丁二酸钠和硫酸铵混合气溶胶的光镊受激拉曼光谱研究

采用光镊悬浮技术捕获颗粒尺寸3～8μm的丁二酸钠/硫酸铵混合气溶胶液滴,控制湿度条件、温度条件,通过调节不同相对湿度(RH)并采集氢-氧振动带的受激拉曼峰位信息,利用非弹性米氏散射理论计算实时液滴半径尺寸。计算结果表明,当液滴尺寸响应完湿度的变化后在RH恒定时,液滴半径仍持续减小,这说明丁二酸钠和硫酸铵之间发生了反应,释放出氨气使得液滴半径减小。     

光镊技术研究低湿度下MgSO_4气溶胶的传质受阻过程

MgSO_4气溶胶在相对湿度(RH)40%以下会形成胶态结构,从而出现传质受阻。本研究采用光镊悬浮技术捕获颗粒尺寸3～8μm的MgSO_4气溶胶液滴来研究低湿度下不同停留时间对MgSO_4液滴扩散系数的影响。结果表明,不同停留时间后的溶胀过程,均分两段过程进行拟合,第一段的扩散系数比第二段的扩散系数大,且每段的扩散系数随停留时间的增大而减小。     

利用光镊探究SVOC/无机盐/水体系的吸湿与挥发性

确定低挥发性有机化合物的饱和蒸气压对于探究它们在气相中的分配有着重要的意义。该研究展示了一种利用单光束光镊捕获液滴测量SVOC饱和蒸气压的新方法。利用光镊系统捕获半径在3~7μm范围的液滴,并根据麦克斯韦气相传质公式,将悬浮颗粒的半径和由折射率转化的浓度推导出不同RH对应的平衡分压,进而获得SVOC的饱和蒸气压。     

多光阱光镊技术对多个液滴捕获和悬浮控制

光镊技术捕获单个液滴并进行受激拉曼测量,在气溶胶动力学过程的研究方面取得了很大进展。然而,对于大气颗粒物之间通过碰撞完成由外混到内混的转变过程的定量分析,需要实现多种液滴同时捕获、操纵、碰并过程的精密观测。本文报道利用多光阱光镊技术对多液滴进行抓获,从而实现液滴之间的碰并复合过程的观测。为了实现多液滴的抓取,我们在单光镊技术的基础上,引进了声光偏转系统(AOD),这是多光阱光镊的核心技术。可以有效的将单光阱转化为多光阱,从而根据需要抓取一定数量的液滴,同时为后期的多液滴光谱测试奠定了基础。     

硫酸铵·硫酸钠复盐体系吸湿性质的光镊研究

大气气溶胶的吸湿性质与云凝结核(CCN)的形成直接相关,对气候变化有重要影响,吸湿性的精确表征对治理大气环境具有重要意义。本研究表征了不同相对湿度条件下(NH4)2SO4·Na2SO4复盐气溶胶颗粒的吸湿性。利用单光束光镊捕获(NH4)2SO4·Na2SO4复盐颗粒,获得了625~665nm范围内的受激拉曼光谱峰并对其进行米氏散射拟合,从而得到时间分辨的颗粒半径及折射率,并将其转化为不同湿度下的组分信息。本研究所应用的方法可以很好地推广到相关体系与研究中。     

光镊-受激拉曼光谱技术测量SO2与悬浮NaCl单液滴的氧化反应动力学速率常数

硫酸盐是大气雾霾颗粒中一种重要的二次无机组分,但是有关大气硫酸盐生成机制的认识,目前还存在很多不足。同时,现有的空气质量模型也往往存在对硫酸盐生成量的低估问题,无法有效复现外场观测结果。因此,深入研究大气硫酸盐的生成机制,对理解雾霾成因、实现大气污染的精准防控具有重要意义。本研究利用光镊-受激拉曼光谱技术观测了SO_2与NaCl液滴的非催化氧化反应过程,液滴半径在反应过程中的纳米级变化可被精确测量,实现了反应过程的实时、原位观测。根据测定的反应速率,求算了SO_2氧化过程的拟一级反应速率常数k,同时研究了相对湿度、SO_2浓度对反应的影响。结果表明,相对湿度变化引起的液滴离子强度变化对k值具有显著影响,湿度由～60%增加至～90%时,k值下降约1个数量级。而SO_2浓度提升会使得液滴pH减小,导致k略微下降。对反应过程的机制讨论表明,SO_2在NaCl液滴中的非催化氧化过程体相反应、界面反应可能均有贡献。     

FTIR-ATR与显微成像法结合观察NaNO3气溶胶结晶过程

阶梯状改变环境湿度, 利用FTIR-ATR(Attenuated Total Reflection)技术以及显微成像技术观察NaNO3气溶胶微粒的结晶动力学。多次实验证实NaNO3液滴在饱和点74.5%RH之后开始陆续风化, 至风化点53%RH之后结晶速率明显增快, 但并不是相对湿度越低, 结晶速率越快, 而是相对湿度的变化率越大, 结晶速率越快。对数据进行非线性拟合发现在湿度下降处结晶速率呈指数关系, 在湿度稳定時结晶速率呈线性关系。并且通过显微镜观察到尽管样品NaNO3液滴的直径在同一个数量级上, 仍能看出结晶速率与液滴半径关系紧密, 半径越大越易结晶, 结晶的相对湿度越高。     

利用光镊-腔增强拉曼技术探究蔗糖/丙二酸混合体系的挥发性

采用光镊-腔增强拉曼光谱技术研究蔗糖/丙二酸/水三元体系的气溶胶液滴半径和折射率随湿度的变化情况。利用Maxwell气相扩散方程计算不同湿度下混合体系中丙二酸的饱和蒸汽压,发现当湿度由66.2%降到13.8%时,丙二酸的蒸汽压由2.86×10-4 Pa降到7.08×10-6 Pa。与文献中报道的纯丙二酸的饱和蒸汽压(3.2×10-4~3.19×10-3 Pa)相比,在较低湿度下三元体系中丙二酸的饱和蒸汽压下降了两个数量级。实验结果表明蔗糖的加入增加了体系的粘度,抑制了丙二酸的挥发。     

激光捕获技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度会聚的激光束束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维地捕获和操纵微小粒子。阐述了激光捕获技术的模型和原理以及系统的基本结构;追踪了激光捕获技术的最新研究进展;介绍了非高斯型光阱、光纤光阱和全息光镊等几种特殊形式,并分析了每种形式的特点。展望了激光捕获技术的发展前景。     

加热基底上附壁液滴蒸发动力学实验研究

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度波动、热流体波及Bénard-Marangoni流胞,而水滴表面则没有明显温度波动。随着基底温度升高,液滴内部热对流增强;随着液滴高度降低,乙醇液滴蒸发速率先减小、后增大,而水滴蒸发速率则无明显变化。实验结果证实热对流对液滴蒸发速率具有明显促进作用。     

硫酸镁微液滴水和重水交换动力学的微区拉曼研究

本文利用微区拉曼技术,研究硫酸镁液滴水和重水交换的动力学.在低湿度时,由接触离子对连接形成的链状结构使硫酸镁液滴表面形成胶态结构,阻碍其与环境之间的水交换,造成表面和内部的结构差异.拉曼光谱的高空间分辨能力为观测这一特殊的表面结构提供了便利.沉积在聚四氟乙烯疏水基底上的硫酸镁重水液滴呈球形,可以实现对液滴表面和中心的两...     

共焦拉曼光谱对疏水基底上Mg(CH3COO)2液滴与CO2非均相反应动力学过程的观测

本文利用共焦拉曼光谱在球形液滴的表面和中心可聚焦两次的特性, 观测了不同RH(relative humidity, 相对湿度)下疏水基底上Mg(CH3COO)2液滴与CO2在液滴表面和中心的反应情况。结果表明, 反应生成的产物为碱式碳酸镁。当RH约73%时, 液滴表面和中心生成的产物的量差别不大; 当RH约65%时, 表面和中心的差别较RH约73%时明显; 而当RH降至约58%时, 表面和中心的差别则变得非常明显。由于Mg(CH3COO)2液滴在较低相对湿度下会形成胶态结构, 引起传质受阻, 从而使得CO2由液滴表面扩散到内部变得越来越困难, 最终导致液滴表面生成的产物比中心多。     

拉曼光谱研究不同风化过程中七水硫酸镁晶体相转变行为

通过不同的相对湿度(relative humidity,RH)调节方法,获得了 MgSO4·7H2O 晶体不同风化过程中的原位共聚焦拉曼光谱,实现了不同阶段相转变细节的观测.在快速和慢速风化过程中,MgSO4·7H2O 晶体在 RH 3%时均转变生成 MgSO4·3H2O 晶体.而在潮解过程中,不同风化过程形成的 Mg...     

小型化可调光镊设计

光镊利用强会聚激光对微粒产生的梯度力来捕获微粒,可以进行无损、远程操控,同时具有皮牛精度的测力特性,已经成为物理学、生命科学和胶体化学等研究领域中不可缺少的研究工具。光镊效应可以表现微小的光子动量和角动量,是物理学的重要教学工具。本文根据高斯光束传播和变换规律,设计具有稳定捕获性能的最小化光镊,并给出了典型参数。光镊系统由捕获激光、光束耦合系统、倒置生物显微镜和大数值孔径物镜组成,成像系统由物镜、摄影目镜和CCD相机组成。本光镊系统具有紧凑特性,同时通过保持物镜后瞳充满度来实现稳定捕获。在该最小光镊系统上,可以根据用户需求增加光镊阱位操控系统、刚度调节系统和其他辅助设备以满足不同操控要求,可以很好地满足科研和教学需求。     

飞秒光镊技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。飞秒光镊在实现粒子微纳操纵的同时还伴随着非线性现象的发生。阐述了飞秒光镊的模型和原理以及系统的各种结构形式,包括单光束梯度力光阱、贝塞耳光阱、双光束光纤光阱和冲击波光阱几种形式,并分析了每种形式的特点。     

时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

光镊力影响因素的计算分析

运用基于T矩阵算法的开源光镊计算工具包对可能影响光镊力的微粒尺寸、相对折射率以及光束模式进行了研究,计算结果表明,这三方面因素都会对光镊力产生显著影响,微粒直径与波长相等、相对折射率尽可能大时选择恰当的光束模式能够产生最佳的光镊捕获效果.     

INCREASING TRANSVERSE STABILITY OF OPTICAL TWEEZERS BY USING DUAL-GAUSSIAN BEAM PROFILE

Trapping force was calculated with a homogeneous dielectric sphere model. Results indicate that the transverse trapping force of optical tweezers can be increased effectively through modifying laser beam profile while the axial stability of the system is still assured. This is quite important when optical tweezers are applied to the precise measurements for single biological molecule.     

Tunable gradient force of hyperbolic-cosine–Gaussian beam with vortices

Gradient force plays an important role in optical tweezers technique. In this paper, the tunable gradient force in focal plane of the hyperbolic-cosine–Gaussian (ChG) beam is investigated numerically. The ChG beam contains one spiral vortex and one non-spiral vortex. Simulation results show that the gradient force distribution can be altered considerably by decentered parameters of ChG beam, topological number of the spiral vortex, and vortex parameter of the non-spiral vortex. Many novel gradient force patterns can occur, which means corresponding optical traps may come into being, including ring optical trap, multiple-point trap pattern, line optical trap, rectangle trap pattern, and rhombus trap pattern. In addition, force pattern evolution principle may also differ significantly.