[发明专利]一种产生颗粒物质微重力环境的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种微重力环境实现方法及其装置，特别是一种产生颗粒物质微重力环境的方法及其装置。主要用于微重力环境中颗粒物质运动行为研究，以及在外界振动驱动下的颗粒物质物理规律的探索。

技术背景

颗粒物质广泛存在于星球表面和人类生存的环境中，例如自然界中沙石、土壤、浮冰、积雪等；日常生活中的粮食、糖、盐等；生产和技术中的煤炭、矿石、建材以及不少药品、化工品也为颗粒物质。很多其他离散态物质体系，例如散装货物输送、地球板块运动及公路上车辆的流动等也常作为颗粒体系来处理。在外空间环境下，颗粒以悬浮形式存在，由于非弹性碰撞引起的能量损耗，颗粒可能会产生聚集，这是气体分子系统所没有的。这一独特性质使得即使是一个简单的颗粒系统也很难清楚描述，空间实验的观察数据变得尤为重要。对微重力环境下颗粒物质运动行为研究在基础物理与太空探测中都具有重大的意义。颗粒物质微重力环境的实现是微重力环境下颗粒物质运动行为研究的前提条件和必备基础。在先技术中有可以产生颗粒物质微重力环境的方法，一种方法是抛物线飞行方法(参见论文“空间环境颗粒物质运动行为的研究”，《物理》期刊37卷10期，页码：729-732)，即是利用飞机在空中做抛物线飞行，产生微重力环境，装有颗粒物质的容器固定在飞机中，此种方法实现成本高，对颗粒物质进行研究时操作不便利，颗粒物质所处环境因素难以控制；另一种方法是利用颗粒物质本身进行自由落体运动，形成颗粒物质微重力环境，此种方法同样存在颗粒物质所处环境因素难以控制问题，并且自由落体具有下落时间限制，限制了微重力环境对颗粒物质的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种步骤简单、实现方便、应用广泛的产生颗粒物质微重力环境的方法，同时提供一种实现该方法的装置。

本发明中产生颗粒物质微重力环境的方法的具体步骤为：

(1)将颗粒物质放置在透光颗粒容器中，透光颗粒容器下方放置悬浮物镜，并且透光颗粒容器在悬浮物镜的聚焦区域；

(2)激光光源射出光束经过光路上设置的扩束准直器形成扩束准直激光光束；

(3)扩束准直激光光束经过反射镜反射后向与重力方向相反的方向传播，反射激光光束传播方向与水平面夹角为80°～90°，反射激光光束经过悬浮物镜聚焦在颗粒物质；

(4)通过信息处理控制器控制空间光调制器对扩束准直激光光束进行波前相位调制和振幅调制，使颗粒物质悬浮起来，形成微重力环境；

(5)通过设置在透光颗粒容器上方的光学显微成像系统对处于微重力环境中颗粒物质行为进行观测，并由信息处理控制器对图像进行分析得到颗粒物质行为特性。

本发明方法中的对扩束准直激光光束进行波前相位调制和振幅调制，以及信息处理控制器对图像进行分析得到颗粒物质行为特性均采用成熟的现有技术。

实现本发明方法的装置是：包括激光光源、扩束准直器、空间光调制器、反射镜、悬浮物镜、透光颗粒容器、成像物镜、分光镜、图像采集器、观测光源、信息处理控制器。扩束准直器、空间光调制器和反射镜依次设置在激光光源出射光束的光路上，激光光源出射光束经过反射镜后的反射光路与重力方向相反，反射光路与水平面的夹角为80°～90°；悬浮物镜、透光颗粒容器、成像物镜、分光镜、图像采集器依次设置在激光光源出射光束经过反射镜后的反射光路上，并且透光颗粒容器设置在悬浮物镜的焦平面上。观测光源设置在分光镜的一侧，并且与成像物镜位于分光镜的同侧，观测光源的出射光束经过分光镜反射后的光路与激光光源出射光束经过反射镜后的反射光路重合。图像采集器和空间光调制器均与信息处理控制器信号连接。

所述的激光光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器中的一种。

所述的空间光调制器为液晶型空间光调制器、反射式空间光调制器、微光栅空间光调制器中的一种。

所述的图像采集器为面阵电荷耦合器件、面阵互补型金属氧物半导体晶体管图像采集器、光学微通道板图像采集器中的一种。

本发明装置中通过信息处理控制器控制控制空间光调制器调节波前相位或振幅分布，以及图像采集器将图像传给信息处理控制器观测处理分析，这些都是成熟技术。本发明的发明点在于提供一种产生颗粒物质微重力环境的方法及其装置光路结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

1)提供一种颗粒物质微重力环境光学实现方法，此方法实现步骤简单，实现和调节方便，并且应用广泛；

2)光学实现方法是非接触式悬浮颗粒物质，并且容易调节颗粒物质所处环境因素；