CN106653136B - 标定双光束光阱系统中微粒位置探测器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双光束光阱标定微粒位置探测器的装置，属于光学工程领域和精密测量技术领域。由照明光源、光分束器、摄像头和位置探测器组成，两束捕获激光相向传播形成光阱捕获微粒，所述光分束器将光路一分为二：一路光进入图像传感器，用于微粒位置的实时监测；另一路光进入位置探测器，用于散射光电压信号的实时监测。令两束捕获激光失准，借助图像传感器测得微粒的位移变化，利用位置探测器获得微粒位移引起的电压信号变化。将微粒位移变化与位置探测器电压变化进行特征匹配，则可获得二者的对应关系，求得标定系数，完成标定。本发明具有结构简单，测量精度高、实用性强等优点。此外，本发明不局限于微粒种类和样品室结构，适用范围非常广。

Description

标定双光束光阱系统中微粒位置探测器的方法
技术领域
本发明涉及一种在双光束光阱系统中利用光束失准引起的微粒振动，来标定位置探测器的方法，属于光学工程领域和精密测量技术领域。
背景技术
两束相向传播的高斯激光束，可以形成能束缚微米尺度粒子的双光束光学势阱，简称双光束光阱。双光束光阱可以实现光学囚禁、光学牵引、光学拉伸和光致旋转等多种功能，具有广泛的应用前景。
微粒位置的探测是光阱系统应用时需解决的关键问题，目前常用方法之一是利用位置探测器完成对光阱中被捕获微粒位置的探测。微粒的散射光通过光学系统进入位置探测器。收集了散射光后，位置探测器可直接产生与微粒位移相对应的电压信号，但光学结构的改变会对位置探测器电压信号造成影响。因此，要通过位置探测器获得微粒的位移，需要在当前的光学系统结构下对位置探测器进行标定，目前主要有两种标定方法：一是利用电动位移台产生周期性的位移信号对探测器进行标定；二是利用微流控系统使被捕获微粒产生固定的位移来标定探测器。这些标定方法都需要利用精密的电动位移台或者带有注射泵的微流控系统主动使被捕获粒子产生位移，装置复杂，系统造价高体积大，无法在小型化探测系统中应用。
双光束光阱中，捕获光束对准度对捕获稳定性有显著影响，当捕获光束完全对准时，微粒被稳定囚禁于某一位置；当捕获光束不完全对准即失准时，微粒将在一定范围内来回振动。双光束光阱中，利用捕获光束失准引起的微粒振动来标定位置探测器的方法，目前还未见报道。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出了一种双光束光阱中，利用捕获光束的失准引起的微粒振动来标定微粒位置探测器的方法，具有结构简单，测量精度高、实用性强等优点。
本发明基于以下原理：两束相向传播的高斯激光束，将形成能束缚微米尺度粒子的双光束光阱。这两束高斯激光束称为捕获激光。当两束捕获激光完全对准时，微粒被稳定囚禁于某一位置；当两束捕获激光在一定范围内不完全对准即失准时，微粒依然被捕获，但并非被囚禁在某一位置，而是在一定范围内来回振动。在双光束光阱系统中，当微粒来回振动时，借助图像传感器可测得微粒的位移变化，利用位置探测器可获得微粒位移引起的电压信号变化。将微粒位移变化与位置探测器电压变化进行特征匹配，则可获得微粒位移与位置探测器电压的对应关系，求得标定系数，完成位置探测器的标定。
本发明采用的技术方案如下：一种标定双光束光阱系统中微粒位置探测器的方法，基于由照明光源、光分束器、图像传感器和位置探测器组成的装置，两束相向传播的激光形成光阱捕获微粒，所述照明光源为图像传感器提供光照，所述光分束器将光路一分为二：一路光进入图像传感器，用于微粒位置的实时监测；另一路光进入位置探测器，用于散射光电压信号的实时监测。令两束捕获激光失准，微粒将在一定范围内来回振动，此时第一路光信号通过图像传感器传输至计算机进行处理后，得到微粒的位移-时间曲线；第二路光信号通过位置探测器转化成电压信号。将微粒位移-时间曲线和位置探测器的电压信号进行特征匹配，可求得标定系数，从而完成位置探测器的标定。
本发明的有益效果是：
本发明利用捕获光束失准引起的微粒来回振动获得微粒位移与位置探测器电压信号的对应关系，求得标定系数，完成位置探测器的标定，具有结构简单、重复性好和实用性强等优点。此外，本发明不局限于微粒种类和样品室结构，适用范围非常广。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明的实施案例；
图3a为微粒位移变化曲线，图3b为位置探测器电压信号变化曲线，图3c为标定后的微粒位移与位置探测器电压信号
图中1为照明光源，2为光分束器，3为图像传感器，4为位置探测器，5为包含散射激光的照明光束，6为微粒，7为第一束捕获激光，8为第二束捕获激光，9为一号激光器，10为二号激光器，11为样品室，12为一号光隔离器，13为二号光隔离器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例作详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种双光束光阱中利用光束失准标定微粒位置探测器的装置，由照明光源1、光分束器2、图像传感器3和位置探测器4组成，捕获激光7和捕获激光8相向传播形成光阱捕获微粒6，所述光分束器2将包含散射激光的照明光束5一分为二：一路光进入图像传感器3，用于微粒位置的实时监测；另一路光进入位置探测器4，用于散射光电压信号的实时监测。令捕获激光7和捕获激光8失准，待捕获微粒6将在一定范围内振动。利用图像传感器3拍摄微粒6在某段时间内的运动过程，同时记录位置探测器4在该段时间内的电压信号变化。通过图像处理方法对所录制图像进行分析，提取出微粒的位移信号，将微粒位移变化和位置探测器电压变化进行特征匹配，求得标定系数，即可完成位置探测器4的标定。
本发明的一个具体实施例如图2所示，激光光源选用两个激光器：一号激光器9和二号激光器10，从一号激光器9和二号激光器10出射的两束捕获激光：第一束捕获激光7和第二束捕获激光8，相向传播入射样品室11。所述一号激光器9和二号激光器10的输出功率设置为相等的数值，以保证入射样品室11的第一束捕获激光7和第二束捕获激光8功率相等。一号激光器9与一号光隔离器12相连，二号激光器10与二号光隔离器13相连，均用于隔离反射光，保护激光器。使用三维位移台等辅助工具，以保证两束捕获激光完全对准后入射样品室11，达到稳定捕获微粒6的目的。
光分束器2将包含散射激光的照明光束5一分为二：一路光进入图像传感器3，用于微粒位置的实时监测；另一路光进入位置探测器4，用于散射光电压信号的实时监测。微调三维位移台等辅助工具使第一束捕获激光7和第二束捕获激光8失准，待捕获微粒6将在一定范围内振动，此时图像传感器3测得微粒5的位移变化，位置探测器4测得微粒5位移引起的电压变化，将微粒位移和位置探测器电压信号进行特征匹配，求得标定系数，完成位置探测器4的标定。
本发明的具体工作过程如下：
往样品室11中注入微粒6，打开一号激光器9和二号激光器10，将二者的输出功率设置为相等的数值。一号激光器9和二号激光器10出射的两束激光相向照射到样品室11，形成双光束光阱，捕获微粒6。令第一束捕获激光7和第二束捕获激光8失准，此时微粒6发生来回振动，图像传感器3采集到微粒6在某段时间内的运动过程，通过图像处理方法对所录制图像进行分析，提取出微球的位移-时间曲线，如图3a所示。与此同时，记录位置探测器4在该段时间内的电压信号变化，如图3b所示。将两种信号时间尺度调整至相同后，一一对应，计算出电压-位移系数，即可完成位置探测器的标定。图3c为标定后微粒位移与位置探测器电压信号，二者变化一致。标定后的位置探测器，可用于无成像系统条件下微粒位置的探测，探测精度可达纳米量级。

Claims (3)

1.一种标定双光束光阱系统中微粒位置探测器的方法，所述方法基于由照明光源、光分束器、图像传感器和位置探测器组成的装置，其特征在于：两束捕获激光相向传播捕获微粒，所述光分束器将光路一分为二：一路光进入图像传感器，用于微粒位置的实时监测；另一路光进入位置探测器，用于散射光电压信号的实时监测；令两束捕获激光失准，微粒将在一定范围内振动，借助图像传感器测得微粒的位移变化，利用位置探测器获得微粒位移引起的电压信号变化；将微粒位移变化和位置探测器电压变化进行特征匹配，则可获得二者的对应关系，求得标定系数，完成位置探测器的标定。
2.根据权利要求1所述标定双光束光阱系统中微粒位置探测器的方法，其特征在于：激光光源选用两个激光器：一号激光器(9)和二号激光器(10)，从一号激光器(9)和二号激光器(10)出射的两束捕获激光：第一束捕获激光(7)和第二束捕获激光(8)，相向传播入射样品室(11)；所述一号激光器(9)和二号激光器(10)的输出功率设置为相等的数值，以保证入射样品室(11)的第一束捕获激光(7)和第二束捕获激光(8)功率相等；一号激光器(9)与一号光隔离器(12)相连，二号激光器(10)与二号光隔离器(13)相连，均用于隔离反射光，保护激光器；使用三维位移台保证两束捕获激光完全对准后入射样品室(11)，达到捕获微粒(6)的目的；
光分束器(2)将包含散射激光的照明光束(5)一分为二：一路光进入图像传感器(3)，用于微粒位置的实时监测；另一路光进入位置探测器(4)，用于散射光电压信号的实时监测；微调三维位移台使第一束捕获激光(7)和第二束捕获激光(8)失准，待捕获微粒(6)将在一定范围内振动，此时图像传感器(3)测得微粒(5)的位移变化，位置探测器(4)测得微粒(5)位移引起的电压变化，将微粒位移和位置探测器电压信号进行特征匹配，求得标定系数，完成位置探测器的标定。
3.根据权利要求2所述标定双光束光阱系统中微粒位置探测器的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：往样品室(11)中注入微粒(6)，打开一号激光器(9)和二号激光器(10)，将二者的输出功率设置为相等的数值；一号激光器(9)和二号激光器(10)出射的两束激光相向照射到样品室(11)，形成双光束光阱，捕获微粒(6)；令第一束捕获激光(7)和第二束捕获激光(8)失准，此时微粒(6)发生振动，图像传感器(3)采集到微粒(6)在某段时间内的运动过程，通过图像处理方法对所录制图像进行分析，提取出微粒的位移-时间曲线；与此同时，记录位置探测器(4)在该段时间内的电压信号变化；将两种信号时间尺度调整至相同后，一一对应，计算出电压-位移系数，即可完成位置探测器的标定。
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