CN111044417A - 一种利用光的力学效应检测微粒尺寸的装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光的力学效应检测微粒尺寸的装置及测试方法。所述的装置，包括三个模块：双光束捕获模块，样品池模块，位置探测模块，信号处理模块；样品池模块中设有待测微粒，通过双光束捕获模块将待测微粒稳定捕获，通过位置探测模块获取微粒的位置信息。本发明还提供了一种利用该装置的光学效应进行微粒尺寸检测的方法，采用光学非接触式的手段，不需要复杂的机械结构即可测量nm尺度微粒小球尺寸，测试步骤简单，所需物理量小。

Description

一种利用光的力学效应检测微粒尺寸的装置及测试方法

技术领域

本发明涉及测量nm级微粒小球尺寸的装置，尤其是一种利用光的力学效应检测微粒尺寸的装置及测试方法。

背景技术

光阱技术基于光子动量与微纳尺度介质的相互作用机理，是一种高精度、高灵敏度、非接触式的测量手段。

微粒被光阱捕获时，它将作为阻尼谐振子沿着三个空间方向，记为x，y和z，进行简谐振荡，其中，z方向为沿光传播方向。简谐振荡的频率由微粒和捕获光阱的性质决定，表征为：

ω₀{z,x,y}是被捕获微粒在3个空间方向上的谐振频率，k₀{z,x,y}是三个空间方向上的光学弹性系数，

为微粒质量，其中r是微粒半径，ρ是微粒的密度。

当微粒的尺寸小于捕获激光波长的1/10时，z方向光学弹性系数：

其中，P₀是俘获激光的功率，α_P是微粒的极化率，w_f在焦点处俘获激光束的束腰尺寸，c是光速，λ是俘获激光的波长，ε₀是真空介电常数。

通过探测器获取被捕获微粒在z方向上的位移信息，并进行傅里叶变换，则可以得到如图3所示的微粒运动的频谱图，图中的高点即为微粒在z方向上的谐振频率ω₀{z}。

结合公式(1)和光学弹性系数公式(2)，即可进行微粒的半径r的计算。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明提供了一种利用光的力学效应检测微粒尺寸的装置和方法。

一种基于光的力学效应检测微粒尺寸的装置，包括三个模块：双光束捕获模块，样品池模块，位置探测模块，信号处理模块；

样品池模块中设有待测微粒，通过双光束捕获模块将待测微粒稳定捕获，通过位置探测模块获取微粒的位置信息。

所述的双光束捕获模块包括激光器、准直透镜、第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜，第一聚焦透镜，第二聚焦透镜；

激光器发出激光，即捕获光束，经准直透镜准直，经第一分束镜分成两路光束A和B，光束A依次经过第一反射镜、第一聚焦透镜，光束B依次经过第二反射镜、第二分束镜、第二聚焦透镜后，在样品池内形成稳定光阱。

所述的位置探测模块包括分光镜、第三反射镜、平衡探测器；

微粒对捕获光束A的散射光，依次经过第二聚焦透镜、第二分束镜、分光镜，分光镜将散射光分成两路光束C和D，光束D经过第三反射镜和光束C入射到平衡探测器的两个探头。

所述的样品池内设有密闭腔，在加入待测微球后密封以阻隔气流扰动引入误差。

待测微粒为光学均匀介质球，微粒的半径尺寸为nm量级，微粒形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

所述的测试方法，是通过对微粒的位置信息的信息处理，并根据运动学方程求解微粒半径，所述运动学方程

式中，ω₀为微粒位置信息经过傅里叶变换得到的谐振频率，k₀为轴向上的光学弹性系数，ρ是微粒密度，r是微粒半径尺寸。

本发明的有益效果

利用双光阱系统中微粒的捕获频率与微粒小球的尺寸的关系，提出了一种利用光的力学效应检测微粒尺寸的装置和方法。采用光学非接触式的手段，不需要复杂的机械结构即可测量nm尺度的微粒小球尺寸，测试步骤简单，所需物理量小。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为测量装置光路图；

图3为利用双光束捕获微粒的捕获频率示意图，图中频率高点即为捕获频率。

图中，激光器1、准直透镜2、第一分束镜3、第一反射镜4、第一聚焦透镜5、第二反射镜6、第二分束镜7、第二聚焦透镜8，样品池9、分光镜10、第三反射镜11、平衡探测器12。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例。

参考图1，一种基于光的力学效应检测微粒尺寸的装置，包括双光束捕获模块，样品池模块，位置探测模块，信号处理模块。首先在样品池中注入待测微粒样品，利用双光束捕获模块将待测微粒稳定捕获，然后通过位置探测模块获取微粒的位置信息。

参考图2，双光束捕获模块包括激光器1、准直透镜2、第一分束镜3、第二分束镜7、第一反射镜4、第二反射镜6，第一聚焦透镜5，第二聚焦透镜8。激光器1发出激光，即捕获光束，经准直透镜2准直，经第一分束镜3分成两路光束A和B，光束A依次经过第一反射镜4、第一聚焦透镜5，光束B依次经过第二反射镜6、第二分束镜7、第二聚焦透镜8后，在样品池内形成稳定光阱。

参考图2，位置探测模块包括分光镜10、第三反射镜11、平衡探测器12。微粒对捕获光束A的散射光，依次经过第二聚焦透镜8、第二分束镜7、分光镜10，分光镜10将散射光分成两路光束C和D，光束D经过第三反射镜11和光束C入射到平衡探测器的两个探头。

所述的样品池内设有密闭腔，在加入待测微球后密封以阻隔气流扰动引入误差。

待测微粒为光学均匀介质球，微粒的半径尺寸为nm量级，微粒形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

所述的测试方法，是通过对微粒的位置信息的信息处理，并根据运动学方程求解微粒半径，所述运动学方程

式中，ω₀为微粒位置信息经过傅里叶变换得到的谐振频率，k₀为轴向上的光学弹性系数，ρ是微粒密度，r是微粒半径尺寸。

实施例

参考图2，首先在样品池未加入微粒前，打开激光器，激光器工作波长为1064nm。待输出功率稳定后，在样品池内的聚焦透镜焦点处利用光功率计测量捕获光的光功率P₀，同时利用高分辨率CCD在聚焦透镜的焦点处进行束腰尺寸w_f的测量。

参数测试完毕后，将待测微粒放置于样品池中，微粒半径尺寸为nm量级，微粒形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。打开激光器1发出激光，即捕获光束，，经准直透镜2准直，经第一分束镜3分成两路光束A和B，光束A依次经过第一反射镜4、第一聚焦透镜5，光束B依次经过第二反射镜6、第二分束镜7、第二聚焦透镜8后，在样品池内9形成稳定光阱，并将微粒捕获。

参考图2，微粒对捕获光束A的散射光，依次经过第二聚焦透镜8、第二分束镜7、分光镜10，分光镜10将散射光分成两路光束C和D，光束D经过第三反射镜11和光束C入射到平衡探测器的两个探头。从平衡探测器的两个探头检测到的差分信号中提取微粒的位置信息，对位置信息进行傅里叶变换，得到频谱图，参考图3的频谱图，其中的频谱高点即为待测微粒的谐振频率ω₀，由于待测微粒经历的是简谐振动，其在轴向(记为z方向)的捕获频率由下式表征：

k₀是z轴上的光学弹性系数，

为微粒质量，其中r是微粒半径，ρ是微粒的密度。结合轴向上的光学弹性系数表达式，

其中，P₀是俘获激光的功率，α_P是微粒的极化率，w_f在焦点处俘获激光束的腰部，c是光速，λ是俘获激光的波长，ε0是真空介电常数。得到微粒半径的表达式为：

因此，利用光阱系统进行微粒捕获，获取微粒的运动信息进行捕获频率的解算，即可进行微粒尺寸的计算。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，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的精神和范围的，均应涵盖在本发明的权利要求保护范围当中。

Claims (6)

1.一种利用光的力学效应检测微粒尺寸的装置，其特征在于，该装置包括双光束捕获模块，样品池模块，位置探测模块；所述的样品池模块中设有待测微粒，通过双光束捕获模块将待测微粒稳定捕获，通过位置探测模块获取微粒在轴向上的位置信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的双光束捕获模块包括激光器(1)、准直透镜(2)、第一分束镜(3)、第二分束镜(7)、第一反射镜(4)、第二反射镜(6)，第一聚焦透镜(5)，第二聚焦透镜(8)；激光器(1)发出激光，即捕获光束，经准直透镜(2)准直，经第一分束镜(3)分成两路光束A和B，光束A依次经过第一反射镜(4)、第一聚焦透镜(5)，光束B依次经过第二反射镜(6)、第二分束镜(7)、第二聚焦透镜(8)后，在样品池(9)内形成稳定光阱。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的位置探测模块包括分光镜(10)、第三反射镜(11)、平衡探测器(12)；微粒对捕获光束A的散射光，依次经过第二聚焦透镜(8)、第二分束镜(7)、分光镜(10)，分光镜(10)将散射光分成两路光束C和D，光束D经过第三反射镜(11)和光束C入射到平衡探测器的两个探头，平衡探测器输出微粒的位置信息。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的样品池内(9)，设有密闭腔，在加入待测微粒后密封以阻隔气流扰动引入误差。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，待测微粒为光学均匀介质球，微粒的半径尺寸为nm量级，微粒形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

6.一种根据权利要求1所述的装置的测试方法，其特征在于，通过对微粒的位置信息的信息处理，并根据运动学方程求解微粒半径，所述运动学方程

式中，ω₀为微粒位置信息经过傅里叶变换得到的谐振频率，k₀为轴向上的光学弹性系数，ρ是微粒密度，r是微粒半径尺寸。

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