3 实验系统

3.1 光路设计

图1为本文研制的微尺度反射式表面光散射实验系统，由实验光路、实验本体，以及数据采集和处理系统组成。

实验中采用波长为532 nm的单纵模激光器作为光源，最大功率为750 mW。利用1/2零级玻片和偏振分光棱镜将激光偏振状态调整为P偏振(平行于纸面)，之后激光经合束镜7的反射，由短焦透镜8聚焦至微通道内气液界面处，因激光光束本身存在物理直径，故可将激光光束分为中心透射光束与其他光束，中心透射光束经液面反射后以原路径反射。其他部分入射光束经透镜聚焦并经液面反射后所产生的散射光经短焦透镜聚焦后与透射光束的反射光以相同的路径返回。中心透射光束反射光与部分入射光束经液面反射后的反射光所产生的散射光在返回路径中进行光学混频。所谓混频，是指在散射光中混叠一部分未被表面波调制的光(参考光)，通过测量两束光之间的拍频来测量液体表面波频率。混频信号通过合束镜7到达光纤。利用两个光子计数器对混频信号进行光电转化，并设置数字相关器的运算模式为互相关，通过数字相关器的相关运算，获得时域内的散射光强度相关数据。表面波的频率ωq和弛豫时间τc可通过拟合散射光强度二阶相关方程G²SLS(τ)获得：

G²SLS(τ) = A + Bcos(ωq|τ|+φ)exp(-|τ|/τc) + Cτ  (9)

式中：A、B、C与φ为拟合参数。

经过透镜后的激光光束的束腰半径即透镜聚焦点的半径可表示为

1/ω²₀,out = 1/ω²₀,in(1-din/f)² + 1/f²(πω²₀,in/λ)²  (10)

式中：ω₀,in为透镜聚焦前的激光束腰半径，ω₀,in = 0.35 mm；ω₀,out为透镜聚焦后的激光束腰半径；din为透镜聚焦前束腰中心距透镜中心的距离，din = 46.5 mm；f为短焦透镜的焦距，f = 50 mm；λ为激光波长，λ = 532 nm。透镜聚焦后束腰中心距透镜中心的距离可表示为

dout = f + f²(din-f)/[(din-f)² + (πω²₀,in/λ)²]  (11)

联立式(10)与式(11)可计算得到聚焦点与透镜中心的距离。合束镜7与短焦透镜8被安装在高精度二维位移台上，可精确调节激光经短焦透镜聚焦后的聚焦点位置。

3.2 限制性可控微通道

本文设计了限制性宽度可控微通道，利用3维移动和沿着z轴转动的旋转台构建了x、y、z、φ 4维微尺度液面控制平台。如图2所示，y方向为通道方向，y方向行程为25.4 mm，x方向垂直于通道方向，z方向的行程为13 mm，φ方向的调节范围为360°。通道的宽度为关键尺寸，因此x方向的移动由高精度1维数显精密位移台控制，行程为25.4 mm，步距控制精度为1 μm，可实现尺度为10~100 μm的1维可控微通道。实验样品池采用316L不锈钢，限制性通道采用石英玻璃，接触面的平行度<5″，表面粗糙度为20/10。样品池放置于可调节水平平台上，通过与平台相连的3个支点处的螺母进行调平。两块立方体石英玻璃平行放置，形成限制性微通道：其中一块固定于样品池中，另一块固定于可以沿着x方向移动的滑块上。滑块与3维调节镜架和数显精密位移台相连，以控制通道的宽度。石英窗口通道需要保持平行和等高，在显微镜辅助下调节位移台和转台，以确保通道在移动过程的壁面平行。采用BEIYINHU公司的电子显微镜搭载1×目镜用于放大微通道界面，以便于观察。所有光学元件均固定和放置于气动隔振光学平台以隔绝外界振动。

3.3 实验步骤

实验台工作状态如图3所示。

注入流体工质前，需要对微通道进行调零。具体步骤如下：

1) 首先，调节z轴方向1维位移台，待石英玻璃窗口与微通道底面接触后，将石英玻璃窗口升高0.5 mm，以避免后续在沿x方向移动石英玻璃时，玻璃底部与微通道底面的摩擦影响微通道的控制精度。

2) 通过调节y轴方向，使石英玻璃侧面与样品池保持合理的间隙。

3) 沿x轴正方向移动二维位移台，直至显示的微通道宽度示数为零，即两玻璃窗口完全贴合。此步骤需要借助电子显微镜进行观察，若观察到两玻璃窗口并未完全贴合，需要对x、z、φ继续微调直至两玻璃窗口完全贴合，此时记两玻璃窗口完全贴合处为"0"宽度点，并将x方向测微头示数清零，向负方向调节x轴测微头，所显示的示数即为微通道的宽度。

标定好通道零点后，即可进行注液。本文注液采用了HENSEKi公司的Hamilton7000系列2.0 μL进样针。沿x轴正方向缓慢调节微通道的宽度，直至可以通过电子显微镜观察到较为清晰的液面反光[图4(a)]，但由于整个液面处于玻璃边界的上表面以下，无法观察到微米级受限条件下流体的完整液面，即无法判断10 mm长的整个液面是否都为受限液面，故需要继续缩小液面受限尺度。进一步缩小尺度至图4(b)所示的液面受限尺度，可以看到液面在左侧玻璃边界上出现明显的溢出情况，此时需要通过电子显微镜对10 mm长的液面进行扫视，以确保整个液面均有溢出。确定整个液面存在溢出后，将数显位移台沿负方向移动，使液面重新回到受限状态，如图4(c)所示，此时才可确保流体工质的整个液面均处于受限状态，方可进行下一步的实验操作。

此后，沿着x轴与y轴精确调节短焦透镜与合束镜，以确保入射光经透镜聚焦后的聚焦点落在微通道内流体界面上且光学混频后的混合信号光能够进入接收器，以便后续信号处理。