一种基于单脉冲激光诱导光致击穿可控射流的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于单脉冲激光诱导光致击穿可控射流的系统和方法，利用二分之一波片和偏振分光棱镜对单个脉冲激光进行分光比可调的分束，形成不同能量比的两束脉冲激光；随后通过一个第一反射镜来调整分束后激光的入射方向，进而使得两束脉冲激光聚焦在样品池的不同位置形成大小、位置可调的两点击穿，最终利用空泡间相互作用所导致的非对称振荡来形成可控的微射流。本发明专利技术只利用单个脉冲激光器就可形成可控微射流，能显著降低成本。能显著降低成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单脉冲激光诱导光致击穿可控射流的系统和方法


[0001]本专利技术涉及液体的光致击穿领域，尤其涉及一种基于单脉冲激光诱导光致击穿可控射流的系统和方法。

技术介绍

[0002]脉冲激光由于其极短的脉冲宽度以及超高的瞬时功率，被广泛的应用于现代社会的各个领域当中。通过利用聚焦技术将脉冲激光在空间上进行压缩，进一步提高其瞬时的功率密度，当作用于液体介质中时，很容易引起光致击穿现象。光致击穿过程包括等离子体形成、空化气泡振荡以及冲击波的发射等。此外，在特定情况下还会有微射流的形成。与击穿空泡相比，微射流具有更高的尖端速度，更小的尖端尺寸和明显的方向性。因此，光致击穿微射流在提高显微加工精度和准确性、细胞膜微手术的可控性方面具有非常大的潜力。特别是在细胞膜微手术方面，光致击穿能够形成微米甚至亚微米量级的微射流，可靶向性的实现单细胞的穿孔。且与其他光穿孔技术相比，击穿微射流所引起介质定向流动，可实现外源物质的主动导入，进而提高外源物质导入的效率以及剂量的可控性。因此，如何实现光致击穿微射流包括射流大小、方向以及速度等的可控对于推动光致击穿在生物医学领域的应用具有重要的价值。
[0003]根据以往的研究，微射流的形成与空泡的非对称振荡过程密切相关，包括固体壁、空气面、超声场甚至重力的作用等都会导致微射流的形成。但是，在微射流可控性方面来说，固体壁、空气面等由于其结构、位置的固定，很难调整微射流的形成方向；而对于外源的超声场或者压力场来说，可通过调整其方向来控制微射流方向，然而很难实现微射流强弱、大小的精细控制。目前，最灵活的微射流可控性操作是利用多空泡间的相互作用来完成，例如利用两台脉冲激光器从不同方向入射，从而形成大小、位置及相位不同的两个空泡来控制微射流的形成。然而，该种方法具有系统繁复，操作复杂且费用昂贵等缺点。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于单脉冲激光诱导光致击穿可控射流的系统和方法，能形成大小、强弱及方向可控的微射流，且系统简单，操作容易。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的系统，包括脉冲激光器、能量测量模块和系统控制存储模块；
[0007]在脉冲激光器的脉冲激光传播方向上依次设置有二分之一波片、偏振分光棱镜和第一反射镜；
[0008]在偏振分光棱镜的脉冲激光反射光传播方向上设置有第二反射镜，在偏振分光棱镜的脉冲激光反射光经第二反射镜反射的脉冲激光反射光传播方向上依次设置有聚焦物镜、样品池、成像物镜和第一二向色镜；在第一二向色镜的反射光传播方向上依次设置有第
一陷波片和相机；
[0009]第二反射镜用于将经过偏振分光棱镜和第一反射镜反射的两束脉冲激光反射进聚焦物镜，并分别聚焦在样品池中；
[0010]相机为具有外触发功能的相机；相机和第一陷波片构成等离子体成像模块，用于拍摄击穿等离子体的图像，确定击穿点位置；
[0011]系统控制存储模块与脉冲激光器和相机电连接，用于控制脉冲激光器和相机之间的时序和触发；同时接收和存储相机的图像数据；
[0012]能量测量模块用于确定经偏振分光棱镜反射和透过的两束脉冲激光的能量。
[0013]优选的，还包括连续激光器、第二二向色镜、第二陷波片和高速成像仪；
[0014]第二二向色镜设置在第二反射镜和聚焦物镜之间；在连续激光器的连续激光传播方向上依次设置有第一凸透镜和第二凸透镜，从第二凸透镜透过的连续激光经第二二向色镜反射进入聚焦物镜；
[0015]在第一二向色镜的透射光传播方向上依次设置第二陷波片和高速成像仪；高速成像仪与系统控制存储模块电连接，系统控制存储模块还用于控制脉冲激光器和高速成像仪之间的时序和触发；同时接收和存储高速成像仪的图像数据。
[0016]进一步的，在第二凸透镜透过的连续激光传播方向上还设置有散射片；从散射片透过的连续激光经第二二向色镜反射进入聚焦物镜。
[0017]进一步的，在第二凸透镜透过的连续激光传播方向上还设置有第三反射镜；从第三反射镜反射的连续激光经第二二向色镜反射进入聚焦物镜。
[0018]优选的，能量测量模块包括第一分束镜、第一能量计、第二分束镜和第二能量计；
[0019]第一分束镜设置在脉冲激光器和二分之一波片之间，在第一分束镜的脉冲激光反射光传播方向上设置第一能量计；
[0020]第二分束镜设置在偏振分光棱镜和第二反射镜之间，在第二分束镜的脉冲激光反射光传播方向上设置第二能量计。
[0021]进一步的，第一分束镜与脉冲激光器的脉冲激光传播方向的夹角为45
°
，第一分束镜的透反分光比为9：1；第二分束镜与偏振分光棱镜的脉冲激光反射光传播方向夹角为45
°
，第二分束镜的透反分光比为9：1。
[0022]优选的，在脉冲激光器和二分之一波片之间还设置有凹透镜和凸透镜，凹透镜设置在脉冲激光器和凸透镜之间。
[0023]优选的，脉冲激光器输出波长为532nm，脉宽为6ns。
[0024]一种基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的形成方法，基于所述的系统，包括：
[0025]S1、建立分光比与二分之一波片偏转角度之间的关系：调整二分之一波片的角度，通过能量测量模块获得偏振分光棱镜的透射激光和反射激光的能量并计算分光比；建立分光比从0.1到10范围内分光比与二分之一波片偏转角度之间的函数关系；
[0026]S2、建立两击穿点偏移位置与第一反射镜的位置和偏转角度之间的关系：经过偏振分光棱镜的反射激光经聚焦物镜中心沿主光轴入射进入样品池，在聚焦物镜焦点处形成击穿点，该击穿点保持不变；调整二分之一波片偏转角度到分光比为的位置，沿脉冲激光器的脉冲激光光轴方向移动第一反射镜，同时调整第一反射镜偏转角度，为确保激光能从聚焦物镜中心入射，第一反射镜的位移长度L与偏转角度α之间应该满足L＝*π*d/180，d为第
一反射镜中心与第二反射镜中心连线在垂直于脉冲激光器发出的脉冲激光光轴方向上的投影长度；经第一反射镜反射的脉冲激光从聚焦物镜中心入射样品池，形成击穿点；利用相机所获得的等离子体图像来计算两击穿点间位置，建立两击穿点偏移位置与第一反射镜的位置和偏转角度之间的关系，得到第一反射镜的位置和偏转角度与两点击穿射流的方向和长度之间的关系；
[0027]S3、建立脉冲激光能量和二分之一波片偏转角度与两点击穿射流的强弱之间的关系：通过调整脉冲激光器输出的单脉冲能量来调整总的击穿强弱，通过二分之一波片控制分光比来调控两点击穿射流的相对大小，得到脉冲激光能量和二分之一波片偏转角度与两点击穿射流的强弱之间的关系；
[0028]S4、可控微射流的形成：根据S2和S3所建立的关系，通过调整脉冲激光器输出的单脉冲能量、二分之一波片偏转角度以及第一反射镜位置和偏转角度，获得所需的特定方向、特定长度和强弱的击穿微射流。
[0029]优选的，S4中可控微射流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、能量测量模块和系统控制存储模块(26)；在脉冲激光器(1)的脉冲激光传播方向上依次设置有二分之一波片(5)、偏振分光棱镜(6)和第一反射镜(7)；在偏振分光棱镜(6)的脉冲激光反射光传播方向上设置有第二反射镜(16)，在偏振分光棱镜(6)的脉冲激光反射光经第二反射镜(16)反射的脉冲激光反射光传播方向上依次设置有聚焦物镜(18)、样品池(19)、成像物镜(20)和第一二向色镜(21)；在第一二向色镜(21)的反射光传播方向上依次设置有第一陷波片(24)和相机(25)；第二反射镜(16)用于将经过偏振分光棱镜(6)和第一反射镜(7)反射的两束脉冲激光反射进聚焦物镜(18)，并分别聚焦在样品池(19)中；相机(25)为具有外触发功能的相机；相机(25)和第一陷波片(24)构成等离子体成像模块，用于拍摄击穿等离子体的图像，确定击穿点位置；系统控制存储模块(26)与脉冲激光器(1)和相机(25)电连接，用于控制脉冲激光器(1)和相机(25)之间的时序和触发；同时接收和存储相机(25)的图像数据；能量测量模块用于确定经偏振分光棱镜(6)反射和透过的两束脉冲激光的能量。2.根据权利要求1所述的基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的系统，其特征在于，还包括连续激光器(11)、第二二向色镜(17)、第二陷波片(22)和高速成像仪(23)；第二二向色镜(17)设置在第二反射镜(16)和聚焦物镜(18)之间；在连续激光器(11)的连续激光传播方向上依次设置有第一凸透镜(12)和第二凸透镜(13)，从第二凸透镜(13)透过的连续激光经第二二向色镜(17)反射进入聚焦物镜(18)；在第一二向色镜(21)的透射光传播方向上依次设置第二陷波片(22)和高速成像仪(23)；高速成像仪(23)与系统控制存储模块(26)电连接，系统控制存储模块(26)还用于控制脉冲激光器(1)和高速成像仪(23)之间的时序和触发；同时接收和存储高速成像仪(23)的图像数据。3.根据权利要求2所述的基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的系统，其特征在于，在第二凸透镜(13)透过的连续激光传播方向上还设置有散射片(14)；从散射片(14)透过的连续激光经第二二向色镜(17)反射进入聚焦物镜(18)。4.根据权利要求2所述的基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的系统，其特征在于，在第二凸透镜(13)透过的连续激光传播方向上还设置有第三反射镜(15)；从第三反射镜(15)反射的连续激光经第二二向色镜(17)反射进入聚焦物镜(18)。5.根据权利要求1所述的基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的系统，其特征在于，能量测量模块包括第一分束镜(2)、第一能量计(8)、第二分束镜(9)和第二能量计(10)；第一分束镜(2)设置在脉冲激光器(1)和二分之一波片(5)之间，在第一分束镜(2)的脉冲激光反射光传播方向上设置第一能量计(8)；第二分束镜(9)设置在偏振分光棱镜(6)和第二反射镜(16)之间，在第二分束镜(9)的脉冲激光反射光传播方向上设置第二能量计(10)。6.根据权利要求5所述的基于单脉冲诱导光致击穿可控射流的系统，其特征在于，第一分束镜(2)与脉冲激光器(1)的脉冲激光传播方向的夹角为45
°
，第一分束镜(2)的透反分光比为9：1；第二分束镜(9)与偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：付磊，张镇西，王晶，姚翠萍，王斯佳，王萍，辛静，张璐薇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：