非线性液体介质微流动恢复时间的测量系统及其测量方法

摘要

本发明公开了一种能精确测量非线性液体介质微流动恢复时间的测量系统及其测量方法，非线性液体介质微流动恢复时间测量系统包括超短脉冲光源、氦氖激光光源、二向色镜、反射镜、非线性液体介质、遮光板、光学衰减片、精密探测器。本发明基于超快激光技术，利用泵浦-探测原理实现非线性液体介质微流动恢复时间的精确测量，进而能间接得到非线性液体介质微流动的流速，本发明能够简单、方便、快捷地测量出任何一种非线性液体介质的微流动的恢复时间，并且测量精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子及微流动系统技术领域，具体是一种非线性液体介 质微流动恢复时间的测量系统及其测量方法。

背景技术

微流动系统由于尺寸微小，降低能耗和具有集成化以及大批量生产等 特点，在液体流量控制、微量化学分析、微型注射和药物传送、集成 电路微冷却等方面有着广泛的应用前景。精确测量微流体系统中液体 的微流动对推动微流动系统的发展具有极大的实用价值。在微流动系 统中，液体介质微流动后恢复平静的时间为恢复时间。本发明基于超 快激光技术，利用泵浦-探测原理提出了一种新型的测量非线性液体介 质微流动后恢复时间的测量系统以及测量方法，能够精确测量非线性 液体介质微流动后的恢复时间，进而能间接得到非线性液体介质微流 动的流速，且能进行简单、方便、快捷的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种非线性 液体介质微流动恢复时间的测量系统及其测量方法，能够简单、方便 、快捷地测量出任何一种非线性液体介质的微流动后的恢复时间。

本发明所采用的技术方案是：一种非线性液体介质微流动恢复时间的 测量系统，包括超短脉冲光源、氦氖激光光源、二向色镜、反射镜、 非线性液体介质、遮光板、光学衰减片、精密探测器。其特征在于， 超短脉冲光源产生的超短脉冲作为泵浦光，氦氖激光光源产生的激光 作为探测光。探测光依次经第一反射镜、第一二向色镜、非线性液体 介质、第二反射镜、第二二向色镜、第二光学衰减片到达精密探测器 。泵浦光依次经第一光学衰减片、第一二向色镜、非线性液体介质、 第二反光镜、第二二向色镜到达遮光板。

所述超短脉冲光源采用钛宝石再生放大激光器。

所述氦氖激光光源采用氦氖激光器。

所述二向色镜对波长为800nm的激光反射率99.9%，对波长为632nm的激 光透射率99.9%。

所述反射镜为前表面镀银反射镜。

所述非线性液体介质为二硫化碳。

所述遮光板为光学遮光板。

所述光学衰减片为可调节金属膜中性密度渐变滤光片。

所述精密探测器为CCD Camera。

非线性液体介质微流动恢复时间的测量系统的微流动恢复时间的测量 方法的具体步骤为：

1）调试泵浦光和探测光光路，使两光路共线射入非线性液体介质中；

2）调节第一光学衰减片，逐渐增大泵浦光入射功率直至能在精密探测 仪器中观察到探测光光斑出现明显的衍射环；

3）逐渐降低钛宝石再生放大激光器的重复频率，直至能在精密探测仪 器中观察到探测光光斑衍射环消失；

4）记录此时钛宝石再生放大激光器的重复频率，推算出非线性液体介 质的微流动的恢复时间。

本发明的工作原理是：钛宝石再生放大激光器发出的飞秒脉冲，在非 线性液体介质中传输时，随着入射功率的逐渐增大，光束将发生小尺 度自聚焦。当功率增大到一定值时，光路上的自聚焦焦点处的非线性 液体介质将会被破坏，被破坏的液体介质将变成黑色小颗粒。当氦氖 激光器发出的探测光从非线性液体介质通过时，遇到黑色颗粒，将发 生衍射，此时在CCD中将观察到明显的衍射环。非线性液体介质微流动 时，黑色颗粒也将随之移动，当飞秒脉冲的重复率很大时，两个脉冲 之间的间隔时间很短，黑色颗粒在很小的间隔时间里移动的距离很小 ，可以始终观察到衍射环。逐渐降低飞秒脉冲的重复率，两个脉冲之 间的间隔时间增大，黑色颗粒的移动距离增大，衍射圆环将逐渐消失 ，当衍射环完全消失时，此时两个飞秒脉冲的间隔时间即为非线性液 体介质微流动的恢复时间。通过单位换算进而能间接得到非线性液体 介质微流动的流速。

附图说明

图1为本发明非线性液体介质微流动恢复时间的测量系统结构示意图。

其中：

1：氦氖激光光源；2：超短脉冲光源；3a-3b：反射镜；4a-4b：二向 色镜；5a-5b：光学衰减片；6：非线性液体介质；7：遮光板；8：精 密探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明做具体说明。

如图1所示，本实施例提出的非线性液体介质微流动恢复时间的测量系 统，包括氦氖激光光源1、超短脉冲光源2、反射镜3a-3b、二向色镜4 a-4b、光学衰减片5a-5b、非线性液体介质6、遮光板7、精密探测器8 。

上述各部分的功能分别说明如下：

氦氖激光光源1，用于产生探测光；

超短脉冲光源2，用于产生泵浦光；

反射镜3a-3b，用于光束的反射，本实施例选用前表面镀银的反射镜；

二向色镜4a-4b，用于选择性的通过光束，本实施例选用对波长为800 nm的光束反射率99.9%，对波长为632nm的光束透射率99.9%二向色镜；

光学衰减片5a，用于调节入射到非线性介质的超短脉冲的功率； 

光学衰减片5b，用于调节入射到精密探测器CCD中的功率，避免因功率 过大损坏CCD。

非线性液体介质6，用作被测量介质；

遮光板7，用于遮除掉从第二二向色镜中反射出来的波长为800nm的光 束；

精密探测器8，用于动态探测探测光的变化过程，本实施例选用CCD  Camera（Coherent公司的Laser Cam-HR^TM Beamview，其点阵为1280 ×1024,分辨率约为6.7μm×6.7μm）。

本发明所采用的非线性液体介质微流动恢复时间的精确测量系统装置 工作过程如下：

激光光源1为氦氖激光器，中心波长为632nm，作为探测光。激光光源 2为Coherent公司生产的商用钛宝石再生放大激光系统（型号为Libra S），输出的最短脉冲宽度约100fs，带宽约为12nm，重复频率为1kHz ，中心波长为800nm，作为泵浦光。调试泵浦光和探测光光路，使两光 路共线射入非线性液体介质中。调节第一光学衰减片，逐渐增大泵浦 光入射功率直至能在精密探测仪器中观察到光斑出现明显的衍射环。 逐渐降低钛宝石再生放大激光器的重复频率，直至能在精密探测仪器 中观察到光斑衍射环消失。记录此时钛宝石再生放大激光器的重复频 率，推算出非线性液体介质的微流动的恢复时间。

本实施例基于超快激光技术，利用泵浦-探测原理，实现非线性液体介 质微流动恢复时间的精确测量。目前，泵浦-探测技术比较广泛的应用 于测量超快过程，由于其成本低和测量精度高，已经被越来越多的研 究者接受。本实施例的泵浦-探测技术能够简单、方便、快捷地测量出 非线性液体介质的微流动的恢复时间，进而能间接得到非线性液体介 质微流动的流速，并且测量精度高。