CN108801602B - 一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置和方法 - Google Patents

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

一种降低双光束光阱系统中低频噪声的装置和方法

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：微球1，样品室2，激光Ⅰ3，激光Ⅱ4，光电探测器Ⅰ5，光电探测器Ⅱ6， 2×1光分束器Ⅰ7， 2×1光分束器Ⅱ8，位置探测器9；

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Ⅰ7和2×1光分束器Ⅱ8、位置传感器9和光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6组成。激光器Ⅰ3和激光器Ⅱ4发出的激光分别经过2×1光分束器Ⅰ7和2×1光分束器Ⅱ8后相向对准形成双光束光阱捕获微球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Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6分别连接到2×1光分束器Ⅰ7和2×1光分束器Ⅱ8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Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6的信号，通过数据处理得到光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6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中注入微球1，打开激光器Ⅰ3和激光器Ⅱ4，将二者输出功率设置成相等数值。激光器Ⅰ3和激光器Ⅱ4出射的两束激光相向照射到样品室2，形成双光束光阱，捕获微球1。位置探测器9、光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6同时同频率采集数据，利用计算机计算光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6的归一化差值，将归一化差值转化为等效位置波动，如图2中的a所示。计算等效位置波动与位置探测器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，使得滤波后数据与位置探测器9相关性最高，如图2中的b所示。将滤波后的数据b从微球位置探测器9中数据c减去，得到低噪声的位置探测数据，如图2中的d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 (1)

1.一种降低双光束光阱系统中低频噪声的方法，其特征在于，所述方法基于的装置包括：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；

该方法的工作过程包括：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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