基于激光诱导的气液界面表面张力驱动方法研究

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微操作技术在微/纳米制造技术、物理科学和生物医学工程等领域发挥重要作用。基于激光诱导的表面张力驱动方法,具有精度高、控制简单、对液体无污染等优点,在微操作方面具有广阔的应用前景。然而当前研究仍主要停留在实验层面,对其驱动机理及其相关影响因素与影响规律缺乏深入了解。为此,本文结合国家自然科学基金“基于激光诱导的微小物体气/液界面表面张力驱动机理研究”,面向毫米级微小物体,针对激光诱导表面张力驱动方法展开研究。首先,开展微小物体力学分析。基于牛顿力学方程以及Young-Laplace方程,建立液面微小物体的静力学模型;基于表面张力与温度的关系,建立激光照射下液面物体的动力学模型。针对当前激光诱导表面张力驱动普遍采用的单激光束驱动运动精度差的问题,提出多激光束驱动的操作方法,并对双激光束及三激光束照射下微小物体的运动过程进行分析。其次,为明确激光诱导表面张力驱动机理及其影响因素,提出采用有限元仿真分析方法,将激光等效为高斯热源模型,建立激光照射漂浮物体温度场变化仿真模型。分析激光功率、光斑大小、激光照射位置等激光参数,以及材料、形状、尺寸等物体参数变化对温度场分布的影响规律,进而利用微小物体力学模型,分析其对物体运动规律的影响。对于多激光束驱动方法,分析光斑间距、布局以及激光移动速度对物体运动过程的影响规律,为后续实验研究的开展提供参数基础。最后,建立激光诱导表面张力驱动实验平台,开展单激光照射、多激光照射条件下不同激光参数、物体材料、尺寸参数、光斑间距,激光移动速度对物体运动轨迹的影响实验,多激光照射条件下液面物体圆形等复杂轨迹实验与形状组装以及间接操作实验,并与理论分析结果进行对比,验证理论分析方法的正确性。
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