CN110595151A - 利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的方法及装置。自聚焦光纤出射捕获光，形成光阱；从垂直于光纤光轴的方向收集微粒的散射光，解析出微粒在三个正交方向上的运动信息；基于该运动信息冷却微粒的质心运动。该装置包括捕获光阱模块、运动探测模块和反馈冷却模块。本发明可提高微粒对捕获光的散射效率，增大光阱中稳定捕获点与光纤端面的间距；将高时间分辨率的光电探测器与光纤光阱结合，解决传统光纤光阱无法冷却微粒质心运动的难题；施加冷却方案后的光纤光阱，可在高真空环境下稳定悬浮微粒，最终提高光纤光阱测量装置的探测灵敏度和系统集成度。

Description

利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用自聚焦光纤形成光阱以及冷却微粒的方法及装置，属于惯性测量技术、光学工程领域以及微颗粒悬浮领域。

背景技术

光阱系统利用聚焦的激光光束捕获并稳定悬浮微粒，可用于高灵敏度的加速度和弱力测量。为了提高光阱系统的测量灵敏度，需要在真空环境中稳定悬浮微粒；环境真空度越高，系统的测量灵敏度越高。但是在高真空环境下由于缺少气体分子的阻尼作用力，微粒很容易从光阱中逃逸，无法实现稳定且持续的测量。为此，需要对微粒的质心运动进行冷却。冷却后的微粒可以在更高真空度的环境中稳定悬浮，同时获得更高的探测灵敏度。

基于自由空间光路的光阱系统体积较大，不利于光阱系统的模块化集成。相比之下，基于光纤光路的光阱系统结构紧凑、成本较低，更容易集成为小尺寸的基片，其简单、高效、低成本的特点更贴近传感仪器的需求。

传统的光纤光路多采用两根单模光纤形成双光束光阱，其特点在于：首先，捕获光束从光纤端面出射之后便开始发散，其束腰位置通常位于光纤端面；其次，被捕获的微粒不在捕获光束的束腰位置，对捕获光的散射效率较低，无法直接利用散射光对其运动信息进行探测，需要额外施加探测光束；最后，为了稳定捕获微粒，需要提高光纤的对准精度，同时光纤端面的间距不能太大。传统的光纤光阱通常只能采用CCD或者CMOS相机对微粒进行探测：通过对微粒所在平面进行显微放大成像，获取微粒运动的系列图像。这种探测方案采集速度较慢，通常只有几十帧/秒。因此，传统的光纤光阱无法探测到微粒的高频运动信息，进而无法对微粒施加冷却方案，制约了光纤光阱系统在真空环境下的应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用自聚焦光纤形成光阱以及冷却微粒的方法及装置。

一种利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的方法，自聚焦光纤中出射捕获光，形成光阱；从垂直于光纤光轴的方向收集微粒的散射光，解析出微粒在三个正交方向上的运动信息；基于该运动信息冷却微粒的质心运动。

所述的自聚焦光纤包括三部分，依次为单模光纤、无芯光纤和梯度折射率光纤，捕获光先发散后汇聚，捕获光的焦点或束腰位置与光纤端面存在一定的距离，距离和束腰的尺寸由自聚焦光纤和捕获光的特性决定。

所述的光阱采用两根自聚焦光纤对准后形成的双光束光阱，或者采用单根自聚焦光纤形成的单光束光阱。

所述的散射光是微粒对捕获光束的散射光，或者是微粒对探测光束的散射光；所述的探测光束独立于捕获光束，与捕获光束一起从自聚焦光纤中出射，或者从垂直于光纤光轴的方向入射到微粒上。

所述的散射光经过聚光透镜收集后，汇聚到光电探测器的探测面上；光电探测器采用四象限光电探测器或者快速平衡探测器，探测器探测象限接收到的光强信号反映出微粒在对应方向上的运动信息。

所述的运动信息转化为电信号，经过处理后得到反馈信号；反馈信号可调制捕获光束的光强，和/或冷却光束的光强，均可以冷却微粒的质心运动；该冷却光束独立于捕获光束。

一种利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的装置，包括捕获光阱模块、运动探测模块和反馈冷却模块；捕获光阱模块用来稳定捕获微粒，运动探测模块用来收集微粒的散射光，并探测微粒在各个方向上的质心运动，反馈冷却模块用来冷却微粒的质心运动。

所述的捕获光阱模块包括第一激光器、第一光隔离器、第一光纤、第二激光器、第二光纤隔离器、第二光纤、微粒和光纤耦合器；所述的第一激光器、第一光隔离器、光纤耦合器和第一光纤顺次相连；所述的第二激光器、第二光隔离器和第二光纤顺次相连；所述的第一激光器和第二激光器用于产生捕获光束；所述的第一光隔离器和第二光隔离器用于隔离反射光；所述的第一光纤和第二光纤均有一端为自聚焦光纤，经过对准后分别出射第一捕获光束和第二捕获光束，形成光阱，捕获微粒；所述的微粒是光学均匀介质微粒，微粒的尺寸为纳米到微米量级；所述的光纤耦合器用于耦合第一捕获光束和冷却光束；光纤耦合器的其中一个输入端与第一光隔离器连接，另外一个输入端与光纤光强调制器连接，输出端与第一光纤连接。

所述的运动探测模块包括滤光片、聚光透镜、光电探测器和信号处理系统。微粒的散射光中包含捕获光束分量和冷却光束分量；所述的滤光片对捕获光束分量的透过率很高，对冷却光束分量的透过率很低，使聚光透镜仅收集散射光中的捕获光束分量。所述的聚光透镜具有大的数值孔径，可收集到尽可能多的散射光，并汇聚到光电探测器的探测面上；所述的光电探测器的探测面具有四个象限，可通过不同象限接收到的光强差值获取微粒在对应方向上的运动信息；所述的信号处理系统根据光电探测器的不同象限的探测信号，解算出微粒三个方向的运动信息，并得到反馈控制信号。

所述的反馈冷却模块包括第三激光器和光强调制器；所述的第三激光器用于产生冷却光束，冷却光束与捕获光束的波长不同；所述的光纤光强调制器用于调制冷却光束的光强，输入端与第三激光器通过光纤连接，输出端与光纤耦合器的其中一个输入端通过光纤连接，调制端与信号处理系统通过导线连接，接入信号处理系统的反馈控制信号；被反馈控制信号调制的冷却光束，与第一捕获光束一起从第一光纤出射，冷却微粒的质心运动。

本发明的有益效果：

利用自聚焦光纤形成光阱，可以在捕获光束的束腰位置捕获微粒，增大微粒散射光的光强，提高探测时的信噪比，不需要额外的探测光束即可利用光电探测器探测微粒的高频运动信息。基于获取的高频运动信息，可以对微粒施加冷却方案，拓展了光纤光阱系统在真空环境下的应用。此外，本发明还能增大光阱稳定捕获点与光纤端面的间距，降低光纤光阱对光纤对准精度的要求，突破光纤光阱在结构设计上约束。

附图说明

图1为本发明装置的一种结构示意图；

图2为自聚焦光纤出射光束的示意图；

图3为光电探测器的四个像面分布图；

如图1所示，第一激光器1、第一光纤隔离器2、第一光纤3、第二激光器4、第二光纤隔离器5、第二光纤6、微粒7、光纤耦合器8、滤光片9、聚光透镜10、光电探测器11、信号处理系统12、第三激光器13和光纤光强调制器14。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。

一种利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的方法，自聚焦光纤中出射捕获光，形成光阱；从垂直于光纤光轴的方向收集微粒的散射光，解析出微粒在三个正交方向上的运动信息；基于该运动信息采用捕获光和/或冷却光冷却微粒的质心运动。

所述的自聚焦光纤包括三部分，依次为单模光纤、无芯光纤和梯度折射率光纤，捕获光先发散后汇聚，捕获光的焦点或束腰位置与光纤端面存在一定的距离，距离和束腰的尺寸由自聚焦光纤和捕获光的特性决定。

所述的光阱既可以是两根自聚焦光纤对准后形成的双光束光阱，也可以是单根自聚焦光纤形成的单光束光阱。如果用单光束形成光阱，对光束的聚焦要求很高，通常都是用高数值孔径的显微物镜汇聚自由空间光束，捕获纳米尺寸的微粒。对于微米尺寸的微粒，通常采用双光束光阱，利用两边光束的散射力相互抵消，形成稳定的光阱。

所述的散射光既可以是微粒对捕获光束的散射光，也可以是微粒对探测光束的散射光；该探测光束独立于捕获光束，既可以与捕获光束一起从自聚焦光纤中出射，也可以从垂直于光纤光轴的方向入射到微粒上。对于经过自聚焦光纤出射的光束，微粒的稳定捕获点即为光束的焦点，光束高度聚焦，微粒对捕获光的散射效率较高，满足探测光路的要求，一般不需要额外的探测光束，可以简化整个光路系统，也不必额外地将探测光束对准微粒。

所述的散射光经过聚光透镜收集后，汇聚到光电探测器的探测面上；光电探测器可采用四象限光电探测器或者快速平衡探测器，探测器不同探测面接收到的光强信号反映出微粒在对应方向上的运动信息。

所述的运动信息转化为电信号，经过处理后得到反馈信号；反馈信号既可以直接调制捕获光束的光强，也可以调制冷却光束的光强，均可以冷却微粒的质心运动；该冷却光束独立于捕获光束，既可以与捕获光束一起从自聚焦光纤中出射，也可以从垂直于光纤光轴的方向入射到微粒上。该冷却光既可以是一束，也可以是三束，分别从三个正交方向入射，冷却微粒三个方向上的质心运动。

一种利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的装置，包括捕获光阱模块、运动探测模块和反馈冷却模块；捕获光阱模块用来稳定捕获微粒，运动探测模块用来收集微粒的散射光，并探测微粒在各个方向上的质心运动，反馈冷却模块用来冷却微粒的质心运动。

如图1所示，所述的捕获光阱模块包括第一激光器1、第一光隔离器2、第一光纤3、第二激光器4、第二光纤隔离器5、第二光纤6、微粒7和光纤耦合器8。所述的第一激光器1、第一光隔离器2、光纤耦合器8和第一光纤3顺次相连；所述的第二激光器4、第二光隔离器5和第二光纤6顺次相连。

所述的第一激光器1和第二激光器4均可采用980nm单模激光器，用于产生光强稳定的高斯基模光束，作为捕获光束。

所述的第一光隔离器2和第二光隔离器5用于隔离反射光，分别保护第一激光器1和第二激光器4。

所述的第一光纤3和第二光纤6经过对准后分别出射第一捕获光束和第二捕获光束，形成光阱，用于捕获微粒7；如图2所示，第一光纤3和第二光纤6的出光端可采用熔接三段不同光纤的方式实现自聚焦效果；捕获光束依次经过单模光纤、无芯光纤和梯度折射率光纤，光束尺寸先发散后汇聚；当捕获光束从梯度折射率光纤末端出射后，经过一段传播距离s后重新聚焦，光束焦点即为光阱的捕获点。捕获点与光纤端面的间距s以及焦点处光束的束腰尺寸2ω ₀ 均可通过自聚焦光纤的制作工艺进行调节（比如调节三段光纤各自的长度、材料折射率，纤芯的结构尺寸等参数），满足光阱实际的结构需求。

所述的微粒7是光学均匀介质微粒，微粒的尺寸为纳米到微米量级，比如可选用直径为10微米的二氧化硅微球，对捕获光束和冷却光束均有较低的吸收率。

所述的光纤耦合器8用于耦合第一捕获光束和冷却光束；光纤耦合器8的其中一个输入端与第一光隔离器2连接，其输出端与第一光纤3连接，另外一个输入端与光纤光强调制器14连接。

所述的运动探测模块包括滤光片9、聚光透镜10、光电探测器11和信号处理系统12。

微粒的散射光中包含捕获光束分量和冷却光束分量；所述的滤光片9可针对捕获光束的波长选用相应的窄带滤光片，使聚光透镜10仅收集到散射光中的捕获光束分量。

所述的聚光透镜10可选用高数值孔径的显微物镜，收集到尽可能多的散射光，并汇聚到光电探测器11的探测面上。

所述的光电探测器11可选用四象限探测器（QPD），其探测面位于聚光透镜的后焦面上。如图3所示，探测面分为A、B、C和D共四个象限；AB和CD分别为上半象限和下半象限，AC和BD分别为左半象限和右半象限；上下两个半象限接收到的光强差值正比于微粒在y轴方向上的位移量，左右两个半象限接收到的光强差值正比于微粒在x轴方向上的位移量，而四个象限接收到的总光强值正比于微粒在z轴方向上的位移量。

所述的信号处理系统12可选用数字信号处理器，比如 TI 公司的 TMS320C6x 系列的 TMS320C6205DSP 芯片；数字信号处理器根据光电探测器的不同象限的探测信号，解算出微粒三个方向的运动信息，并得到反馈控制信号。

所述的反馈冷却模块包括第三激光器13和光强调制器14。

所述的第三激光器13可采用1550nm单模激光器，用于产生冷却光束。

所述的光纤光强调制器14可采用铌酸锂调制器，其输入端与1550nm激光器通过光纤连接，其输出端与光纤耦合器8的其中一个输入端通过光纤连接，其调制端与数字信号处理器通过导线连接，接入所述的反馈控制信号；被反馈控制信号调制的冷却光束，与980nm激光一起从第一光纤3出射，冷却微粒的质心运动。

应用实施例

对准第一光纤3和第二光纤6，使两者的光轴重合，而且焦点位置重合，形成稳定的捕获点。打开第一激光器1和第二激光器4，调节激光器使第一光纤3和第二光纤6出射光的光功率相等，稳定捕获微粒7。聚光透镜10从侧面收集微粒7对捕获光束的散射光，汇聚到光电探测器11的探测面上。探测面上左右两个半象限接收到的光强差值正比于微粒7在x轴方向上的位移量，该光强差值的时域信号即为微粒7在x轴上的位移时域信号。在信号处理系统12中将位移时域信号进行时间差分计算得到速度时域信号，乘以一个负值的比例系数即可得到反馈控制信号。将反馈控制信号接入光强调制器14的调制端。打开第三激光器13，调节冷却光束的光功率；将冷却光束接入光强调制器14的输入端，根据反馈控制信号实时调制冷却光的光强，从光强调制器14的输出端出射。被调制的冷却光束与捕获光束经过光纤耦合器8的耦合，从第一光纤3的端面出射，冷却微粒7在x轴方向上的质心运动。调节冷却光束的光功率和反馈控制信号的比例系数可改变冷却过程的调制深度，使微粒7获得不同的冷却温度。提高光纤光阱系统所在环境的真空度，可提高系统的探测灵敏度。

最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围当中。

Claims (10)

1.一种利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的方法，其特征在于：自聚焦光纤中出射捕获光，形成光阱；从垂直于光纤光轴的方向收集微粒的散射光，解析出微粒在三个正交方向上的运动信息；基于该运动信息冷却微粒的质心运动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的自聚焦光纤包括三部分，依次为单模光纤、无芯光纤和梯度折射率光纤，捕获光先发散后汇聚，捕获光的焦点或束腰位置与光纤端面存在一定的距离，距离和束腰的尺寸由自聚焦光纤和捕获光的特性决定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光阱采用两根自聚焦光纤对准后形成的双光束光阱，或者采用单根自聚焦光纤形成的单光束光阱。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的散射光是微粒对捕获光束的散射光，或者是微粒对探测光束的散射光；所述的探测光束独立于捕获光束，与捕获光束一起从自聚焦光纤中出射，或者从垂直于光纤光轴的方向入射到微粒上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的散射光经过聚光透镜收集后，汇聚到光电探测器的探测面上；光电探测器采用四象限光电探测器或者快速平衡探测器，探测器探测象限接收到的光强信号反映出微粒在对应方向上的运动信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的运动信息转化为电信号，经过处理后得到反馈信号；反馈信号可调制捕获光束的光强，和/或冷却光束的光强，均可以冷却微粒的质心运动；该冷却光束独立于捕获光束。

7.一种利用自聚焦光纤形成光阱并且冷却微粒的装置，其特征在于：包括捕获光阱模块、运动探测模块和反馈冷却模块；捕获光阱模块用来稳定捕获微粒，运动探测模块用来收集微粒的散射光，并探测微粒在各个方向上的质心运动，反馈冷却模块用来冷却微粒的质心运动。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的捕获光阱模块包括第一激光器（1）、第一光隔离器（2）、第一光纤（3）、第二激光器（4）、第二光纤隔离器（5）、第二光纤（6）、微粒（7）和光纤耦合器（8）；

所述的第一激光器（1）、第一光隔离器（2）、光纤耦合器（8）和第一光纤（3）顺次相连；所述的第二激光器（4）、第二光隔离器（5）和第二光纤（6）顺次相连；

所述的第一激光器（1）和第二激光器（4）用于产生捕获光束；

所述的第一光隔离器（2）和第二光隔离器（5）用于隔离反射光；

所述的第一光纤（3）和第二光纤（6）均有一端为自聚焦光纤，经过对准后分别出射第一捕获光束和第二捕获光束，形成光阱，捕获微粒（7）；

所述的微粒（7）是光学均匀介质微粒，微粒的尺寸为纳米到微米量级；

所述的光纤耦合器（8）用于耦合第一捕获光束和冷却光束；光纤耦合器（8）的其中一个输入端与第一光隔离器（2）连接，另外一个输入端与光纤光强调制器（14）连接，输出端与第一光纤（3）连接。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的运动探测模块包括滤光片（9）、聚光透镜（10）、光电探测器（11）和信号处理系统（12）；微粒的散射光中包含捕获光束分量和冷却光束分量；所述的滤光片（9）对捕获光束分量的透过率很高，对冷却光束分量的透过率很低，使聚光透镜（10）仅收集散射光中的捕获光束分量；所述的聚光透镜（10）具有大的数值孔径，可收集到尽可能多的散射光，并汇聚到光电探测器（11）的探测面上；所述的光电探测器（11）的探测面具有四个象限，可通过不同象限接收到的光强差值获取微粒在对应方向上的运动信息；所述的信号处理系统（12）根据光电探测器（11）的不同象限的探测信号，解算出微粒三个方向的运动信息，并得到反馈控制信号。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的反馈冷却模块包括第三激光器（13）和光强调制器（14）；

所述的第三激光器（13）用于产生冷却光束，冷却光束与捕获光束的波长不同；

所述的光纤光强调制器（14）用于调制冷却光束的光强，输入端与第三激光器（13）通过光纤连接，输出端与光纤耦合器（8）的其中一个输入端通过光纤连接，调制端与信号处理系统（12）通过导线连接，接入信号处理系统（12）的反馈控制信号；

被反馈控制信号调制的冷却光束，与第一捕获光束一起从第一光纤（3）出射，冷却微粒的质心运动。