一种基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法

本发明涉及微纳米流体领域，特指一种基于激光等离激元效应而产生的微米级空化气泡在固体物体附近周期性、循环生成的实现方法和技术手段。

背景技术：

1、随着微流体芯片在即时诊断、血液检测、微型反应容器以及药物研发等重要领域的广泛应用，其在近二十年备受关注。而人类对于其小型化、高效化、便携化以及环保化的追求，使得微流体器件内部以层流为主的低雷诺数流动与更高效、精准的微纳米流体运动之间的矛盾越为激化，寻找更为高效的微流体主动扰动方式就尤为重要。

2、目前已有的微流体扰动中的常用方法包括声表面波震动法、离心法、热马兰戈尼法等。其中声表面波震动法是依靠微流道中预先设置的微结构在超声的作用下产生震动对局域范围内的流体实现扰动，包括使用微流道中在液体流过时设计孔位截留的空气气泡表面、微流道中预先设计加工的微结构等。离心法则需要在微流道中提前设计多处圆环状流道，利用液体流过时产生的向心加速度来使内外圈液体扰动混合。热马兰戈尼法则以激光照射时产生的气泡为基础，利用第二束激光对气液交界处进行加热引发局域热马兰戈尼对流，实现局域内流体的大范围扰动。

3、综上所述，表面声波震动法和离心法都需要提前对微流道进行特异性设计，难以避免冗杂的电气连接，对于场景的适用性较弱，实现过程较为复杂。热马兰戈尼法需要多束光束同时进行控制，操作难度大。因此简单易用、适用性较高的新型微流体扰动方法就显得尤为重要。基于激光等离激元效应的空化气泡，具有～20m/s的膨胀速度，能够引起强烈的微米级局部扰动，只需要利用微流道中的流道壁面或是胶体微球等引发流场不对称的物体，就能在局域流体实现周期性的循环生成空化气泡，引发局域内强烈的流场扰动。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有微流体扰动技术存在的不足，提出基于激光等离激元效应而产生的微米级空化气泡在固体物体附近周期性、循环生成的技术方法，实现操作简单、成本低廉、高效的局域流体扰动。

2、为实现上述目的，本发明包括：提供一种基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，该方法使用位于等离激元共振波段的连续波激光，经显微物镜聚焦后照射到放置于液体水环境中的、贵金属纳米粒子覆盖的熔融石英样品表面；提前调整激光将光斑定位于样品表面的固体物体附近，打开激光，超过阈值功率的激光会在光斑位置引发微米级空化气泡成核、生长和坍缩；光斑附近的固体物体作为流场边界会使气泡在坍缩过程中产生朝向固体物体的运动，从而使坍缩后的气泡核脱离光斑区域钉扎；光斑区域重新由液体覆盖，在持续激光能量输入的情况下光斑位置处能够引发再一次空化气泡成核，因而形成高频率、周期性的空化气泡成核、生长与坍缩过程。

3、进一步的，所述贵金属纳米粒子为金纳米粒子。

4、进一步的，所述固体物体为表面平整的长方体物体或球形物体，作为流场边界存在于样品表面。

5、进一步的，激光光斑离固体物体距离l<500μm。

6、进一步的，本发明使用位于等离激元共振波段的激光照射贵金属纳米粒子，迅速的将光能转化为热，使周围液体汽化产生空化气泡。

7、进一步的，本发明将激光光斑调整至固体物体附近，能够打破空化气泡周围流体环境的对称性，使气泡受到不对称压力而产生运动，脱离光斑区域的钉扎，让液体重新覆盖光斑区域。

8、进一步的，通过改变输入激光的功率，能够控制空化气泡周期性生成的频率与尺寸。

9、进一步的，通过改变输入激光的功率，能够控制光斑所在的实现周期性空化气泡区域的范围大小。

10、进一步的，通过对输入激光进行脉冲宽度调制，能够控制空化气泡周期性生成的频率。

11、发明的效果

12、本发明与以往的方法相比，仅通过将激光光斑调整至固体物体附近，即可实现基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成；且通过调节激光强度及脉冲宽度调制可以实现对空化气泡的生成频率、尺寸、周期性生成区域范围大小的控制，操作简单，易于实现。

技术特征：

1.一种基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：该方法使用位于等离激元共振波段的连续波激光，经显微物镜聚焦后照射到放置于液体水环境中的、贵金属纳米粒子覆盖的熔融石英样品表面；提前调整激光将光斑定位于样品表面的固体物体附近，打开激光，超过阈值功率的激光会在光斑位置引发微米级空化气泡成核、生长和坍缩；光斑附近的固体物体作为流场边界会使气泡在坍缩过程中产生朝向固体物体的运动，从而使坍缩后的气泡核脱离光斑区域钉扎；光斑区域重新由液体覆盖，在持续激光能量输入的情况下光斑位置处能够引发再一次空化气泡成核，因而形成高频率、周期性的空化气泡成核、生长与坍缩过程。

2.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：所述贵金属纳米粒子为金纳米粒子。

3.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：所述固体物体为表面平整的长方体物体或球形物体，作为流场边界存在于样品表面。

4.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：激光光斑离固体物体距离l<500μm。

5.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：使用位于等离激元共振波段的激光照射贵金属纳米粒子，迅速的将光能转化为热，使周围液体汽化产生空化气泡。

6.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：固体物体的存在打破空化气泡周围流体环境的对称性，使气泡受到不对称压力而产生运动，脱离光斑区域的钉扎，让液体重新覆盖光斑区域。

7.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：通过改变输入激光的功率，能够控制空化气泡周期性生成的频率与尺寸。

8.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：通过改变输入激光的功率，能够控制光斑所在的实现周期性空化气泡区域的范围大小。

9.根据权利要求1所述的基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法，其特征在于：通过对输入激光进行脉冲宽度调制，能够控制空化气泡周期性生成的频率。

技术总结
本发明涉及微纳米流体领域，特指一种基于激光等离激元效应的空化气泡周期性生成方法。其特征在于，该方法使用位于等离激元共振波段的连续波激光，经显微物镜聚焦后照射到放置于液体水环境中的、贵金属纳米粒子覆盖的熔融石英样品表面；提前调整激光将光斑定位于样品表面的固体物体附近，打开激光，超过阈值功率的激光会在光斑位置引发微米级空化气泡成核、生长和坍缩；光斑附近的固体物体作为流场边界会使气泡在坍缩过程中产生朝向固体物体的运动，从而使坍缩后的气泡核脱离光斑区域钉扎；光斑区域重新由液体覆盖，在持续激光能量输入的情况下光斑位置处能够引发再一次空化气泡成核，因而形成高频率、周期性的空化气泡成核、生长与坍缩过程。本发明实现空化气泡周期性生成的操作非常简单，易于实现，能够对局域流体产生强烈的扰动，并且能够实现空化气泡的生成频率、尺寸、周期性生成区域范围大小的控制。

技术研发人员：王玉亮,王福龙
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11