CN108801602A - 一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置和方法。装置包括2×1光分束器、位置传感器和光电探测器组成,两束激光分别经过2×1光分束器后相向对准形成光阱捕获微粒。微球位置传感器和两个光电探测器连接计算机,实时采集这三个探测器的信号。首先,计算得到两个光电传感器的归一化差分结果,并将该结果转换成等效微球位置波动。而后,使用滤波器滤除等效微球位置波动中频域不相关的成分,最后,滤波后的信号从位置传感器中的信号中减去,得到低噪声的信号。本装置结构简单、实用效果强、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用双光束光阱中捕获微球的透射光,来降低微球低频噪声的装置和方法,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,在精密测量领域中具有广泛的应用前景。
微粒位置噪声是光阱系统在精密测量应用中需要解决的关键。当两侧的捕获激光功率完全相同时,微球稳定捕获于光阱当中。但在实际的精密测量应用中,捕获光束往往需要经过一系列光学元器件后才作用与微球,光源噪声、机械震动、热漂移和光路噪声等噪声源使得作用与微球的光功率发生变动,从而引起小球出现非测量信号引起的位置波动噪声。这些噪声主要集中于低频域,使得双光束光阱应用中的测量精度大幅降低,这是亟待解决的问题。暂无针对该问题的解决办法,传统的解决方案为使用低通滤波器将低频段的噪声滤除,但是这种方法将会使得测量系统的测量带宽降低,被测的低频信号也会被滤除,这种方法在应用中具有较大的局限性。
光阱中被捕获的微球可以看作是一个透镜,光照射到微球以后从微球透射出去,然后耦合到对向的光纤,通过探测对向的透射光可以测得作用于微球的功率变化。因此,测得两端透射光的功率,其归一化差分值可以用于补偿功率变化引起的微球位置波动的噪声。双光束光阱中,使用透射光来降低低频噪声的方法,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,利用捕获微球的透射光来降低低频噪声的装置和方法,具有结构简单、实用效果强、成本低廉等优点。
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。当两侧的捕获激光功率完全相同时,微球稳定捕获于光阱当中。但是实际测量情况中,作用于微球两侧的激光功率往往存在不一致的波动,这是引起低频噪声的主要原因。被捕获的微球可以看作透镜,当捕获光照射从微球透射后耦合到光纤中,通过采集透射光可以监控捕获光的波动情况。两侧捕获光的不对称波动是引起光阱中微球波动的主要因素,使用两侧透射光功率的归一化差分值补偿微球位置的波动,可以降低微球的低频噪声。
本发明采用的技术方案如下:一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置,包括2×1光分束器、位置传感器和光电探测器,2×1光分束器和光电探测器各有二个,一个2×1光分束器和一个光电探测器组成一组,二组分别位于装置的两端,装置的中部为样品室,微球置于样品室内,位置探测器置于样品室上方;
装置两端分别设置激光器,两束激光分别经过2×1光分束器后相向对准形成光阱捕获微粒,
所述位置传感器垂直于样品室放置,用于实时探测微粒的位置;
所述位置传感器为微球位置探测器;
所述光电探测器连接2×1光分束器的一端,用于测量对向的透射光;
位置传感器和两个光电探测器连接计算机,实时采集位置传感器和光电探测器的信号,通过计算机得到两光电传感器的归一化差分结果,将该结果转换成等效位置波动,
使用滤波器滤除等效微球位置波动中频域不相关的成分,将滤波后的信号从位置传感器中的信号中减去,得到低噪声的信号。
本发明的有益效果是:
本发明利用捕获微球两侧的透射光检测捕获光功率的波动,使用透射光功率的归一化差分值与位置探测器信号进行相关运算,滤除不相关成分后用于补偿微球低频波动噪声。具有结构简单、实用性强等优点。此外,本发明不局限于样品室结构和外部光路结构,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为本发明的某一组应用数据;
图1中对应的元器件为:1为微球,2为样品室,3为一号激光器,4为二号激光器,5为一号光电探测器,6为二号光电探测器,7为一号2×1光分束器,8为二号2×1光分束器,9为微球位置探测器;
图2中对应数据为:a为等效位置波动信号,b为滤波后的等效位置波动,c为原始位置信号,d为降噪后位置信号。
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,一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置,由2×1光分束器7和8、位置传感器9和光电探测器5和6组成。捕获激光3和捕获激光4分别经过2×1光分束器7和8后相向对准形成双光束光阱捕获微粒1,所述的位置传感器9垂直于光阱放置,用于实时探测微粒的位置。所述的光电探测器5和光电探测器6分别连接到2×1光分束器7和8的另一端,用于测量从微球1出射的透射光。实时采集位置传感器9和光电探测器5和6的信号,通过数据处理得到光电传感器5和6的归一化差分值,根据功率变化引起微球波动的关系将功率波动转化为等效位置波动,并计算该等效位置波动与位置探测器9信号的相关性,使用滤波器滤除等效位置波动中不相关的成分,再将等效位置波动从位置探测器9中减去,得到低噪声的信号。
将位置传感器和两个光电探测器连接计算机,实时采集这三个探测器的信号。首先,计算得到两个光电传感器的归一化差分结果,并将该结果转换成等效微球位置波动。而后,使用滤波器滤除等效微球位置波动中频域不相关的成分,最后,滤波后的信号从位置传感器中的信号中减去,得到低噪声的信号。
本发明的具体工作过程如下:
往样品室2中注入微粒1,打开一号激光器3和二号激光器4,将二者输出功率设置成相等数值。一号激光器3和二号激光器4出射的两束激光相向照射到样品室2,形成双光束光阱,捕获微粒1。微球位置探测器9、一号光电探测器5和二号光电探测器6同时同频率采集数据,利用计算机计算一号光电探测器5和二号光电探测器6的归一化差值,将归一化差值转化为等效位置波动,如图2a所示。计算等效位置波动与微球位置探测器9的相关性,使用滤波器滤除等效位置波动中不相关的高频成分,使得滤波后数据与微球位置探测器9相关性最高,如图2b所示。将滤波后的数据(2b)从微球位置探测器9中数据(2c)减去,得到低噪声的位置探测数据,如图2d所示。该实验降低了67%的低频噪声,该发明可广泛用于双光束光阱系统。
Claims (3)
1.一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置,包括2×1光分束器、位置传感器和光电探测器,2×1光分束器和光电探测器各有二个,一个2×1光分束器和一个光电探测器组成一组,二组分别位于装置的两端,其特征在于,装置的中部为样品室,微球置于样品室内,位置探测器置于样品室上方;
装置两端分别设置激光器,两束激光分别经过2×1光分束器后相向对准形成光阱捕获微粒,
所述位置传感器垂直于样品室放置,用于实时探测微粒的位置;
所述光电探测器连接2×1光分束器的一端,用于测量对向的透射光;
所述位置传感器和两个光电探测器连接计算机,实时采集位置传感器和光电探测器的信号。
2.根据权利要求1所述的一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置,其特征在于,所述位置传感器为微球位置探测器。
3.根据权1所述装置的一种降低双光束光阱系统中低频噪声的方法,其特征在于,实时采集位置传感器和光电探测器的信号,通过计算机得到两光电传感器的归一化差分结果,将该结果转换成等效位置波动,
使用滤波器滤除等效微球位置波动中频域不相关的成分,将滤波后的信号从位置传感器中的信号中减去,得到低噪声的信号。
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