，诱导等离子体激光9的能量密度大于等离子体靶材2表面能量密度临界值，才能击穿等离子体靶材2表面并使得等离子体靶材2产生等离子体3；光路***包括扩束装置、准直装置和聚焦装置，通过将引入的诱导等离子体激光9进行扩束、准直和聚焦，最终将诱导等离子体激光9入射至等离子体靶材2表面；等离子体3是自由电子、自由离子和中性粒子组成的表现出集体行为的准中性的气体，由于存在很多自由电子和自由离子，等离子体3的电导率很高；使用等离子体3中的电荷替代高压放电产生的电荷，可以避免在真空室1内产生高压电场。
2)将所述装置的第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6接通电源，第一栅网电极4和第二栅网电极5之间产生电势差形成引出电场，第二栅网电极5和第三栅网电极6之间产生电势差形成加速电场；若第一栅网电极4电势高于第三栅网电极6电势，第二栅网电极5电势介于第一栅网电极4电势和第三栅网电极6电势之间，则第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6将等离子体3的正电荷引出加速至微粒15上；若第一栅网电极4电势低于第三栅网电极6电势，第二栅网电极5电势介于第一栅网电极4电势和第三栅网电极6电势之间，则第一栅网电极4、第二栅网电极5和第三栅网电极6将等离子体3的负电荷引出加速至微粒15上；引出电荷16的性质由第一栅网电极4和第二栅网电极5之间的电势高低限制，引出电荷16的移动方向由第二栅网电极5和第三栅网电极6之间的电势高低限制。
3)步骤1)中等离子体3中电荷16在引出电场的作用下引出并单向移动至加速电场内，并在加速电场的作用下单向加速移动至光阱14处与光阱14中的微粒15碰撞；
4)若微粒15呈电中性，则电荷16与微粒15碰撞后使得微粒15带电，微粒15带电性质与电荷16一致；若微粒15带电，且微粒15带电性质与电荷16相反，则电荷16与微粒15碰撞后使得微粒15被电荷16中和，从而实现在真空环境下对电荷16的选择捕获和释放。
Claims (9)
1.一种真空中电荷选择捕获释放的装置，其特征在于：
包括真空室(1)、栅网电极***、等离子体***、光阱(14)和微粒(15)，光阱(14)和微粒(15)位于真空室(1)内，微粒(15)稳定捕获于光阱(14)中，栅网电极***将等离子体***产生的电荷(16)输送至微粒(15)上；
栅网电极***包括第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)，第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)依次相互平行并间隔竖直布置于真空室(1)内，第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)中心均开设有通孔，光阱(14)位于第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)之间；
等离子体***包括等离子体靶材(2)、诱导等离子体光源(7)和光路***(8)，等离子体靶材(2)和光路***(8)位于真空室(1)内，等离子体靶材(2)位于第一栅网电极(4)和第二栅网电极(5)通孔之间，等离子体靶材(2)靠近第一栅网电极(4)通孔处，等离子体靶材(2)的靶面朝向第二栅网电极(5)通孔，光路***(8)位于第三栅网电极(6)远离第二栅网电极(5)的一侧，诱导等离子体光源(7)位于真空室(1)外靠近光路***(8)的一侧；
诱导等离子体光源(7)发射诱导等离子体激光(9)并由光纤输入光路***(8)中，诱导等离子体激光(9)经过光路***(8)准直聚焦后从光路***(8)中出射并依次穿过第三栅网电极(6)和第二栅网电极(5)中心的通孔，最终垂直聚焦于等离子体靶材(2)表面，使得等离子体靶材(2)靶面产生等离子体(3)，等离子体(3)中电荷(16)由第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)引出并加速至微粒(15)处与微粒(15)碰撞，使微粒(15)带电或呈电中性。
2.根据权利要求1所述的一种真空中电荷选择捕获释放的装置，其特征在于：
所述的光阱(14)由真空室(1)外的光源产生激光并由光纤入射聚焦至真空室(1)内形成。
3.根据权利要求1所述的一种真空中电荷选择捕获释放的装置，其特征在于：
所述的栅网电极***还包括第一栅网电极电源(10)、第二栅网电极电源(11)和第三栅网电极电源(12)，第一栅网电极电源(10)、第二栅网电极电源(11)和第三栅网电极电源(12)位于真空室(1)外，第一栅网电极电源(10)、第二栅网电极电源(11)和第三栅网电极电源(12)分别与第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)电连接；所述的等离子体***还包括诱导等离子体激光源电源(13)，诱导等离子体激光源电源(13)位于真空室(1)外，诱导等离子体激光源电源(13)与诱导等离子体光源(7)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种真空中电荷选择捕获释放的装置，其特征在于：
所述的等离子体靶材(2)的材质为致密介质。
5.根据权利要求1所述的一种真空中电荷选择捕获释放的装置，其特征在于：
所述的诱导等离子体光源(7)包括气体激光器、准分子激光器或半导体激光器；诱导等离子体激光(9)的波段包括红外波段、可见光波段或紫外波段。
6.应用于权利要求1-5任一所述装置的一种真空中电荷选择捕获释放的方法，其特征在于：
步骤如下：
1)将所述装置的诱导等离子体光源(7)接通电源，诱导等离子体光源(7)发射诱导等离子体激光(9)并由高功率光纤输入光路***(8)中，诱导等离子体激光(9)经过光路***(8)准直聚焦后，从光路***(8)中出射并依次穿过第三栅网电极(6)和第二栅网电极(5)中心的通孔，最终垂直聚焦于等离子体靶材(2)表面，等离子体靶材(2)在诱导等离子体激光(9)的作用下产生等离子体(3)；
2)将所述装置的第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)接通电源，第一栅网电极(4)和第二栅网电极(5)之间产生电势差形成引出电场，第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)之间产生电势差形成加速电场；
3)步骤1)中等离子体(3)中电荷(16)在引出电场的作用下引出并单向移动至加速电场内，并在加速电场的作用下单向加速移动至光阱(14)处与光阱(14)中的微粒(15)碰撞；
4)若微粒(15)呈电中性，则电荷(16)与微粒(15)碰撞后使得微粒(15)带电，微粒(15)带电性质与电荷(16)一致；若微粒(15)带电，且微粒(15)带电性质与电荷(16)相反，则电荷(16)与微粒(15)碰撞后使得微粒(15)被电荷(16)中和，从而实现在真空环境下对电荷(16)的选择捕获和释放。
7.根据权利要求6所述的一种真空中电荷选择捕获释放的方法，其特征在于：
所述步骤1)中，光路***包括扩束装置、准直装置和聚焦装置，通过将引入的诱导等离子体激光(9)进行扩束、准直和聚焦，最终将诱导等离子体激光(9)入射至等离子体靶材(2)表面。
8.根据权利要求6所述的一种真空中电荷选择捕获释放的方法，其特征在于：
所述步骤1)中，诱导等离子体激光(9)的能量密度大于等离子体靶材(2)表面能量密度临界值。
9.根据权利要求6所述的一种真空中电荷选择捕获释放的方法，其特征在于：
所述步骤2)中，若第一栅网电极(4)电势高于第三栅网电极(6)电势，第二栅网电极(5)电势介于第一栅网电极(4)电势和第三栅网电极(6)电势之间，则第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)将等离子体(3)的正电荷引出加速至微粒(15)上；若第一栅网电极(4)电势低于第三栅网电极(6)电势，第二栅网电极(5)电势介于第一栅网电极(4)电势和第三栅网电极(6)电势之间，则第一栅网电极(4)、第二栅网电极(5)和第三栅网电极(6)将等离子体(3)的负电荷引出加速至微粒(15)上。
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