專利名稱：一種產生顆粒物質微重力環境的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學技術領域，涉及一種微重力環境實現方法及其裝置，特別是一種產生顆粒物質微重力環境的方法及其裝置。主要用于微重力環境中顆粒物質運動行為研究，以及在外界振動驅動下的顆粒物質物理規律的探索。
背景技術：
顆粒物質廣泛存在于星球表面和人類生存的環境中，例如自然界中沙石、土壤、浮冰、積雪等；日常生活中的糧食、糖、鹽等；生產和技術中的煤炭、礦石、建材以及不少藥品、化工品也為顆粒物質。很多其他離散態物質體系，例如散裝貨物輸送、地球板塊運動及公路上車輛的流動等也常作為顆粒體系來處理。在外空間環境下，顆粒以懸浮形式存在，由于非彈性碰撞引起的能量損耗，顆粒可能會產生聚集，這是氣體分子系統所沒有的。這一獨特性質使得即使是一個簡單的顆粒系統也很難清楚描述，空間實驗的觀察數據變得尤為重要。對微重力環境下顆粒物質運動行為研究在基礎物理與太空探測中都具有重大的意義。顆粒物質微重力環境的實現是微重力環境下顆粒物質運動行為研究的前提條件和必備基礎。在先技術中有可以產生顆粒物質微重力環境的方法， 一種方法是拋物線飛行方法(參見論文"空間環境顆粒物質運動行為的研究"，《物理》期刊37巻10期，頁碼729-732)，即是利用飛機在空中做拋物線飛行，產生微重力環境，裝有顆粒物質的容器固定在飛機中，此種方法實現成本高，對顆粒物質進行研究時操作不便利，顆粒物質所處環境因素難以控制；另一種方法是利用顆粒物質本身進行自由落體運動，形成顆粒物質微重力環境，此種方法同樣存在顆粒物質所處環境因素難以控制問題，并且自由落體具有下落時間限制，限制了微重力環境對顆粒物質的研究。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種步驟簡單、實現方便、應用廣泛的產生顆粒物質微重力環境的方法，同時提供一種實現該方法的裝置。
本發明中產生顆粒物質微重力環境的方法的具體步驟為
3(1) 將顆粒物質放置在透光顆粒容器中，透光顆粒容器下方放置懸浮 物鏡，并且透光顆粒容器在懸浮物鏡的聚焦區域；
(2) 激光光源射出光束經過光路上設置的擴束準直器形成擴束準直 激光光束；
(3) 擴束準直激光光束經過反射鏡反射后向與重力方向相反的方向 傳播，反射激光光束傳播方向與水平面夾角為80° 90° ，反射激光光 束經過懸浮物鏡聚焦在顆粒物質；
(4) 通過信息處理控制器控制空間光調制器對擴束準直激光光束進 行波前相位調制和振幅調制，使顆粒物質懸浮起來，形成微重力環境；
(5) 通過設置在透光顆粒容器上方的光學顯微成像系統對處于微重 力環境中顆粒物質行為進行觀測，并由信息處理控制器對圖像進行分析 得到顆粒物質行為特性。
本發明方法中的對擴束準直激光光束進行波前相位調制和振幅調 制，以及信息處理控制器對圖像進行分析得到顆粒物質行為特性均采用 成熟的現有技術。
實現本發明方法的裝置是包括激光光源、擴束準直器、空間光調 制器、反射鏡、懸浮物鏡、透光顆粒容器、成像物鏡、分光鏡、圖像采 集器、觀測光源、信息處理控制器。擴束準直器、空間光調制器和反射 鏡依次設置在激光光源出射光束的光路上，激光光源出射光束經過反射 鏡后的反射光路與重力方向相反，反射光路與水平面的夾角為80° 90° ;懸浮物鏡、透光顆粒容器、成像物鏡、分光鏡、圖像采集器依次 設置在激光光源出射光束經過反射鏡后的反射光路上，并且透光顆粒容 器設置在懸浮物鏡的焦平面上。觀測光源設置在分光鏡的一側，并且與 成像物鏡位于分光鏡的同側，觀測光源的出射光束經過分光鏡反射后的 光路與激光光源出射光束經過反射鏡后的反射光路重合。圖像采集器和 空間光調制器均與信息處理控制器信號連接。
所述的激光光源為半導體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體 激光器中的一種。
所述的空間光調制器為液晶型空間光調制器、反射式空間光調制器、 微光柵空間光調制器中的一種。
所述的圖像采集器為面陣電荷耦合器件、面陣互補型金屬氧物半導 體晶體管圖像采集器、光學微通道板圖像采集器中的一種。
本發明裝置中通過信息處理控制器控制控制空間光調制器調節波前 相位或振幅分布，以及圖像采集器將圖像傳給信息處理控制器觀測處理
4分析，這些都是成熟技術。本發明的發明點在于提供一種產生顆粒物質微重力環境的方法及其裝置光路結構。
與現有技術相比，本發明具有以下優點和效果
1) 提供一種顆粒物質微重力環境光學實現方法，此方法實現步驟簡單，實現和調節方便，并且應用廣泛；
2) 光學實現方法是非接觸式懸浮顆粒物質，并且容易調節顆粒物質所處環境因素；
3) 本發明的一種產生顆粒物質微重力環境的方法及其裝置結構設計
合理、實現所需費用低、使用操作便利，并且具有顯微觀測功能。
圖l為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以下實施例是對本發明的解釋，是本發明的比較好的應用形式，而本發明并不局限于以下
實施例。
一種產生顆粒物質微重力環境的方法，其步驟為
(1) 將顆粒物質放置在透光顆粒容器中，透光顆粒容器下方放置懸浮物鏡，并且透光顆粒容器在懸浮物鏡的聚焦區域；
(2) 激光光源射出光束經過光路上設置的擴束準直器形成擴束準直激光光束；
(3) 擴束準直激光光束經過反射鏡反射后向與重力方向相反的方向傳播，反射激光光束傳播方向與水平面夾角為80° 90° ，反射激光光束經過懸浮物鏡聚焦在顆粒物質；
(4) 通過信息處理控制器控制空間光調制器對擴束準直激光光束進行波前相位調制和振幅調制，使顆粒物質懸浮起來，形成微重力環境；
(5) 通過設置在透光顆粒容器上方的光學顯微成像系統對處于微重力環境中顆粒物質行為進行觀測，并由信息處理控制器對圖像進行分析得到顆粒物質行為特性。
本實施例根據上述一種產生顆粒物質微重力環境的方法，提供了一種產生顆粒物質微重力環境的實現裝置，圖1為本發明實施例的示意圖。
該裝置包括激光光源l、擴束準直器2、空間光調制器3、反射鏡4、懸浮物鏡5、透光顆粒容器6、成像物鏡7、分光鏡8、圖像采集器9、觀測光源IO、信息處理控制器ll。擴束準直器2、空間光調制器3和反射鏡4依次設置在激光光源1出射光束的光路上，激光光源1出射光束經
5過反射鏡4后的反射光路與重力方向相反，反射光路與水平面的夾角為
80° 90° ;懸浮物鏡5、透光顆粒容器6、成像物鏡7、分光鏡8、圖 像采集器9依次設置在激光光源1出射光束經過反射鏡4后的反射光路 上，并且透光顆粒容器6設置在懸浮物鏡5的焦平面上。觀測光源10設 置在分光鏡8的一側，并且與成像物鏡7位于分光鏡8的同側，觀測光 源10的出射光束經過分光鏡8反射后的光路與激光光源1出射光束經過 反射鏡4后的反射光路重合。圖像采集器9和空間光調制器3均與信息 處理控制器ll信號連接。
激光光源1為相干公司生產的氬離子氣體激光器，擴束準直器2采 用伽利略型擴束準直器，空間光調制器3為液晶型空間光調制器，懸浮 物鏡5為尼康公司值孔徑為0. 85的平場復消色差物鏡，成像物鏡7采用 尼康公司的數值孔徑為0.65的物鏡，監視光源10為寬譜白光光源，圖 像采集器9為面陣電荷耦合器件，信息處理控制器11采用研華工控機。
本發明裝置的工作過程為激光光源1射出光束經過光路上設置的擴 束準直器2，進行了擴束準直，形成擴束準直光束。經過擴束準直后的激 光束通過空間光調制器3，空間光調制器3對入射光束進行波前相位或振 幅調制，信息處理控制器11控制空間光調制器調節波前相位或振幅分布； 具有一定波前相位或振幅分布的激光光束經過反射鏡4反射后，向背離 重力方向傳播。向背離重力方向傳播激光光束經過懸浮物鏡聚焦5，顆粒 物質12放置在透光顆粒容器6中，透光顆粒容器6設置在懸浮物鏡5聚 焦區域。
懸浮物鏡5聚焦形成焦點對顆粒物質12產生光梯度力和光散射力作 用，用于克服顆粒物質12自身重力作用力，懸浮起顆粒物質12，構成顆 粒物質12微重力環境，信息處理控制器11控制空間光調制器3改變波 前相位或振幅分布，可以實現光梯度力和光散射力分布調控，調節顆粒 物質12所處環境因素；由觀測光源IO、分光鏡8、成像物鏡7和圖像采 集器9構成的光學顯微成像系統設置在懸浮物鏡5聚焦區域上方，對處 于微重力環境中顆粒物質12行為進行觀測，并且信息處理控制器11可 通分析圖像得到顆粒物質12行為特性。 .
本發明提供了一種顆粒物質12微重力環境光學實現方法，并給出了 一種顆粒物質12微重力環境光學實現裝置，成功實現了結構設計合理、 實現所需費用低、使用操作便利，并且具有顯微觀測功能的顆粒物質12 微重力環境。
權利要求
1、一種產生顆粒物質微重力環境的方法，其特征在于該方法的具體步驟是(1)將顆粒物質放置在透光顆粒容器中，透光顆粒容器下方放置懸浮物鏡，并且透光顆粒容器在懸浮物鏡的聚焦區域；(2)激光光源射出光束經過光路上設置的擴束準直器形成擴束準直激光光束；(3)擴束準直激光光束經過反射鏡反射后向與重力方向相反的方向傳播，反射激光光束傳播方向與水平面夾角為80°～90°，反射激光光束經過懸浮物鏡聚焦在顆粒物質；(4)通過信息處理控制器控制空間光調制器對擴束準直激光光束進行波前相位調制和振幅調制，使顆粒物質懸浮起來，形成微重力環境；(5)通過設置在透光顆粒容器上方的光學顯微成像系統對處于微重力環境中顆粒物質行為進行觀測，并由信息處理控制器對圖像進行分析得到顆粒物質行為特性。
2、 產生顆粒物質微重力環境的裝置，包括激光光源、擴束準直器、 空間光調制器、反射鏡、懸浮物鏡、透光顆粒容器、成像物鏡、分光鏡、 圖像采集器、觀測光源、信息處理控制器，其特征在于擴束準直器、空 間光調制器和反射鏡依次設置在激光光源出射光束的光路上，激光光源出 射光束經過反射鏡后的反射光路與重力方向相反，反射光路與水平面的夾 角為80° 90° ;懸浮物鏡、透光顆粒容器、成像物鏡、分光鏡、圖像 采集器依次設置在激光光源出射光束經過反射鏡后的反射光路上，并且透 光顆粒容器設置在懸浮物鏡的焦平面上；觀測光源設置在分光鏡的一側， 并且與成像物鏡位于分光鏡的同側，觀測光源的出射光束經過分光鏡反射 后的光路與激光光源出射光束經過反射鏡后的反射光路重合；圖像采集器 和空間光調制器均與信息處理控制器信號連接。
3、 如權利要求2所述的產生顆粒物質微重力環境的裝置，其特征在 于所述的激光光源為半導體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體激 光器中的——種。
4、 如權利要求2所述的產生顆粒物質微重力環境的裝置，其特征在于所述的空間光調制器為液晶型空間光調制器、反射式空間光調制器、微光柵空間光調制器中的一種。
5、 如權利要求2所述的產生顆粒物質微重力環境的裝置，其特征在于所述的圖像采集器為面陣電荷耦合器件、面陣互補型金屬氧物半導體 晶體管圖像采集器、光學微通道板圖像采集器中的一種。
全文摘要
本發明涉及一種產生顆粒物質微重力環境的方法及其實現該方法的裝置。現有技術采用拋物線飛行和自由落體運動技術，實現成本高，操作不便利。本發明中激光束依次經過擴束準直器、空間光調制器和反射鏡，被反射鏡反射后向背離重力方向傳播，由懸浮物鏡聚焦形成焦點對顆粒物質產生光梯度力和光散射力作用，用于克服顆粒物質自身重力作用力，懸浮起顆粒物質，構成顆粒物質微重力環境；信息處理控制器控制空間光調制器改變波前相位或振幅分布，調控光梯度力和光散射力分布，調節顆粒物質所處環境；由觀測光源、分光鏡、成像物鏡和圖像采集器構成成像系統觀測顆粒物質進行。本發明結構設計合理、所需費用低、操作便利，并具有觀測功能。
文檔編號G09B23/00GK101477762SQ20091009548
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優先權日2009年1月19日
發明者健 王, 郭舒文, 高秀敏 申請人:杭州電子科技大學