CN109633858B - 一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法。光源经分束器反射后的光束依次经过第三反射镜和左聚焦透镜后在针孔处聚焦后再依次经过右聚焦透镜、第一和第二反射镜后形成对射光束中的第一光束；光源经分束器透射后的光束依次经第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜后在针孔处聚焦后再依次经左聚焦透镜、第三反射镜和分束器后形成对射光束中的第二光束。调节针孔和第一反射镜位置以调节对准距离误差，在分束器和第二反射镜之间设置半透光片，调节第二反射镜位置以调节对准角度误差，交替重复上述两个步骤，使得两对射光束焦点的对准距离和对准角度误差同时达到最小。本发明提高了光镊中对射光束焦点的对准精度，具有实际应用价值。

Description

一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法

技术领域

本发明涉及光镊光路调节装置及方法，尤其是涉及了一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法。

背景技术

1971年，美国物理学家Ashkin等人使用一个透镜弱聚焦一束竖直向上照射的激光，首次用光学方法稳定悬浮直径20um的玻璃微球。1986年，他又发现将单束激光强聚焦后，不依赖重力也可以将微粒稳定捕获，这种技术被命名为光镊(optical tweezer)。2018年，Ashkin因发明光镊技术荣获诺贝尔物理学奖。光镊的原理是强聚焦激光光束对介质微粒产生了一个始终指向焦点的作用力，其大小与电场梯度成正比，故称为梯度力，该力使得介质微粒被三维囚禁在焦点附近。光镊提供了一种可控制和测量微米至亚微米尺度物体特性的非接触、无损的和高空间时间分辨率的优良手段，在生物学、高灵敏度传感和量子物理等方面有着广泛的应用和越加诱人的前景。

Ashkin在首次实现真空中微粒悬浮时就曾经预言：“如果(空气的)粘滞阻尼进一步减小，(真空光镊)将有可能用于实现陀螺仪和加速度计等惯性传感器。近年来，人们已经发现，若使捕获的介质微粒处在真空环境中，即隔绝所有外部热力学噪声的影响，将带来远超过目前常规手段的测量精度。例如，耶鲁大学的Fernando小组，在2017年已经实现了ng级的加速度测量灵敏度，比目前室温下机械力学传感器可达到的探测灵敏度高3个数量级。真空光镊在精密力学量测量和高性能惯性传感器等方面已展现出重要应用价值。

理论与实验均表明，对于空气中直径超过1um的二氧化硅微球，激光在功率100mW和聚焦数值孔径0.5条件下，在焦点附近光对微球作用力并不指向焦点，而是沿着光传输方向。要形成指向焦点的作用力需要增大数值孔径。然而高数值孔径需要多片透镜组合以抑制随物方孔径角增大而增大的像差或(和)油浸介质环境，显著增加了光镊系统的体积与成本，并且油浸不适用空气或真空光镊应用。因此聚焦数值孔径的增加受到限制。综合来说，仅使用单束强聚焦光束而不依赖重力等其他因素无法稳定捕获直径超过1um微球。另一方面，在高真空环境中，微球最小可测量加速度值与微球直径的2.5次方成反比。更高灵敏度的加速度测量需要更大直径的微球。

两束强聚焦光束对射以捕获直径超过1um微球是一种可行的光路替代方案。该方案中要求两光束聚焦焦点重合，两光束光轴重合，重合程度直接影响微球的被捕获稳定性。定义两光束聚焦焦点的轴向偏离误差与径向偏离误差之和为对准距离误差，定义两光束光轴之间的夹角为对准角度误差。要稳定捕获直径超过1um微球，对射光束两聚焦的对准距离误差一般要求小于0.1um，对准角度误差一般要求小于0.1mrad。

聚焦焦点的轴向偏离减小了对射光束对微球的作用力；聚焦焦点的径向偏离在焦点附近产生漩涡力场，使得微球转动加剧；两光束光轴之间均在夹角时，微球在夹角外侧所受的作用力随夹角的增大而减小，以上三种误差均使得微球更容易逃逸出捕获稳定位置。稳定捕获微球是实现有效冷却抑制布朗运动和探测微球位置信息的基本条件。因此研究光镊中对射光束焦点对准的方法对光镊系统的捕获、冷却和测量等性能具有重要意义。

发明内容

针对目前光镊研究中，现有对射光束焦点对准的距离误差和角度误差不能同时有效抑制，对准总体精度无法保证通过光路调节达到最优的现状，本发明提出了一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一、一种光镊中对射光束焦点对准的装置

本发明装置包括光源、分束器、第三反射镜、左聚焦透镜、针孔、三维位移调节台、右聚焦透镜、第一反射镜、第二反射镜，光源、分束器和第二反射镜沿直线依次水平间隔排布，第三反射镜和第一反射镜分别位于分束器和第二反射镜的正下方，第三反射镜和第一反射镜之间设有聚集组件，聚集组件包括依次共轴水平排列的左聚焦透镜、针孔和右聚焦透镜；左聚焦透镜靠近第三反射镜布置，右聚焦透镜靠近第一反射镜布置。

半透光片布置在分束器和第二反射镜之间或者不布置在在装置中；光功率计布置在第三反射镜和左聚焦透镜之间或者布置在右聚焦透镜和第一反射镜之间或者不布置在装置中；光源发出的平行光束经分束器分为光束a和光束b，经分束器反射后的光束a依次经过第三反射镜和左聚焦透镜后在针孔处聚焦，聚焦后的光束a再依次经过右聚焦透镜、第一反射镜和第二反射镜后形成对射光束中的第一光束；经分束器透射后的光束b依次经过第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜后在针孔处聚焦，聚焦后的光束b再依次经过左聚焦透镜、第三反射镜和分束器后形成对射光束中的第二光束。

所述的针孔安装在三维位移调节台上，针孔的位置通过三维位移调节台进行调节；第一反射镜和第二反射镜均安装在二维调节架上，第一反射镜和第二反射镜的位置通过二维调节架进行调节，光源、分束器、左聚焦透镜和右聚焦透镜的位置固定，不进行调节。对第一反射镜和第二反射镜的位置调节包括位移调节和角度调节。

优选的，针孔为圆柱型，针孔的直径与光束聚焦处束腰直径相吻合，在0.1um到100um之间；针孔的轴向长度与光束聚焦处瑞利距离相吻合，在0.1um至100um之间。

优选的，光源为激光光源，所述的第三反射镜、第二反射镜和第一反射镜均为平面反射镜。

优选的，半透光片为感光片或毛玻璃片，半透光片在透过光束的同时在半透光片上形成光斑。如图7或图2所示，若半透光片两侧均有光照射，则半透光片的两个侧面上均形成一个散射光斑，并且在任意一侧可以观察到两个光斑。

二、一种光镊中对射光束焦点对准方法，包括以下步骤：

如图1所示，步骤1)光路中不放置半透光片，将光功率计放在右聚焦透镜和第一反射镜之间，并使光功率计的接收面朝向右聚焦透镜，通过三维位移调节台调节针孔的位置，使得光功率计接收面接收到的自光源依次经分束器、第三反射镜、左聚焦透镜、针孔和右聚焦透镜的光束a的光功率最大；

如图2所示，步骤2)将光功率计从光路中移开，将半透光片放在分束器和第二反射镜之间，光束a和光束b分别从半透光片的两侧对射到半透光片上形成对射光束，具体为：光源发出的平行光束依次经分束器、第三反射镜、左聚焦透镜、针孔、右聚焦透镜、第一反射镜和第二反射镜后入射到半透光片的一侧形成对射光束中的第一光束，第一光束在半透光片上形成一个光斑，光源发出的平行光束依次经分束器、第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜、针孔、左聚焦透镜、第三反射镜和分束器后入射到半透光片的另一侧形成对射光束中的第二光束，第二光束在半透光片上形成又一个光斑，因此对射光束在半透光片上形成两个光斑，通过二维调节架调节第二反射镜的位置，使得所述的两个光斑中心通过目视判断为重合；

如图3所示，步骤3)将半透光片从光路中移开，将光功率计放在第三反射镜和左聚焦透镜之间，并使光功率计的接收面朝向左聚焦透镜，通过二维调节架调节第一反射镜的位置，使得光功率计的接收面接收到的自光源依次经分束器、第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜、针孔和聚焦透镜的光束b的光功率最大；

步骤4)重复步骤2)-3)，直至在步骤3)调节第一反射镜的位置之前，用半透光片观察对射光束形成的两个光斑，对射光束在半透光片上形成的两个光斑通过目视判断为重合。通过目视判断为重合，是指两光斑中心接近重合，以至于从半透光片任意一侧均无法用人眼分辨出一个光斑中心相对于另外一个光斑中心的偏离方向。

光束a和光束b均为基模高斯光束，光斑形状为圆形。

半透光片选用感光片或毛玻璃片，当光源发出的激光波段在人眼可见范围，在步骤3)中选用毛玻璃片；当光源发出的激光波段在人眼不可见范围，在步骤3)中选用感光片。

步骤2)中只调节第二反射镜，不调节第一反射镜；所述的步骤3)只调节第一反射镜，不调节第二反射镜。

步骤2)为感光片或毛玻璃对准方法，步骤3)为针孔对准方法。

本发明在光镊中两聚焦透镜之间放置针孔，调节针孔和一个光束反射镜位置，使得两对射光束焦点的对准距离误差最小。在两聚焦透镜外侧使用半透光片，调节另外一个光束反射镜位置，使得两对射光束焦点的对准角度误差最小。交替重复上述两个步骤，使得两对射光束焦点的对准距离误差和对准角度误差同时达到最小。

本发明的有益效果是：

本发明提高了光镊中对射光束焦点的对准精度，适用空气、液体等不同类型光镊的应用场合；所需光电器件数量少，价格相对低廉；操作方法简单易行，重复性好，具有实际应用价值，可大幅度改进光镊系统的捕获、冷却和测量等性能。

附图说明

图1为进行步骤1)时的光路结构图；

图2为进行步骤2)时的光路结构图；

图3为进行步骤3)时的光路结构图；

图1-3只说明执行步骤时的光路结构，假设两对射光束焦点均已理想对准。

图4为经过本发明调整后光镊中对射光束焦点理想对准的光路结构图；

图5为光镊中对射光束焦点对准存在误差时的一种初始光路结构示意图；

图6为图5的光路结构经过步骤1)调节后的光路结构图；

图7为图6的光路结构经过步骤2)调节后的光路结构图；

图8为图7的光路结构经过步骤3)调节后的光路结构图；

图9为实施例一中对准前的两光斑位置图像；

图10为实施例一经步骤1调节时光功率计接收光功率随着二维调节架旋钮角度变化的图像；

图11为实施例一经步骤2调节后的半透光片上的两光斑位置图像；

图12为实施例一经步骤3调节时光功率计接收光功率随着二维调节架旋钮角度变化的图像；

图13为实施例一经步骤3调节后两光斑位置图像。

图1-13中：1、光源，2、分束器，3、第三反射镜，4、左聚焦透镜，5、针孔，6、三维位移调节台，7、右聚焦透镜、8、第一反射镜，9、第二反射镜，10、光功率计，11、半透光片，a、光束a，b、光束b。光束a经针孔5前的光路用实线表示，光束a经针孔5后的光路用虚线表示；光束b经针孔5前的光路用实线表示，光束b经针孔5后的光路用虚线表示；虚线和实线重合时只标注实线，上述虚实线标注方法，除非特别说明，否则默认适用于图1-13.光功率计10两侧均不能透过光线，也均不能反射光线，只能完全吸收光线，该光功率性质除非特别说明，否则默认适用于图-13.对射光束焦点理想对准时，两聚焦光束均刚好完全透过针孔，在半透光片11上两光束光斑完全重合。光束a经针孔5后的光路与光束b经针孔5前的光路路径相同，方向相反；光束b经针孔5后的光路与光束a经针孔5前的光路路径相同，方向相反。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图5所示，图5为光镊中对射光束焦点对准存在误差时的一种初始光路结构图，图5是将图4中第一反射镜8逆时针旋转并向上移动得到的，此时光束b由水平传输改为向下倾斜传输，并且光束b聚焦点完全透过针孔。第一反射镜8右下侧的虚线表示其原始位置。此时光束a和b不存在对准距离误差，存在对准角度误差。第一反射镜8右下侧虚线表示其移动前的原始位置。图4和5，光束b均完全通过针孔，光功率计接收到的光功率均为最大，因此只采用针孔对准的方法不能检测出对准角度误差，从而无法抑制对准角度误差。

本发明针对图5所示光路的具体实施过程如下：如图6所示，对图5进行对准步骤1)：将光功率计10放在右聚焦透镜7和第一反射镜8之间，接收面朝向右聚焦透镜7，通过三维位置调节台6调节针孔5位置，使得光功率计接收到的光功率最大。图6中，针孔5附近光路被放大显示在图左侧。光束b因为光功率计10背面遮挡无法入射到针孔5上，但是为清晰显示两对射光束和针孔三者相对位置，图6左侧将两对射光束和针孔三者均显示。

如图7所示，对图6进行对准步骤2)：撤去光功率计10，将半透光片11放在分束器2和第三反射镜3之间，对射光束在半透光片11上形成两个光斑，通过二维调节架调节第二反射镜9位置，使得上述两个光斑中心通过目视判断为重合。半透光片11如图7所示，此时光束a仍然为水平传输，针孔5右侧虚线表示光束a聚焦后的光路。光束a入射到第一反射镜8后，光束a随之逆时针倾斜，入射到感光片或毛玻璃上的光斑向上移动，如半透光片11上的虚线圆所示。光束b入射到感光片或毛玻璃上的光斑位置不变，如半透光片11上的实线圆所示。假设对准角度误差θ＝1mrad，从针孔到感光片或毛玻璃的光程为L＝1m，则光束a与b光斑中心距离为△d＝Lθ＝1mm。a与b光斑直径均为d＝10mm，则两光斑中心相对偏离量△d/d＝10％，处在人眼可分辨范围内。因此只采用半透光片对准的方法能检测出对准角度误差，从而抑制对准角度误差。

针孔5附近光路被放大显示在图7左侧，因为图5中只有第一反射镜8被旋转移动，所以只调节另外一只反射镜即第二反射镜9无法将光束b恢复到原始状态。如图7所示，将图2-1中第二反射镜9逆时针转动旋转并向下移动，此时第一反射镜8和第二反射镜9保持垂直，相当于一个直角棱镜，光束经过直角棱镜后光轴保持平行，因此可使得光束a和b在半透光片11处光斑接近重合，光束a和b光轴始终保持平行，原本存在的对准角度误差被抑制。第二反射镜9右上侧的虚线表示第二反射镜9的原始位置。此时，光束a与b在感光片或毛玻璃处光斑中心距离为△d等于径向对准距离误差。假设径向对准距离误差为1um，a与b光斑直径仍均为d＝10mm，则两光斑中心相对偏离量△d/d＝0.01％，超过人眼可分辨范围，因此光束a和b通过半透光片只能保证光路平行且接近重合，无法保证完全重合。通过半透光片调节方法后光束b聚焦点相对光束a聚焦点向上移动，原本不存在的对准距离误差被产生。因此半透光片对准方法不能抑制对准距离误差。

如图8所示，对图7进行对准步骤3)：将光功率计10放在第三反射镜3和左聚焦透镜4之间，接收面朝向左聚焦透镜4，通过二维调节架调节第一反射镜8位置，使得光功率计10接收到的光功率最大。

如图8所示，焦点附近光路被放大显示在左侧。第一反射镜8上侧的虚线表示其原始位置。第一反射镜8在步骤3)中向下平移，光束b聚焦点下移至针孔内。光束a和b聚焦焦点基本重合，两光束光轴基本重合。光束a聚焦点不变，光束a仍可完全通过针孔。光束b聚焦点相对光束a聚焦点向上移动前后，光束b由只有上半部分可以通过针孔变为全部通过针孔，光功率计10接收到的光功率增加。因此针孔对准方法能检测出对准距离误差，从而抑制抑制对准距离误差。

重复步骤2)至3)，直至在步骤3)中，在调节反射镜位置之前，用半透光片观察对射光束形成的两个光斑，其光斑中心通过目视判断为重合，由此可将对准角度误差和对准距离误差均得到抑制至本方法无法再继续抑制程度。综上所述，图5所示光路中，光束a和b不存在对准距离误差，存在对准角度误差；图7所示光路结构通过步骤2)感光片或毛玻璃对准方法有效抑制了对准角度误差，却增大了对准距离误差。图8是图7中光路结构经过步骤3)后的光路结构图，通过步骤3)针孔对准方法有效抑制了对准距离误差，没有增加对准角度误差。因此，经过步骤2)感光片或毛玻璃对准方法和步骤3)针孔对准方法后，对准角度误差和对准距离误差均得到有效抑制。

实施例一

对准前半透光片11上的两光斑位置图像如图9所示，两光斑中心位置有明显偏离，两对射光束存在明显的对准角度误差。图9中黑色实线圆圈表示光斑轮廓。

如图10所示，在图9的基础上经步骤1)调节时光功率计接收光功率随着二维调节架旋钮角度变化的图像。图10大致为一单峰曲线，因为光束焦点向任意一横向方向偏离开针孔中心都会导致透过针孔光的功率减小。

在图10的基础上经步骤2)调节后的半透光片11上的两光斑位置图像如图11所示。可知通过二维调节架调节第二反射镜9位置，使得两个光斑中心通过目视判断为重合。黑色实线圆圈表示光斑轮廓，两光斑轮廓重合为一个光斑轮廓

在图11的基础上经步骤3)调节时光功率计接收光功率随着二维调节架旋钮角度变化的图像如图12所示。图12大致为一单峰曲线，因为光束焦点向任意一横向方向偏离开针孔中心都会导致透过针孔光的功率减小。

在图11基础上经步骤3调节后的半透光片11上的两光斑位置图像如图13所示。黑色实线圆圈表示光斑轮廓。通过二维调节架调节第一反射镜8位置，使得光功率计10接收到的光功率最大后，半透光片11上的两光斑中心位置由接近重合变为有一定偏移，但偏移量较图9中对准前减小。这是因为步骤1)和3)在保证对射光束均完全通过针孔，抑制对准距离误差的同时，部分破坏了步骤2)中抑制对准角度误差的效果。可知之后交替使用步骤2)和3)可同时减小对准距离误差和对准角度误差。

综上，现有技术对于调节对射光束焦点对准中存在的调节方法之间互相干扰，不能同时达到对准距离和对准角度误差最优的问题，本发明交替运用针孔对准方法和半透光片对准的方法对对射光束的焦点进行调节对准，具体是使用两个平面反射镜分别用于两种方法的调节，以同时达到移动光束焦点位置和改变光束光轴方向的目的，可同时减小对准距离误差和对准角度误差，有效提高对准的总体精度，解决了以往对准技术中不能同时减小对准距离误差和对准角度误差的问题。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：包括光源(1)、分束器(2)、第三反射镜(3)、左聚焦透镜(4)、针孔(5)、三维位移调节台(6)、右聚焦透镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)，光源(1)、分束器(2)和第二反射镜(9)沿直线依次水平间隔排布，第三反射镜(3)和第一反射镜(8)分别位于分束器(2)和第二反射镜(9)的正下方，第三反射镜(3)和第一反射镜(8)之间设有聚集组件，聚集组件包括依次共轴水平排列的左聚焦透镜(4)、针孔(5)和右聚焦透镜(7)；

第三反射镜(3)位置固定，半透光片(11)布置在分束器(2)和第二反射镜(9)之间或者不布置在装置中；光功率计(10)布置在第三反射镜(3)和左聚焦透镜(4)之间或者布置在右聚焦透镜(7)和第一反射镜(8)之间或者不布置在装置中；光源(1)发出的平行光束经分束器(2)分为光束a和光束b，经分束器(2)反射后的光束a依次经过第三反射镜(3)和左聚焦透镜(4)后在针孔(5)处聚焦，聚焦后的光束a再依次经过右聚焦透镜(7)、第一反射镜(8)和第二反射镜(9)后形成对射光束中的第一光束；经分束器(2)透射后的光束b依次经过第二反射镜(9)、第一反射镜(8)、右聚焦透镜(7)后在针孔(5)处聚焦，聚焦后的光束b再依次经过左聚焦透镜(4)、第三反射镜(3)和分束器(2)后形成对射光束中的第二光束。

2.根据权利要求1所述的一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：所述的针孔(5)安装在三维位移调节台(6)上，针孔(5)的位置通过三维位移调节台(6)进行调节；第一反射镜(8)和第二反射镜(9)均安装在二维调节架上，第一反射镜(8)和第二反射镜(9)的位置通过二维调节架进行调节，光源(1)、分束器(2)、左聚焦透镜(4)和右聚焦透镜(7)的位置固定。

3.根据权利要求1所述的一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：所述的针孔(5)为圆柱型，针孔(5)的直径与光束聚焦处束腰直径相吻合，在0.1um到100um之间；针孔(5)的轴向长度与光束聚焦处瑞利距离相吻合，在0.1um至100um之间。

4.根据权利要求1所述的一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：所述的光源(1)为激光光源，所述的第三反射镜(3)、第二反射镜(9)和第一反射镜(8)均为平面反射镜。

5.根据权利要求1所述的一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：所述的半透光片(11)为感光片或毛玻璃片，半透光片(11)在透过光束的同时在半透光片(11)上形成光斑。

6.应用于权利要求1-5任一所述装置的一种光镊中对射光束焦点对准方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)光路中不放置半透光片(11)，将光功率计(10)放在右聚焦透镜(7)和第一反射镜(8)之间，并使光功率计(10)的接收面朝向右聚焦透镜(7)，通过三维位移调节台(6)调节针孔(5)的位置，使得光功率计(10)接收面接收到的光束a的光功率最大；

步骤2)将光功率计(10)从光路中移开，将半透光片(11)放在分束器(2)和第二反射镜(9)之间，光束a和光束b分别从半透光片(11)的两侧对射到半透光片(11)上形成对射光束，对射光束在半透光片(11)上形成两个光斑，通过二维调节架调节第二反射镜(9)的位置，使得所述的两个光斑中心重合；

步骤3)将半透光片(11)从光路中移开，将光功率计(10)放在第三反射镜(3)和左聚焦透镜(4)之间，并使光功率计(10)的接收面朝向左聚焦透镜(4)，通过二维调节架调节第一反射镜(8)的位置，使得光功率计(10)的接收面接收到的光束b的光功率最大；

步骤4)重复步骤2)-3)，直至在步骤3)调节第一反射镜(8)的位置之前，对射光束在半透光片(11)上形成的两个光斑重合。

7.根据权利要求6所述的一种光镊中对射光束焦点对准方法，其特征在于：所述的光束a和光束b均为基模高斯光束，光斑形状为圆形。

8.根据权利要求6所述的一种光镊中对射光束焦点对准方法，其特征在于：所述的半透光片(11)选用感光片或毛玻璃片，当光源(1)发出的激光波段在人眼可见范围，在步骤3)中选用毛玻璃片；当光源(2)发出的激光波段在人眼不可见范围，在步骤3)中选用感光片。

9.根据权利要求6所述的一种光镊中对射光束焦点对准方法，其特征在于：

所述的步骤2)中只调节第二反射镜(9)，不调节第一反射镜(8)；所述的步骤3)只调节第一反射镜(8)，不调节第二反射镜(9)。

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