【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光纖光鑷，具體地，本專利技術涉及基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置和方法。
技術介紹
1、生物質氣溶膠是指分散在空氣中的微小生物質固體和液體顆粒，具有廣泛的應用和經濟影響。這些氣溶膠不僅存在于生物質燃料燃燒產生的煙霧中，還通過工廠排放和森林火災大量釋放，導致局部和全球污染。同時，生物質氣溶膠通過大氣過程對氣候產生重大影響，在地球冷卻和防止不受控制的變暖方面起著重要作用。然而，單個生物質氣溶膠過程的研究和隔離非常困難，存在許多未解的重大不確定性。當前生物質氣溶膠性質存在不確定性的一個主要原因是生物質氣溶膠通常是快速移動的小顆粒，并且不斷與環境相互作用，因此傳統的原位生物質氣溶膠分析既具有挑戰性又具有破壞性。目前可行的解決方法是利用光學捕獲(光鑷)技術對單個生物質氣溶膠進行捕獲和操控。這種技術使用聚焦激光來捕獲顆粒。光學捕獲(光鑷)技術由于其非接觸、低損傷和高度多功能性，已在多個學科中廣泛應用。自1970年ashkin首次提出該技術以來，它已經發展了50多年，并在2018年獲得了諾貝爾物理學獎。近十年來，使用這種技術來捕獲和操縱單個生物質氣溶膠的動力學以及研究其物理化學性質已引起了極大的興趣和關注。在生物質氣溶膠研究方面，不論是光學捕獲裝置的設計，還是針對捕獲后生物質氣溶膠粒子的動力學特性分析，亦或是捕獲后生物質氣溶膠粒子的物理、化學特性分析和研究，目前國內外都展開了大量的工作，并取得了顯著的進展。
2、傳統研究生物質氣溶膠的光學捕獲裝置依賴于高數值孔徑的顯微物鏡及其復雜的光學整機系統，導致整個系統不
技術實現思路
1、基于此，本專利技術在于克服現有技術的至少一種缺陷，提供一種基于光纖光鑷捕獲技術，開發了捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，克服了傳統單個生物質氣溶膠顆粒捕獲和操控難的兩大限制問題。
2、本專利技術的另一目的在于提供基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法。
3、其技術方案如下：
4、一種基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，包括發出激光光束的激光器、沿激光光束的光路依次設置的隔離器、擴束組件、第一半波片和用于將激光光束分為第一激光光束和第二激光光束的偏振分束鏡，所述裝置還包括單模光纖、多模光纖、空間光調制器和氣溶膠捕獲室；
5、所述第一激光光束和第二激光光束分別耦合進入多模光纖和單模光纖的輸入端，所述多模光纖、單模光纖的輸出端進入氣溶膠捕獲室且位于所述氣溶膠捕獲室的兩相對側；所述空間光調制器用于調制所述多模光纖的輸入光場以在輸出光場創建優化的焦點；
6、所述氣溶膠捕獲室上方配有第一cmos相機和長焦距物鏡且長焦距物鏡位于靠近捕獲室一側，所述捕獲腔室的下方配有科勒照明系統。
7、在其中一種實施方式中，所述擴束組件為用于擴展激光光束直徑的6倍望遠鏡系統擴束鏡組；和/或所述長焦距物鏡為20倍距離物鏡。
8、在其中一種實施方式中，所述第二激光光束通過第三物鏡耦合進入單模光纖，所述第三物鏡為10倍物鏡。
9、在其中一種實施方式中，所述裝置還包括用于夾持單模光纖、雙模光纖的光纖夾具。
10、在其中一種實施方式中，基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置通過氣溶膠輸送結構來制備與輸送氣溶膠，所述氣溶膠輸送結構包括超聲波霧化器和設置在超聲波霧化器端部的噴嘴，且所述噴嘴的長度和角度可調節。
11、一種基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，包括如下步驟：
12、(1)設置裝置：組裝設置所述基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，使激光器的激光光束能夠按如下光路進入氣溶膠捕獲室：先通過隔離器再經過擴束組件得到擴束后的均勻激光光束，通過第一半波片和偏振分束器將激光光束分成第一激光光束和第二激光光束，通過調整第一半波片控制兩束激光光束的功率比例，第一激光光束和第二激光光束分別耦合進入多模光纖和單模光纖的輸入端，通過空間光調制器調制所述多模光纖的輸入光場以在輸出光場創建優化的焦點，多模光纖、單模光纖的輸出端進入氣溶膠捕獲室且位于所述氣溶膠捕獲室的兩相對側從而在氣溶膠捕獲室的兩相對側形成光纖光鑷；
13、(2)環境控制：將氣溶膠捕獲室設計為密封結構，且在氣溶膠捕獲室內放置濕紙巾維持濕度環境；
14、(3)氣溶膠的制備與輸送：通過氣溶膠輸送結構捕獲和輸送氣溶膠；
15、(4)記錄和分析：通過配制的科勒照明系統對氣溶膠捕獲室進行光照獲得清晰捕獲氣溶膠的影像，通過第一cmos相機和長焦距物鏡記錄和分析單個氣溶膠的動態，再通過matlab算法來分析捕獲過程中的視頻數據，從而精確解析氣溶膠的物理特性；
16、(5)光纖處理：每次實驗后，對多模光纖和單模光纖的端面進行清潔并重新進行精準對準，以保證系統的高重復性和準確性。
17、在其中一種實施方式中，所述空間光調制器調制所述多模光纖的輸入光場以在輸出光場整形為優化的焦點包括如下步驟：
18、(1)將激光通過隔離器、第一半波片、偏振分束器分成兩束，通過旋轉第一半波片控制兩束光的功率比率，一束激光耦合到單模光纖作為參考光束，另一束激光作為信號光束，信號光束通過擴束組件、第二半波片入射至空間光調制器，通過第二半波片對齊信號光束和空間光調制器之間的偏振；
19、(2)在空間光調制器上加載光柵，通過衍射極限點順序掃描多模光纖的輸入端面，該點通過空間光調制器進行調制，在每個點上，光的相位也依次在2π范圍內進行偏移；通過掃描多模光纖輸入端面的每個點，在多模光纖的輸出端生成散斑圖案；
20、(3)散斑圖案與從單模光纖輸出的參考光束發生干涉，形成干涉圖案，通過第二cmos相機提取探測位置的最佳相位和振幅；
21、(4)重復步驟(2)和步驟(3)，得到所有掃描點的最佳相位和振幅生成的圖像，生成優化的全息圖，通過快速傅里葉變換進行計算；
22、(5)最終將優化的全息圖發送到空間光調制器，在多模光纖的輸出端生成整形場，創建優化的焦點。
23、在其中一種實施方式中，所述通過衍射極限點順序掃描多模光纖的輸入端面包括如下步驟：
24、(1)在空間光調制器至多模光纖的輸入端的光路上依次設置第三透鏡、光闌、第四透鏡、第一四分之一玻片、第一物鏡；其中第三透鏡和第四透鏡構成第一組4f系統，第四透鏡和第一物鏡構成第二組4f系統；
25、(2)第一組4f系統將空間光調制器成像到第一物本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，包括發出激光光束的激光器、沿激光光束的光路依次設置的隔離器、擴束組件、第一半波片和用于將激光光束分為第一激光光束和第二激光光束的偏振分束鏡，所述裝置還包括單模光纖、多模光纖、空間光調制器和氣溶膠捕獲室；
2.根據權利要求1所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，所述擴束組件為用于擴展激光光束直徑的6倍望遠鏡系統擴束鏡組；和/或所述長焦距物鏡為20倍距離物鏡。
3.根據權利要求1所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，所述第二激光光束通過第三物鏡耦合進入單模光纖，所述第三物鏡為10倍物鏡。
4.根據權利要求1所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置通過氣溶膠輸送結構來制備與輸送氣溶膠，所述氣溶膠輸送結構包括超聲波霧化器和設置在超聲波霧化器端部的噴嘴，且所述噴嘴的長度和角度可調節。
5.一種基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.根
7.根據權利要求6所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，其特征在于，所述通過衍射極限點順序掃描多模光纖的輸入端面包括如下步驟：
8.根據權利要求7所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，其特征在于，在第四透鏡至第一四分之一玻片的光路上還設有第一分束器，所述第一分束器將來自第四透鏡的激光光束分為第三激光光束和第四激光光束，第三激光光束入射至第一四分之一波片，第四激光光束的路徑上設置第三CMOS相機，用于監控調制第四激光光束。
9.根據權利要求6所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，其特征在于，所述多模光纖的輸出端設有第二物鏡、第二四分之一玻片和第二分束器，第二分束器將單模光纖的輸出光和多模光纖的輸出光合束，第二CMOS相機設置在合束后的光路上。
10.根據權利要求8所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，其特征在于，通過衍射極限點順序掃描多模光纖的輸入端面前還包括空間光調制器校準步驟：通過捕捉干涉條紋干涉圖案的振幅生成LOOP-UP-TABLE或創建補償全息圖，完成對空間光調制器的校準。
...【技術特征摘要】
1.一種基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，包括發出激光光束的激光器、沿激光光束的光路依次設置的隔離器、擴束組件、第一半波片和用于將激光光束分為第一激光光束和第二激光光束的偏振分束鏡，所述裝置還包括單模光纖、多模光纖、空間光調制器和氣溶膠捕獲室；
2.根據權利要求1所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，所述擴束組件為用于擴展激光光束直徑的6倍望遠鏡系統擴束鏡組；和/或所述長焦距物鏡為20倍距離物鏡。
3.根據權利要求1所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，所述第二激光光束通過第三物鏡耦合進入單模光纖，所述第三物鏡為10倍物鏡。
4.根據權利要求1所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置，其特征在于，基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的裝置通過氣溶膠輸送結構來制備與輸送氣溶膠，所述氣溶膠輸送結構包括超聲波霧化器和設置在超聲波霧化器端部的噴嘴，且所述噴嘴的長度和角度可調節。
5.一種基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.根據權利要求5所述的基于光纖光鑷捕獲和操作生物質氣溶膠的方法，其特征在于，所...
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