CN111398100A - 一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法及装置。利用光阱稳定悬浮待测微粒，然后对捕获势阱中的待测微粒施加一束激发光束和一束探测光束，利用探测器收集经过微粒之后的探测光束；待测微粒吸收激发光束被瞬间加热，产生热透镜效应，对探测光束的折射发生变化，从而改变探测器上接收到的热光信号；根据热光信号的变化可解算出待测微粒对激发光束的光吸收特性；改变激发光束的波长进行测量，可得到在该波段内的光吸收特性谱。装置包括捕获光阱模块、激发探测模块和控制模块。本发明采用光学非接触式的方法测量微量样品的光吸收特性，测量精度高，响应速度快；可在光阱中原位测量微粒的光吸收特性，实时筛选出光吸收特性良好的微粒样品。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法及装置，应用于光学工程领域的光阱测量，尤其是利用光学悬浮进行精密测量的光阱测量装置及其测量方法。
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。光阱系统通常采用吸收率较低的微粒样品，这样可以降低微粒对捕获光束的热吸收。当微粒样品的品质不佳、包含吸收率较高的杂质时，微粒由于热吸收发生升温。在常温常压环境中，微粒可与周围气体分子通过碰撞保持热平衡；在高真空环境中，由于缺少气体分子的热交换，在长时间的热吸热作用下，即使捕获光的光功率很微弱，微粒也会迅速升温，甚至发生融化现象。高温条件下微粒的物理特性发生变化，例如二氧化硅微粒因熔融蒸发导致的质量减小和晶体结构的变化，为精密测量带来难以消除的系统误差，不利于长时间的稳定测量。
通过测量微粒的光吸收特性可以对高真空环境下的热吸收进行预测，也能筛选出光吸收特性良好的微粒样品。由于光阱系统通常捕获的是特定的某个微粒样品，在常温常压下利用其它手段测量到的微粒的光吸收特性只具有宏观统计上的参考价值，不能确切反映捕获状态下特定微粒的特性。光悬浮微粒是光阱测量系统的核心传感单元，在光阱中对其光吸收特性进行原位测量具有工程应用价值，也是一个重要的技术难点，目前尚未有可行的技术方案。
热透镜效应是指激光与晶体形态的吸收性介质相互作用后，由于热吸收导致晶体表面发生热形变，造成了晶体各部分密度不同，而光在经过不同密度的分界线时发生不同程度的折射，因此就形成了像是光线通过普通透镜一样的折射效果。通常采用热光系数表征材料折射率随温度的变化情况，即折射率相对于温度的变化系数
。热透镜效应在光电子领域有着广泛的应用，比如可调耦合器、滤波器和传感器。利用热透镜效应测量宏观样品的光吸收特性早已有成熟的技术方案。
发明内容
为了解决现有的技术难题，本发明提供一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法及装置。
一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法，利用光阱稳定悬浮待测微粒，然后对捕获势阱中的待测微粒施加一束激发光束和一束探测光束，利用探测器收集经过微粒之后的探测光束；待测微粒吸收激发光束被瞬间加热，产生热透镜效应，对探测光束的折射发生变化，从而改变探测器上接收到的热光信号；根据热光信号的变化解算出待测微粒对激发光束的光吸收特性。
所述的热光信号的变化与待测微粒在特定激发光束波长下的热光系数成正比，在一定波段内改变激发光束的波长，重复测量过程，得到待测微粒在该波段内的光吸收特性谱。
所述的激发光束为红外波段的脉冲光，脉冲宽度为纳秒量级，所述的红外波段涵盖近红外波段和中红外波段，所述的探测光束为稳定的单模连续输出可见光。
所述的方法，当没有激发光束作用时，探测光束在探测器探测面上的光强分布为高斯分布；当激发光束作用时，待测微粒产生热膨胀，对探测光束的折射率发生变化，改变探测光束的传播方向，使探测器探测面上的光强分布发生变化。
所述的热光信号的变化
与待测微粒的光吸收特性相关，表示为
其中，
为吸收截面，
为分子数密度，
为导热系数，
为热容，
为折射率，
为温度，
代表了热光系数，
为脉冲激发光束的光功率，
为探测光束的光功率。
一种采用所述的方法测量微粒光吸收特性的装置，包括捕获光阱模块、激发探测模块和控制模块；捕获光阱模块用来稳定捕获微粒，激发探测模块用来产生并探测热光信号，控制模块用来收集并处理热光信号，得到待测微粒的光吸收特性谱。
所述的捕获光阱模块包括第一激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、待测微粒；
所述的第一激光器出射捕获激光，经过第一准直透镜和第二准直透镜的准直后，被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、第二反射镜和第一汇聚透镜，光束B依次经过第三反射镜和第二汇聚透镜，两路光束对向汇聚在同一个焦点，形成双光束光阱；
所述的待测微粒是光学均匀介质微粒，微粒的尺寸为纳米到微米量级，可被双光束光阱捕获。
所述的激发探测模块包括第二激光器、第三准直透镜、第四准直透镜、第三激光器、第五准直透镜、第六准直透镜、第二分束镜、第四反射镜、合束镜、第三汇聚透镜、滤光镜、第四汇聚透镜、第一探测器；
所述的第二激光器出射稳定的单模连续输出可见光，作为探测光束；探测光束经过第三准直透镜和第四准直透镜的准直后入射到合束镜；
所述的第三激光器出射红外波段的高频脉冲光，作为激发光束；激发光束经过第五准直透镜和第六准直透镜的准直后，先后经过第二分束镜、第四反射镜和合束镜；第二分束镜将反射一小部分激发光束，作为监测光束；
探测光束和激发光束在合束镜合束后共光路，经第三汇聚透镜汇聚到微粒；接着所述的滤光镜用于滤除合束后共光路中的激发光束；探测光束经过第四汇聚透镜汇聚后入射到第一探测器；所述的第一探测器为可见光探测器，产生热光信号。
所述的控制模块包括第二探测器、锁相放大器、谐振放大器、上位机；
所述的第二探测器为红外光探测器，用于探测第二分束镜反射的监测光束；第二探测器将探测的信号接入锁相放大器的相敏检测通道，用于监测第三激光器的光功率；锁相放大器将监测信号上传到上位机；热光信号的频率与激发光束的重复频率一致；所述的谐振放大器用于对高频率的热光信号进行选择放大；经过选择放大后的热光信号再经过锁相放大器进一步放大；所述的上位机用于收集并同步各部分采集的信号，监控第三激光器输出的光功率，控制第三激光器的输入波长，扫描输出一定波段内的激发光束，上位机通过数据采集和处理，最终得到待测微粒的光吸收特性谱。
本发明的有益效果体现在几个方面：传统的测量样品光吸收特性的方案需要一定体积的宏观样品，而本方案仅需要单个微米尺寸的样品即可进行测量；采用光学非接触式的方法，可在光阱中进行原位测量，实时动态地检测样品在不同温度、气压等条件下的光吸收特性，实时筛选出光吸收特性良好的微粒样品，测量精度高；采用高频脉冲激发光进行测量，响应速度快，测量时间短。
附图说明
图1为本发明装置的一种结构示意图；
图2为待测微粒的光吸收特性谱示意图；
图中，第一激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一分束镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第一汇聚透镜8、第二汇聚透镜9、待测微粒10、第二激光器11、第三准直透镜12、第四准直透镜13、第三激光器14、第五准直透镜15、第六准直透镜16、第二分束镜17、第四反射镜18、合束镜19、第三汇聚透镜20、滤光镜21、第四汇聚透镜22、第一探测器23、第二探测器24、锁相放大器25、谐振放大器26、上位机27。
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。
一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法，利用光阱稳定悬浮待测微粒，然后对捕获势阱中的待测微粒施加一束激发光束和一束探测光束，利用探测器收集经过微粒之后的探测光束；待测微粒吸收激发光束被瞬间加热，产生热透镜效应，对探测光束的折射发生变化，从而改变探测器上接收到的热光信号；根据热光信号的变化解算出待测微粒对激发光束的光吸收特性。
所述的热光信号的变化与待测微粒在特定激发光束波长下的热光系数成正比，在一定波段内改变激发光束的波长，重复测量过程，得到待测微粒在该波段内的光吸收特性谱。
所述的激发光束为红外波段的脉冲光，其脉冲宽度为纳秒量级，所述的波段涵盖近红外波段和中红外波段。光阱测量系统通常采用红外光（如波长为1064nm的光束）捕获微粒，在该波段内的激光光源稳定性较高，可提高系统的探测灵敏度。相应地，选用红外波段的激发光束，可以直接测量待测微粒对捕获光源的光吸收特性。当选择连续输出光作为激发光束时，热光信号的变化是逐渐的, 并且由于散热而达到热平衡状态，使热光信号趋于一个常数值；而选择脉冲光作为激发光束时，由于脉冲持续时间远远小于热光信号的衰减时长，可在瞬间就使热光信号到达最大值；此外脉冲状态工作可扣除一部分的背景噪声，提高探测灵敏度。所述的探测光束为稳定的单模连续输出可见光。可见光波长短，搭配对应的高数值孔径物镜，可显著提高系统的空间分辨率。
通过调节光路系统，使激发光束和探测光束共光路，一起聚焦到待测微粒上。当没有激发光束作用时，探测光束在探测器探测面上的光强分布为高斯分布；当激发光束作用时，待测微粒产生热膨胀，对探测光束的折射率发生变化，改变探测光束的传播方向，使其在探测器探测面上的光强分布发生明显变化。
所述的热光信号的变化
与待测微粒的光吸收特性相关，可表示为
其中，
为吸收截面，
为分子数密度，
为导热系数，
为热容，
为折射率，
为温度，
代表了热光系数，
为脉冲激发光束的光功率，
为探测光束的光功率。
一种利用光阱测量微粒光吸收特性的装置，包括捕获光阱模块、激发探测模块和控制模块；捕获光阱模块用来稳定捕获微粒，激发探测模块用来产生并探测热光信号，控制模块用来收集并处理热光信号，得到待测微粒的光吸收特性谱。
如图1所示，捕获光阱模块包括第一激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一分束镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第一汇聚透镜8、第二汇聚透镜9、待测微粒10。
所述的第一激光器1可采用1064nm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。捕获光束经过第一准直透镜2和第二准直透镜3的准直后，被分束比为50:50的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5、第二反射镜6和第一汇聚透镜8，光束B依次经过第三反射镜7和第二汇聚透镜9，两路光束对向汇聚在同一个焦点，形成双光束光阱。
所述的待测微粒10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，对红外波段的光吸收特性未知。
所述的激发探测模块包括第二激光器11、第三准直透镜12、第四准直透镜13、第三激光器14、第五准直透镜15、第六准直透镜16、第二分束镜17、第四反射镜18、合束镜19、第三汇聚透镜20、滤光镜21、第四汇聚透镜22、第一探测器23。
所述的第二激光器11可采用785nm单模激光器，出射稳定的单模连续输出可见光，作为探测光束；探测光束经过第三准直透镜12和第四准直透镜13的准直后入射到合束镜19。
所述的第三激光器14可采用可调谐量子级联激光器，出射红外波段的高频脉冲光，作为激发光束；激发光束经过第五准直透镜15和第六准直透镜16的准直后，先后经过第二分束镜17、第四反射镜18和合束镜19；第二分束镜17分束比为1:99，反射一小部分激发光束，作为监测光束。
合束镜19可选用对可见光具有高反射率同时对红外光具有高透过率的硅二向色镜，探测光束和激发光束在合束镜19合束后共光路，经第三汇聚透镜20汇聚到微粒10；之后共光路经过滤光镜21滤除激发光束，所述的滤光镜21对可见光具有高透过率，对红外光具有低透过率，用于滤除激发光束；探测光束经过第四汇聚透镜22汇聚后入射到第一探测器23。所述的第一探测器23可采用硅光电二极管，探测可见光，产生热光信号。
所述的控制模块包括第二探测器24、锁相放大器25、谐振放大器26、上位机27。
所述的第二探测器24可采用碲化汞镉（MCT）探测器，用于探测第二分束镜17反射的监测光束；第二探测器24将探测的信号接入锁相放大器25的相敏检测通道，用于监测第三激光器14的光功率；锁相放大器25将监测信号上传到上位机27。
热光信号的频率与激发光束的重复频率一致，可高达几百kHz；所述的谐振放大器26为高品质因数谐振放大器，用于对高频率的热光信号进行选择放大；经过选择放大后的热光信号再经过锁相放大器25进一步放大。
所述的上位机27的作用有三个：一是收集并同步各部分模块采集的信号，二是监控第三激光器14输出的光功率，三是控制第三激光器14的输入波长，扫描输出一定波段内的激发光束。上位机27通过数据采集和处理，最终得到待测微粒的光吸收特性谱，如图2所示。
应用实施例
如图1所示，打开第一激光器1形成双光束光阱，在常温常压下稳定捕获待测微粒10。打开第二激光器11，选择合适的光功率，此时在第一探测器23上观测到稳定的光功率信号。打开第三激光器14，选择初始波长λ1，入射激发光束加热待测微粒；此时在第一探测器23上获得突变的光功率信号，通过上位机采集数据处理后得到相应的热光信号S 1；依次选择波长λ2、λ3、λ4……λn、重复上述过程，依次获得相应的热光信号S 2、S 3、S 4……S n。画出热光信号相对于波长的变化曲线，即可得到待测微粒在该条件下的光吸收特性谱。
通过调节第一激光器1改变捕获光束的光功率，重复上述过程，即可得到待测微粒在不同光功率条件下的光吸收特性谱。增大光阱所在的环境真空度，重复上述过程，即可得到待测微粒在不同真空条件下的光吸收特性谱。根据待测微粒的光吸收特性谱，分析其吸收峰，可获取其可能掺杂的杂质信息，并据此进行实时筛选。
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 (9)
1.一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法，其特征在于：利用光阱稳定悬浮待测微粒，然后对捕获势阱中的待测微粒施加一束激发光束和一束探测光束，利用探测器收集经过微粒之后的探测光束；待测微粒吸收激发光束被瞬间加热，产生热透镜效应，对探测光束的折射发生变化，从而改变探测器上接收到的热光信号；根据热光信号的变化解算出待测微粒对激发光束的光吸收特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的热光信号的变化与待测微粒在特定激发光束波长下的热光系数成正比，在一定波段内改变激发光束的波长，重复测量过程，得到待测微粒在该波段内的光吸收特性谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激发光束为红外波段的脉冲光，脉冲宽度为纳秒量级，所述的红外波段涵盖近红外波段和中红外波段，所述的探测光束为稳定的单模连续输出可见光。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当没有激发光束作用时，探测光束在探测器探测面上的光强分布为高斯分布；当激发光束作用时，待测微粒产生热膨胀，对探测光束的折射率发生变化，改变探测光束的传播方向，使探测器探测面上的光强分布发生变化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的热光信号的变化
与待测微粒的光吸收特性相关，表示为
其中，
为吸收截面，
为分子数密度，
为导热系数，
为热容，
为折射率，
为温度，
代表了热光系数，
为脉冲激发光束的光功率，
为探测光束的光功率。
6.一种采用如权利要求1所述的方法测量微粒光吸收特性的装置，其特征在于：包括捕获光阱模块、激发探测模块和控制模块；捕获光阱模块用来稳定捕获微粒，激发探测模块用来产生并探测热光信号，控制模块用来收集并处理热光信号，得到待测微粒的光吸收特性谱。
7.根据权利要求6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）、第一准直透镜（2）、第二准直透镜（3）、第一分束镜（4）、第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第三反射镜（7）、第一汇聚透镜（8）、第二汇聚透镜（9）、待测微粒（10）；
所述的第一激光器（1）出射捕获激光，经过第一准直透镜（2）和第二准直透镜（3）的准直后，被第一分束镜（4）分成两路光束A和B；光束A依次经过第一反射镜（5）、第二反射镜（6）和第一汇聚透镜（8），光束B依次经过第三反射镜（7）和第二汇聚透镜（9），两路光束对向汇聚在同一个焦点，形成双光束光阱；
所述的待测微粒（10）是光学均匀介质微粒，微粒的尺寸为纳米到微米量级，可被双光束光阱捕获。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的激发探测模块包括第二激光器（11）、第三准直透镜（12）、第四准直透镜（13）、第三激光器（14）、第五准直透镜（15）、第六准直透镜（16）、第二分束镜（17）、第四反射镜（18）、合束镜（19）、第三汇聚透镜（20）、滤光镜（21）、第四汇聚透镜（22）、第一探测器（23）；
所述的第二激光器（11）出射稳定的单模连续输出可见光，作为探测光束；探测光束经过第三准直透镜（12）和第四准直透镜（13）的准直后入射到合束镜（19）；
所述的第三激光器（14）出射红外波段的高频脉冲光，作为激发光束；激发光束经过第五准直透镜（15）和第六准直透镜（16）的准直后，先后经过第二分束镜（17）、第四反射镜（18）和合束镜（19）；第二分束镜（17）将反射一小部分激发光束，作为监测光束；
探测光束和激发光束在合束镜（19）合束后共光路，经第三汇聚透镜（20）汇聚到微粒（10）；接着所述的滤光镜（21）用于滤除合束后共光路中的激发光束；探测光束经过第四汇聚透镜（22）汇聚后入射到第一探测器（23）；所述的第一探测器（23）为可见光探测器，产生热光信号。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的控制模块包括第二探测器（24）、锁相放大器（25）、谐振放大器（26）、上位机（27）；
所述的第二探测器（24）为红外光探测器，用于探测第二分束镜（17）反射的监测光束；第二探测器（24）将探测的信号接入锁相放大器（25）的相敏检测通道，用于监测第三激光器（14）的光功率；锁相放大器（25）将监测信号上传到上位机（27）；
热光信号的频率与激发光束的重复频率一致；所述的谐振放大器（26）用于对高频率的热光信号进行选择放大；经过选择放大后的热光信号再经过锁相放大器（25）进一步放大；
所述的上位机（27）用于收集并同步各部分采集的信号，监控第三激光器（14）输出的光功率，控制第三激光器（14）的输入波长，扫描输出一定波段内的激发光束，上位机（27）通过数据采集和处理，最终得到待测微粒的光吸收特性谱。
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