3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 光路設(shè)計(jì)

圖1為本文研制的微尺度反射式表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由實(shí)驗(yàn)光路、實(shí)驗(yàn)本體，以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成。

實(shí)驗(yàn)中采用波長(zhǎng)為532 nm的單縱模激光器作為光源，最大功率為750 mW。利用1/2零級(jí)玻片和偏振分光棱鏡將激光偏振狀態(tài)調(diào)整為P偏振(平行于紙面)，之后激光經(jīng)合束鏡7的反射，由短焦透鏡8聚焦至微通道內(nèi)氣液界面處，因激光光束本身存在物理直徑，故可將激光光束分為中心透射光束與其他光束，中心透射光束經(jīng)液面反射后以原路徑反射。其他部分入射光束經(jīng)透鏡聚焦并經(jīng)液面反射后所產(chǎn)生的散射光經(jīng)短焦透鏡聚焦后與透射光束的反射光以相同的路徑返回。中心透射光束反射光與部分入射光束經(jīng)液面反射后的反射光所產(chǎn)生的散射光在返回路徑中進(jìn)行光學(xué)混頻。所謂混頻，是指在散射光中混疊一部分未被表面波調(diào)制的光(參考光)，通過(guò)測(cè)量?jī)墒庵g的拍頻來(lái)測(cè)量液體表面波頻率。混頻信號(hào)通過(guò)合束鏡7到達(dá)光纖。利用兩個(gè)光子計(jì)數(shù)器對(duì)混頻信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，并設(shè)置數(shù)字相關(guān)器的運(yùn)算模式為互相關(guān)，通過(guò)數(shù)字相關(guān)器的相關(guān)運(yùn)算，獲得時(shí)域內(nèi)的散射光強(qiáng)度相關(guān)數(shù)據(jù)。表面波的頻率ωq和弛豫時(shí)間τc可通過(guò)擬合散射光強(qiáng)度二階相關(guān)方程G2SLS(τ)獲得：

G2SLS(τ) = A + Bcos(ωq|τ|+φ)exp(-|τ|/τc) + Cτ  (9)

式中：A、B、C與φ為擬合參數(shù)。

經(jīng)過(guò)透鏡后的激光光束的束腰半徑即透鏡聚焦點(diǎn)的半徑可表示為

1/ω2?,out = 1/ω2?,in(1-din/f)2 + 1/f2(πω2?,in/λ)2  (10)

式中：ω?,in為透鏡聚焦前的激光束腰半徑，ω?,in = 0.35 mm；ω?,out為透鏡聚焦后的激光束腰半徑；din為透鏡聚焦前束腰中心距透鏡中心的距離，din = 46.5 mm；f為短焦透鏡的焦距，f = 50 mm；λ為激光波長(zhǎng)，λ = 532 nm。透鏡聚焦后束腰中心距透鏡中心的距離可表示為

dout = f + f2(din-f)/[(din-f)2 + (πω2?,in/λ)2]  (11)

聯(lián)立式(10)與式(11)可計(jì)算得到聚焦點(diǎn)與透鏡中心的距離。合束鏡7與短焦透鏡8被安裝在高精度二維位移臺(tái)上，可精確調(diào)節(jié)激光經(jīng)短焦透鏡聚焦后的聚焦點(diǎn)位置。

3.2 限制性可控微通道

本文設(shè)計(jì)了限制性寬度可控微通道，利用3維移動(dòng)和沿著z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)建了x、y、z、φ 4維微尺度液面控制平臺(tái)。如圖2所示，y方向?yàn)橥ǖ婪较颍瑈方向行程為25.4 mm，x方向垂直于通道方向，z方向的行程為13 mm，φ方向的調(diào)節(jié)范圍為360°。通道的寬度為關(guān)鍵尺寸，因此x方向的移動(dòng)由高精度1維數(shù)顯精密位移臺(tái)控制，行程為25.4 mm，步距控制精度為1 μm，可實(shí)現(xiàn)尺度為10~100 μm的1維可控微通道。實(shí)驗(yàn)樣品池采用316L不銹鋼，限制性通道采用石英玻璃，接觸面的平行度<5″，表面粗糙度為20/10。樣品池放置于可調(diào)節(jié)水平平臺(tái)上，通過(guò)與平臺(tái)相連的3個(gè)支點(diǎn)處的螺母進(jìn)行調(diào)平。兩塊立方體石英玻璃平行放置，形成限制性微通道：其中一塊固定于樣品池中，另一塊固定于可以沿著x方向移動(dòng)的滑塊上。滑塊與3維調(diào)節(jié)鏡架和數(shù)顯精密位移臺(tái)相連，以控制通道的寬度。石英窗口通道需要保持平行和等高，在顯微鏡輔助下調(diào)節(jié)位移臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)，以確保通道在移動(dòng)過(guò)程的壁面平行。采用BEIYINHU公司的電子顯微鏡搭載1×目鏡用于放大微通道界面，以便于觀察。所有光學(xué)元件均固定和放置于氣動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)以隔絕外界振動(dòng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作狀態(tài)如圖3所示。

注入流體工質(zhì)前，需要對(duì)微通道進(jìn)行調(diào)零。具體步驟如下：

1) 首先，調(diào)節(jié)z軸方向1維位移臺(tái)，待石英玻璃窗口與微通道底面接觸后，將石英玻璃窗口升高0.5 mm，以避免后續(xù)在沿x方向移動(dòng)石英玻璃時(shí)，玻璃底部與微通道底面的摩擦影響微通道的控制精度。

2) 通過(guò)調(diào)節(jié)y軸方向，使石英玻璃側(cè)面與樣品池保持合理的間隙。

3) 沿x軸正方向移動(dòng)二維位移臺(tái)，直至顯示的微通道寬度示數(shù)為零，即兩玻璃窗口完全貼合。此步驟需要借助電子顯微鏡進(jìn)行觀察，若觀察到兩玻璃窗口并未完全貼合，需要對(duì)x、z、φ繼續(xù)微調(diào)直至兩玻璃窗口完全貼合，此時(shí)記兩玻璃窗口完全貼合處為"0"寬度點(diǎn)，并將x方向測(cè)微頭示數(shù)清零，向負(fù)方向調(diào)節(jié)x軸測(cè)微頭，所顯示的示數(shù)即為微通道的寬度。

標(biāo)定好通道零點(diǎn)后，即可進(jìn)行注液。本文注液采用了HENSEKi公司的Hamilton7000系列2.0 μL進(jìn)樣針。沿x軸正方向緩慢調(diào)節(jié)微通道的寬度，直至可以通過(guò)電子顯微鏡觀察到較為清晰的液面反光[圖4(a)]，但由于整個(gè)液面處于玻璃邊界的上表面以下，無(wú)法觀察到微米級(jí)受限條件下流體的完整液面，即無(wú)法判斷10 mm長(zhǎng)的整個(gè)液面是否都為受限液面，故需要繼續(xù)縮小液面受限尺度。進(jìn)一步縮小尺度至圖4(b)所示的液面受限尺度，可以看到液面在左側(cè)玻璃邊界上出現(xiàn)明顯的溢出情況，此時(shí)需要通過(guò)電子顯微鏡對(duì)10 mm長(zhǎng)的液面進(jìn)行掃視，以確保整個(gè)液面均有溢出。確定整個(gè)液面存在溢出后，將數(shù)顯位移臺(tái)沿負(fù)方向移動(dòng)，使液面重新回到受限狀態(tài)，如圖4(c)所示，此時(shí)才可確保流體工質(zhì)的整個(gè)液面均處于受限狀態(tài)，方可進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)操作。

此后，沿著x軸與y軸精確調(diào)節(jié)短焦透鏡與合束鏡，以確保入射光經(jīng)透鏡聚焦后的聚焦點(diǎn)落在微通道內(nèi)流體界面上且光學(xué)混頻后的混合信號(hào)光能夠進(jìn)入接收器，以便后續(xù)信號(hào)處理。