CN111855505B - 应用于真空光阱系统的微球团簇状态检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于真空光阱系统的微球团簇状态检测装置及检测方法。所述装置包括样品输入模块、光阱捕获模块、旋转探测分析模块。通过光阱模块捕获微粒时，理想情况是捕获单个微粒，但实际中经常捕获到多个微球团簇而成的非对称结构。当捕获到这种非对称结构的多微粒时，可利用圆偏光提供的自旋角动量使其在平衡点处实现旋转，从而改变捕获光的偏振状态，在功率谱上会出现表征其旋转的峰，通过旋转信号的分析可以对单球捕获的情况进行筛选。本发明在空气或真空等多种环境条件下，都能够对微球团簇状态进行检测，为稳定捕获单个微球提供重要的判断依据，规避反复捕获的情况，从而有效提高实验效率，具有重要的应用前景。

Description

应用于真空光阱系统的微球团簇状态检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及应用于光学工程领域的光阱测量装置，尤其是应用于真空光阱系统的微球团簇状态检测装置及检测方法。

背景技术

根据量子理论，光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子，当光子入射到介质表面发生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化，由动量守恒定律就可以推出，当光束入射微粒，光子的动量变化量就是微粒的动量变化量，所以光束对微粒存在力的作用，称为光辐射压，光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力，在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，即令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。

激光聚集可形成的光阱，令微小物体受光压而被束缚在光阱处，由于光阱使用无形的光束来实现对微粒非机械接触捕获，不会产生机械损伤，同时光阱的机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度，是“遥控”的操作，因而几乎不影响粒子的周围环境，由于光阱的非接触特性，其可以克服传统机械测量装置的机械摩擦的干扰，从而获得高的探测精度，然而，微纳粒子作为光阱的捕获介质，其形态与表面粗糙度决定了光阱测量装置的探测精度。

光阱测量装置可以用在很多领域，如极弱力测量、光阱加速度计（陈晶，胡慧珠，白剑，舒晓武，刘承.利用双光束悬浮光阱测量加速度的装置，CN101320049 A）。这种装置工作在真空环境中时，会极大的降低热噪声，获得更高的测量灵敏度，是近几年的研究热点。

一般情况下，光阱中捕获的百纳米尺寸的微粒都不是单球，而是由两个或更多微球组成的团簇，处在这种捕获状态的微粒在抽真空过程中很快就会脱离平衡位置逃逸出去，之后实验人员只能选择再次打开真空腔开始第二次捕获，使得实验的效率大大降低。

发明内容

本发明的目的是针对现有真空光阱实验效率不高的问题，提出了一种微球团簇状态的检测方式，通过检测光阱中微粒的旋转信号来筛选出捕获单球的情况。

一种应用于真空光阱系统的微球团簇状态检测装置，包括样品输入模块、光阱捕获模块、旋转探测模块；

所述的样品输入模块包含传输装置和待测微粒，用于存储待测微粒并传送至光阱捕获模块；

所述的光阱捕获模块用于将待测微粒稳定捕获在光阱平衡点处并使待测微粒旋转；

所述的旋转探测分析模块依次包括准直透镜L1、分束器BS、半波片、偏振分束器PBS、反射镜M1、平衡探测器、光谱分析仪；

旋转探测分析模块用于收集和处理受待测微粒旋转影响的捕获光，出射光束通过准直透镜并被分束器均分，一半的功率用于微粒的质心检测，另一半通过半波片入射到偏振分束器上，利用平衡光电探测器收集偏振分束前后两束光束，最终在光谱分析仪上得到对应微球旋转的信号，从而进一步判断捕获的微粒是否为单球。

所述的光阱捕获模块包括激光器、四分之一波片、物镜OBJ；激光器发出激光，即初始捕获光束为线偏振光，经过四分之一波片变为圆偏振光，进入高数值孔径物镜OBJ后形成高聚焦光阱实现对微粒的捕获和旋转。

所述的微粒输入模块包括传输装置和待测微粒，待测微粒位于于密闭或开放的空间中，空间内是液体、空气或真空，而传输装置根据不同环境进行相应设计，在液体环境中，通过一个微流通道将微粒传送至光阱捕获场中，在气体介质或真空中中，通过喷雾器、压电陶瓷震动微粒或者脉冲激光冲击将待测微球抛送至光阱场中。

所述的待测微粒为尺寸在100nm到10μm量级的光学均匀透明微粒，（满足在相应环境中被捕获光稳定捕获，）材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

所述的密闭或开放的空间是光学均匀空间，激光器发出的激光能均匀通过。

一种进行微球团簇状态的检测方法，利用圆偏光稳定捕获待测微粒并使其旋转，而微粒旋转进一步改变捕获光的偏振状态，在功率谱上出现表征其旋转的峰，通过旋转信号的分析对单球捕获的情况进行筛选。

本发明的有益效果，

利用圆偏振光对微粒进行捕获和旋转，提出了一种检测微球团簇状态的方法，从而筛选出单球捕获的情况，提高光阱的稳定捕获效率。

附图说明

图1是本发明装置的一个结构示意图；

图2是本发明装置实现的一个光路图。

具体实施方式

真空光阱系统相对于其他光机械体系具有超高位置探测灵敏度，因此在精密测量方面，利用真空光阱系统可以探测极弱的力、亚飞克级纳米颗粒的质量、微咖级的加速度。此外，在微观热力学、超高速转子、近距力学现象研究等方面也有广泛的应用。通常，光阱中捕获的百纳米尺寸的微粒都不是单球，检验是否捕获单球的唯一方法就是抽真空，处在捕获状态的微粒在抽真空过程中脱离平衡位置逃逸出去，则该微粒为多球团簇，之后实验人员只能选择再次打开真空腔开始第二次捕获，使得实验的效率大大降低。

参照图1，一种应用于真空光阱系统的微球团簇状态检测装置，包括三个模块：微粒输入模块、光阱捕获模块、旋转探测分析模块；

样品输入模块设有输入装置和微粒，将光路准直，使初始捕获光可以形成光阱平衡点。首先利用光阱捕获模块稳定捕获粒子并使其旋转，再打开测量装置，利用准直透镜和偏振分束器检测捕获光的变化，在光谱分析仪上得到对应的旋转信号。

参照图2，所述的光阱捕获模块包括激光器、四分之一波片、物镜OBJ；激光器发出激光，即初始捕获光束为线偏振光，经过四分之一波片变为圆偏振光，进入高数值孔径物镜OBJ后形成高聚焦光阱实现对微粒的捕获和旋转。

所述的旋转探测分析模块依次包括准直透镜L1、分束器BS，半波片，偏振分束器PBS，反射镜M1，平衡探测器，光谱分析仪。出射光束入射到平衡光电探测器上，在频谱仪上得到对应微球旋转的信号，根据旋转信号的宽窄进一步判断捕获的微粒是否为单球。

在进行微粒捕获前，先进行光路对准，打开激光器，观察经由PBS分束的两束光光斑大小和亮度是否一致，同时确保两束光的光斑在探测器感光面的中心，此时将微粒移动入光阱捕获区域，利用圆偏光提供的自旋角动量使其在平衡点处实现旋转，由于微粒与光场的相互作用，改变了捕获光的偏振状态，在功率谱上会出现表征其旋转的峰，此时通过旋转信号的分析可以对单球捕获的情况进行筛选。

所述的样品输入模块包括输入装置以及微粒，样品池内设有微粒存储装置，可以操控微粒在小范围内移动，令其可以进入光阱捕获装置，样品输入模块内可以是液体、空气或真空，在液体环境中，可以通过一个微流通道将微球传输至光阱捕获场中，而在气体介质或真空中，则可以使用喷雾器、压电陶瓷起振或脉冲光冲击将微粒抛至光阱区域。

实验时利用光阱捕获模块将进入光阱的微粒稳定捕获在光阱平衡点处，再打开旋转探测分析装置、利用平衡探测器和光谱分析仪对光场进行分析处理，从而获取微粒旋转的信息。

所述的微粒为尺寸在100nm到10μm量级的光学均匀透明微粒，满足在相应环境中被捕获光稳定捕获，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

所述的样品池是光学均匀介质，激光器发出的激光能均匀通过。

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，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种应用于真空光阱系统的微球团簇状态检测装置，其特征是，包括样品输入模块、光阱捕获模块、旋转探测模块；

所述的样品输入模块包含传输装置和待测微粒，用于存储待测微粒并传送至光阱捕获模块；

所述的光阱捕获模块用于将待测微粒稳定捕获在光阱平衡点处并使待测微粒旋转；

所述的旋转探测分析模块依次包括准直透镜L1、分束器BS、半波片、偏振分束器PBS、反射镜M1、平衡光电探测器、光谱分析仪；

旋转探测分析模块用于收集和处理受待测微粒旋转影响的捕获光，出射光束通过准直透镜并被分束器均分，一半的功率用于微粒的质心检测，另一半通过半波片入射到偏振分束器上，利用平衡光电探测器收集偏振分束前后两束光束，最终在光谱分析仪上得到对应微球旋转的信号，从而进一步判断捕获的微粒是否为单球。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的光阱捕获模块包括激光器、四分之一波片、物镜OBJ；激光器发出激光，即初始捕获光束为线偏振光，经过四分之一波片变为圆偏振光，进入高数值孔径物镜OBJ后形成高聚焦光阱实现对微粒的捕获和旋转。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的待测微粒位于密闭或开放的空间中，空间内是液体、空气或真空，而传输装置根据不同环境进行相应设计，在液体环境中，通过一个微流通道将微粒传送至光阱捕获场中，在气体介质或真空中，通过喷雾器、压电陶瓷震动微粒或者脉冲激光冲击将待测微球抛送至光阱场中。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的待测微粒为尺寸在100nm到10μm量级的光学均匀透明微粒，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的密闭或开放的空间是光学均匀空间，激光器发出的激光能均匀通过。

6.一种采用根据权利要求1所述的装置进行微球团簇状态的检测方法，其特征是，利用圆偏光稳定捕获待测微粒并使其旋转，而微粒旋转进一步改变捕获光的偏振状态，在功率谱上出现表征其旋转的峰，通过旋转信号的分析对单球捕获的情况进行筛选。

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