CN112466506B - 一种真空光阱起支方法及装置与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空光阱起支方法及装置与应用。利用脉冲激光使微粒脱离基板；目标微粒进入离子阱中先被捕获，并在离子阱中不断减速至光阱可捕获的速度并且位移至光阱的有效捕获范围内时，打开光阱，使目标微粒同时被光阱和离子阱捕获，之后关闭并挪走离子阱，或利用离子阱进一步冷却目标微粒的质心运动。光阱起支装置，包括基板、脉冲激光器、离子阱、光阱、控制装置，基板表面放置目标微粒，脉冲激光器位于基板的下方，离子阱位于基板的上方，离子阱与光阱的稳定捕获点重合，控制装置通过时序控制脉冲激光器、离子阱和光阱的开启时间。本发明解决了常压起支带来的问题，也可将光阱技术拓展应用到外太空等真空环境。

Description

一种真空光阱起支方法及装置与应用
技术领域
本发明涉及一种真空光阱起支方法及装置与应用。
背景技术
在惯性传感仪器中，敏感单元的初始悬浮称为起支，例如在静电悬浮加速度计中，对作为定子的质量块进行悬浮控制之后才能进行惯性测量。起支技术是悬浮式传感仪器的一项实用化关键技术。
空气或真空环境下微粒的快速起抛和捕获一直是光阱领域的一个技术难点。常用的方案有两种，分别是振动脱附法和喷雾悬浮法。前者通过压电陶瓷高频振动使干粉状的微粒脱离基板表面；后者则将微粒的悬浮液雾化，使包裹着微粒的小液滴飘散到自由空间中。这两种方案适用于不同的应用场景：由于微粒受到的粘附力与其直径的平方成反比，微粒尺寸越小，振动脱附法对压电装置的驱动能力要求越高，该方案仅适用于微米尺寸的微粒；对于尺寸更小的纳米粒子，喷雾悬浮法多采用挥发性较强的溶液（如丙醇），这样液滴里的溶液成分可以被快速挥发而不影响微粒的捕获。
此前，我们也提出了一种基于脉冲激光的精确控制微球进行光悬浮的方法及装置（CN106935307A），但单纯利用脉冲激光难以使微粒在真空环境下起支微粒。
起支技术在实施过程中，微粒离开载体表面后有一定的初速度，需要额外的耗散机制才能实现稳定捕获；由于光阱力中形成势阱的梯度力为保守力，如果不利用外界阻尼力降低微粒的起支速度，微粒无法被光阱稳定捕获。现有的起支方案均利用了空气阻尼降低微粒的起支速度，因此只能在常压下实施，且在微粒被捕获后将实验气压抽至真空。此外，在抽真空过程，如果不施加辅助的冷却手段，微粒将因气流、振动、吸热等因素从光阱中逃逸。
现有的光阱起支方案均无法在高真空环境下直接实现微粒的稳定捕获，无法兼容真空光阱系统，此外，常压下捕获后再抽真空的操作过程也增加了真空光阱实验的时长，增大了操作的复杂性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种真空光阱起支方法及装置与应用。
一种真空光阱起支方法，在真空或者非真空环境下，利用脉冲激光使微粒脱离基板；目标微粒进入离子阱中先被捕获，并在离子阱中不断减速至光阱可捕获的速度并且位移至光阱的有效捕获范围内时，打开光阱，使目标微粒同时被光阱和离子阱捕获，之后关闭并挪走离子阱，或利用离子阱进一步冷却目标微粒的质心运动。
所述的离子阱与光阱的稳定捕获点重合。
所述的离子阱的位置可移动。
一种采用所述的方法的光阱起支装置，包括基板、脉冲激光器、离子阱、光阱、控制装置，基板表面放置一个或多个目标微粒，脉冲激光器位于基板的下方，离子阱位于基板的上方，离子阱与光阱的稳定捕获点重合，控制装置通过时序控制脉冲激光器、离子阱和光阱的开启时间。
所述的离子阱安装在电机装置上，控制装置控制离子阱的移动。
一种根据所述的装置的应用方法，
目标微粒选用直径为150nm的二氧化硅微球，真空度范围为10-2-10-6mbar，脉冲激光选用波长为532nm，脉冲宽度为1-10ns，单个脉冲能量为0.1mJ-5mJ的Nd:YAG激光器，离子阱采用保罗阱，采用线性离子阱结构，光阱由1064nm波长激光器出射的聚焦光束形成；
1）控制装置通过精密步进电机控制离子阱的位置，使其稳定捕获中心与光阱的稳定捕获中心重合；
2）在t=0时刻，打开脉冲激光器，出射脉冲宽度为τ的脉冲光，目标微粒在脉冲光的作用下脱离基板；
3）目标微粒经过时间t1后进入到离子阱的有效捕获区域，打开离子阱，捕获目标微粒并减速其运动；
4）目标微粒再经过时间t2后进入光阱的有效捕获区域，打开光阱关闭离子阱，光阱捕获微粒；
5）通过精密步进电机挪走离子阱装置，或者利用离子阱进一步冷却微粒的质心运动。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种可以在真空环境下实现光阱起支微粒的方案，解决常压起支带来的问题。本发明也可将光阱技术拓展应用到外太空等真空环境。
附图说明
图1为本发明真空光阱起支装置的一种结构示意图；
其中，基板1、脉冲激光器2、离子阱3、光阱4、控制装置5。
图2为本发明应用实施例的一种时序图。
具体实施方式
首先阐述本发明的方法和设计原理。
在真空环境下，利用脉冲激光使微粒脱离基板；微粒进入离子阱中被捕获，并在离子阱中不断减速；当微粒运动范围在光阱的有效捕获范围内时，打开光阱，使微粒被光阱捕获。微粒被光阱捕获后，可关闭并挪走离子阱，也可利用离子阱进一步冷却微粒的质心运动。
在真空环境下，空气阻尼太小，脱离基板后的微粒具有一定的初速度，很容易脱离光阱的有效捕获区域，因此利用离子阱先捕获微粒，并降低微粒的运动速度，缩小微粒的运动范围。
在真空环境下，离子阱的有效捕获区域远大于光阱，其尺度一般是百微米量级或mm量级。
使离子阱与光阱的稳定捕获点重合，经过一段时间的减速后，离子阱中的微粒的运动范围可以位于光阱的有效捕获范围之内。此时打开光阱，可以直接对悬浮在离子阱中的微粒进行捕获。
另外，显然对于本领域技术人员来说，本发明也可以适用非真空环境。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
装置实施例
如图1所示，真空光阱起支装置包括基板1、脉冲激光器2、离子阱3、光阱4、控制装置5。基板1表面放置一个或多个目标微粒。基板1下方的脉冲激光器2出射脉冲激光，使微粒脱离基板1，向上进入到离子阱3的有效捕获区域内。离子阱3与光阱4的稳定捕获点重合。离子阱3可以安装在电机装置上，其位置可精确移动。控制装置5可以通过时序控制脉冲激光器2、离子阱3和光阱4的开启时间，同时可以发生电机装置的信号，控制离子阱3的移动。
应用实施例
本应用实施例的真空度范围为10-2-10-6mbar。
目标微粒选用直径为150nm的二氧化硅微球。基板材料可选用镀了金膜的二氧化硅玻璃片。
脉冲激光选用波长为532nm，脉冲宽度为1-10ns，单个脉冲能量为0.1mJ-5mJ的Nd:YAG激光器。离子阱可以采用保罗阱，采用线性离子阱结构，具体结构可参照文献【李海霞.对分段线型离子阱及库仑晶体中离子宏运动的研究[D]. 中国科学院大学 (中国科学院武汉物理与数学研究所), 2019.】，其有效捕获区域的尺寸在毫米量级。脱离基板后的微粒不容易从离子阱的有效捕获区域中逃逸。离子阱整体与精密步进电机固定。
光阱可由1064nm波长激光器出射的聚焦光束形成，其有效捕获区域的尺寸在微米量级。控制装置包括上位机，通过通讯接口控制精密步进电机，同时通过通讯接口控制脉冲激光器、离子阱和光阱的时序开关。
如图2所示，操作步骤如下：
1）控制装置通过精密步进电机控制离子阱的位置，使其稳定捕获中心与光阱的稳定捕获中心重合。
2）在t=0时刻，打开脉冲激光器，出射脉冲宽度为τ的脉冲光，微粒在脉冲光的作用下脱离基板；
3）微粒经过时间t1后进入到离子阱的有效捕获区域，打开离子阱，捕获微粒并减速其运动；
4）微粒再经过时间t2后进入光阱的有效捕获区域，打开光阱关闭离子阱，光阱捕获微粒；
5）通过精密步进电机挪走离子阱装置，或者利用离子阱进一步冷却微粒的质心运动，进行后续的真空光阱实验。
上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
比如：1）根据捕获光路的不同，形成的光阱可以是单光束光阱，也可以是双光束光阱。
2）目标微粒是已知尺寸、密度和散射特性的光学均匀介质微粒，尺寸为纳米到微米量级。
3）光阱和离子阱所在环境可以为空气或真空；即本发明方法和装置也可用于常压下的微粒光悬浮。
4）离子阱不限定为案例中提及的保罗阱，也可以是其他类型的离子阱；其结构也不限定为线性离子阱结构，也可以是其他类型的结构。
所述的各技术特征可以进行组合，为使描述简洁，未对各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种光阱起支方法，其特征在于，在真空或者非真空环境下，利用脉冲激光使微粒脱离基板；目标微粒进入离子阱中先被捕获，并在离子阱中不断减速至光阱可捕获的速度并且位移至光阱的有效捕获范围内时，打开光阱，使目标微粒同时被光阱和离子阱捕获，之后关闭并挪走离子阱，或利用离子阱进一步冷却目标微粒的质心运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离子阱与光阱的稳定捕获点重合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离子阱的位置可移动。
4.一种采用根据权利要求1所述的方法的光阱起支装置，其特征在于，包括基板、脉冲激光器、离子阱、光阱、控制装置，基板表面放置一个或多个目标微粒，脉冲激光器位于基板的下方，离子阱位于基板的上方，离子阱与光阱的稳定捕获点重合，控制装置通过时序控制脉冲激光器、离子阱和光阱的开启时间。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的离子阱安装在电机装置上，控制装置控制离子阱的移动。
6.一种根据权利要求4所述的装置的应用方法，其特征在于，
目标微粒选用直径为150nm的二氧化硅微球，真空度范围为10-2-10-6mbar，脉冲激光选用波长为532nm，脉冲宽度为1-10ns，单个脉冲能量为0.1mJ-5mJ的Nd:YAG激光器，离子阱采用保罗阱，采用线性离子阱结构，光阱由1064nm波长激光器出射的聚焦光束形成；
1）控制装置通过精密步进电机控制离子阱的位置，使其稳定捕获中心与光阱的稳定捕获中心重合；
2）在t=0时刻，打开脉冲激光器，出射脉冲宽度为τ的脉冲光，目标微粒在脉冲光的作用下脱离基板；
3）目标微粒经过时间t1后进入到离子阱的有效捕获区域，打开离子阱，捕获目标微粒并减速其运动；
4）目标微粒再经过时间t2后进入光阱的有效捕获区域，打开光阱关闭离子阱，光阱捕获微粒；
5）通过精密步进电机挪走离子阱装置，或者利用离子阱进一步冷却微粒的质心运动。
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