CN112485163A - 一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法。光源出射的光经分束器分为两束捕获光，一束捕获光经透镜聚焦作为探测光，另一束捕获光经过光功率调制器、光束方向调节模块后再被透镜聚焦参与捕获，捕获同时用以反馈冷却捕获的微粒；微粒位移探测模块接收通过光阱后的捕获光，提取位移信息并发送给信号处理模块，信号处理模块接收分析后通过光束方向调节模块和光功率调制器调节，使微粒回到平衡位置，抑制微粒的运动，达到冷却微粒的目的。本发明首次提出利用单台激光器实现大尺寸微粒的捕获、探测、冷却的方法，大大简化了双光束光阱中冷却微粒的光路结构，避免了复杂结构对探测带来的额外噪声影响，缩减了系统体积，具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光镊中反馈冷却微粒的装置及方法，尤其是涉及了一种应用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法。
背景技术
1971年，美国物理学家Ashkin等人使用一个透镜弱聚焦一束竖直向上照射的激光，首次用光学方法稳定悬浮直径20um的玻璃微粒。1986年，他又发现将单束激光强聚焦后，不依赖重力也可以将微粒稳定捕获，这种技术被命名为光镊(optical tweezers)。2018年，Ashkin因发明光镊技术荣获诺贝尔物理学奖。光镊的原理是强聚焦激光光束对介质微粒产生了一个始终指向焦点的作用力，其大小与电场梯度成正比，故称为梯度力，该力使得介质微粒被三维囚禁在焦点附近。光镊提供了一种可控制和测量微米至亚微米尺度物体特性的非接触、无损的和高空间时间分辨率的优良手段，在生物学、高灵敏度传感和量子物理等方面有着广泛的应用和诱人的前景。
Ashkin在首次实现真空中微粒悬浮时就曾经预言：“如果(空气的)粘滞阻尼进一步减小，(真空光镊)将有可能用于实现陀螺仪和加速度计等惯性传感器。”近年来，人们已经发现，若使捕获的介质微粒处在真空环境中，即隔绝外部热力学噪声的影响，将带来远超过目前常规手段的测量精度。例如，耶鲁大学的David Moorex小组，在2017年已经实现了ng级的加速度测量灵敏度，比目前室温下机械力学传感器可达到的探测灵敏度高3个数量级。真空光镊在精密力学量测量和高性能惯性传感器等方面已展现出重要应用价值。
理论与实验均表明，对于空气中直径超过1um的二氧化硅微粒，激光在功率100mW和聚焦数值孔径0.5条件下，在焦点附近光对微粒作用合力并不指向焦点，而是沿着光传输方向。要形成指向焦点的作用力需要增大数值孔径。然而高数值孔径需要多片透镜组合以抑制随物方孔径角增大而增大的像差或(和)油浸介质环境，显著增加了光镊系统的体积与成本，并且油浸不适用空气或真空光镊应用。因此聚焦数值孔径的增加受到限制。综合来说，在空气和真空环境中仅使用单束强聚焦光束而不依赖重力等其他因素无法稳定捕获直径超过1um微粒。另一方面，加速度测量系统中，能探测到的最小加速度值与微粒的尺寸正相关，因此更高灵敏度的加速度测量需要各大尺寸的微粒。
两束强聚焦光束对射以捕获直径超过1um微粒是一种可行的光路替代方案，即双光束光阱结构。该方案中要求两光束聚焦焦点重合，两光束光轴重合，重合程度直接影响微粒的被捕获稳定性。由于激光器等器件很难兼容真空，一般会有部分光学元件放置在真空腔外。大多数基于光阱的探测传感系统都首先依赖于对光阱中微粒的位移探测，再通过微粒的位移信息提取出想要探测的物理量。但由于光阱中的被捕获的微粒会做无规则热运动，而当需要探测的物理量导致微粒的位移与微粒无规则热运动的位移幅度相近时，微粒探测系统就无法分辨微粒热运动的导致的微粒位移与所测物理量导致的微粒位移。因此微粒无规则热运动的幅度，即微粒的质心温度，限制了探测系统所能测量的物理量精度。
对微粒进行反馈冷却是一种抑制微粒热运动的有效方法。但要实施微粒反馈冷却会增加系统的复杂度。若实施反馈冷却所增加的元器件太多，会增大系统的体积，加大系统调制复杂度，同时也容易给探测带来额外的噪声及干扰。
因此研究一种结构简单，功能完善的双光束光阱中反馈冷却微粒的装置与方法对双光束光阱探测系统的探测精度、系统复杂等具有重要意义。
发明内容
针对目前双光束光阱探测系统中，反馈冷却微粒的系统一般需要额外施加反馈冷却光，光路结构复杂度高，系统体积大和需要考虑的噪声源多的现状，本发明提出了一种双光束光阱中结构简单的反馈冷却微粒的装置及方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一、一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置：
包括第一透镜、第二透镜、第一分光镜、第二分光镜、光束方向调节模块、光功率调制器、反射镜、光源和真空腔；第一透镜、第二透镜和微粒位于真空腔内，光源发出光束经第二分光镜发生反射和透射，第二分光镜的反射光束经反射镜反射到真空腔中，经第一透镜汇聚形成光阱捕获及探测光；第二分光镜的透射光束依次经光功率调制器、光束方向调节模块后入射到第一分光镜，通过第一分光镜反射后再经第二透镜汇聚形成光阱捕获及反馈冷却光；光阱捕获及探测光和光阱捕获及反馈冷却光从微粒的对称两侧照射到微粒上形成光阱；光阱捕获及探测光经过微粒光束透过第二透镜后，再经第一分光镜透射被位移探测模块接收。
还包括信号处理模块，所述的光束方向调节模块、光功率调制器、位移探测模块均电连接到信号处理模块。
所述的位移探测模块位于分光镜后方，接收光阱捕获及探测光的光束，信号处理模块与位移探测模块相连，并控制光束方向调节模块与光功率调节模块。
所述的光阱捕获及探测光与光阱捕获及反馈冷却光具有同一光轴方向，包括但不限于水平方向，光阱捕获及探测光与光阱捕获及反馈冷却光焦点重合且位于真空腔内。
所述的微粒形状包括但不限于球状、棒状和哑铃状。所述的微粒在空间三个维度上的尺寸在100纳米至100微米之间，被双光束光阱所捕获。
所述的光源包括但不限于激光光源，使得光阱捕获及探测光和光阱捕获及反馈冷却光包括但不限于激光。
所述第一透镜、第二透镜包括但不限于球面透镜、消球差透镜和非球面透镜，材料包括但不限于熔融二氧化硅玻璃。
所述第一分光镜、第二分光镜包括但不限于分光镜和偏振分光镜。
所述光束方向调节模块是指能调节入射光方向的模块，包括但不限于振镜、电控调节反射镜。
所述光功率调节模块包括但不限于声光调制器、电光调制器。
所述的位移探测模块探测手段包括不限于D型镜分光探测法，四象限探测器探测法。
二、一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的方法，方法包括以下步骤：
步骤1)：通过位移探测模块接收光阱捕获及探测光的光束信号，从光束信号中提取微粒在三维上的位移信息，并传输给信号处理模块；
步骤2)：信号处理模块接收位移探测模块传输过来的信号，根据微粒偏离平衡位置的幅度与方向，平衡位置是指光阱的中心调节光束方向调节模块与光功率调节模块，使微粒回到平衡位置；
步骤3)：不断重复步骤1)、2)，抑制微粒的运动，使微粒一直保持在平衡位置，实现反馈冷却微粒。
所述步骤2)具体为：
当信号处理模块根据信号获得微粒在垂直于光轴平面内偏离平衡位置时，调节光束方向调节模块，改变光阱捕获及反馈冷却光的光束方向，调节光阱位置，使微粒回到原平衡位置。
当信号处理模块根据信号获得微粒在沿光轴方向上偏离平衡位置时，调节光功率调节模块，改变光阱捕获及反馈冷却光的光束功率，使微粒回到原平衡位置。
本发明在步骤2)中只调节构成双光束光阱的其中一束光就能实现微粒的反馈冷却，而不需要引入额外的反馈冷却光，从而简化了系统结构，减小了整体系统体积。
本发明的光源出射的光经分束器分为两束光，分别作为双光束光阱中的两束捕获光。其中一束捕获光直接通过透镜聚焦并在后续光路中作为探测光，另一束捕获光经过光功率调制器、光束方向调节模块后再被透镜聚焦参与捕获，并在捕获的同时用以反馈冷却捕获的微粒。
上述装置中，除两透镜在真空腔内，其他均在真空腔外。微粒位移探测模块接收通过光阱后的捕获光，从接收到的光场信息中提取出微粒在光阱中的位移信息，再将位移信息传输到信号处理模块。信号处理模块分析接收到的位移信号，当微粒在垂直光轴平面内发生偏离平衡位置的位移时，信号处理模块通过光束方向调节模块反馈调节对应捕获光的方向，使微粒回到平衡位置；当微粒在光轴方向发生偏离平衡位置的位移时，信号处理模块通过光功率调制器反馈调节对应捕获光的功率，使微粒回到平衡位置。通过上述方法抑制微粒的运动，达到冷却微粒的目的。
本发明的有益效果是：
本发明提出的装置及方法，只通过调节构成双光束光阱的其中一束光就实现微粒的反馈冷却，而无需引入额外的反馈冷却光，大大简化了反馈冷却系统的结构，减小了系统体积，降低了系统调节复杂度，减少了系统的误差来源，简单却很有效。
本发明首次提出利用单台激光器实现大尺寸微粒的捕获、探测、冷却的方法，大大简化了双光束光阱中冷却微粒的光路结构，避免了复杂结构对探测带来的额外噪声影响，缩减了系统体积，具有实际应用价值。
因此本发明具有实际应用价值，能降低整个双光束光阱系统的复杂度、体积、噪声来源及调试难度。
附图说明
图1为本装置的元件结构示意图；
图2为实施例一中步骤1)的元件结构示意图；
图3为实施例一中步骤2)的元件结构示意图；
图4为实施例二中步骤1)的元件结构示意图；
图5为实施例二中步骤2)的元件结构示意图。
图1-5中，1、光阱捕获及探测光，2、光阱捕获及反馈冷却光，3、第一透镜，4、第二透镜，5、第一分光镜，6、光束方向调节模块，7、光功率调制器，8、微粒，9、位移探测模块，10、信号处理模块，11、第二分光镜，12、反射镜，13、光源，14、真空腔。图1-5中各元件尺寸并不代表元件实物尺寸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，装置包括第一透镜3、第二透镜4、第一分光镜5、第二分光镜11、光束方向调节模块6、光功率调制器7、微粒8、反射镜12、光源13和真空腔14；第一透镜3、第二透镜4和微粒8位于真空腔14内，除第一透镜3、第二透镜4和微粒8以外的其余元件均位于真空腔14外；光源13发出光束经第二分光镜11发生反射和透射，第二分光镜11的反射光束经反射镜12反射到真空腔14中，经第一透镜3汇聚形成光阱捕获及探测光1；第二分光镜11的透射光束依次经光功率调制器7、光束方向调节模块6后入射到第一分光镜5，通过第一分光镜5反射后再经第二透镜4汇聚形成光阱捕获及反馈冷却光2；光阱捕获及探测光1和光阱捕获及反馈冷却光2从微粒8的对称两侧照射到微粒8上形成光阱；光阱捕获及探测光1和光阱捕获及反馈冷却光2从微粒8的对称两侧平行同轴布置形成光阱；光阱捕获及探测光1经过微粒8光束透过第二透镜4后，再经第一分光镜5透射被位移探测模块9接收，光阱捕获及探测光1光束直径会大于微粒8直径，光阱捕获及探测光1光束会透过微粒8也会绕过微粒8。
光阱捕获及探测光1与光阱捕获及反馈冷却光2具有同一光轴方向，包括但不限于水平方向，光阱捕获及探测光1与光阱捕获及反馈冷却光2焦点重合且位于真空腔内。
具体实施中还包括信号处理模块10，光束方向调节模块6、光功率调制器7、位移探测模块9均电连接到信号处理模块10。
位移探测模块9位于分光镜5后方，接收光阱捕获及探测光1的光束，信号处理模块10与位移探测模块9相连，并控制光束方向调节模块6与光功率调节模块7。
实施例1：
步骤1)：
如图2所示，微粒由于无规则热运动在垂直光轴方向偏离平衡位置，此时光阱捕获及探测光由于微粒的偏离，透过光阱后的光场较微粒位于平衡位置时发生改变。微粒探测模块接收光阱捕获及探测光，根据接收到的光场改变解调出微粒的位移信号，并传输给信号处理模块。根据理论及实验经验，微粒在垂直光轴方向上由于热运动偏离平衡位置的位移标准差在十纳米到百纳米之间。
步骤2)：
如图3所示，信号处理模块接收位移探测模块上传的微粒位移信号，立即通过光束方向调节模块改变光阱捕获及反馈冷却光的传播方向。当微粒在垂直于光轴方向发生偏移时，要使微粒回到原平衡位置，光阱捕获及反馈冷却光焦点应相反与朝微粒偏移方向的方向移动。
步骤3)：
通过光束方向调节模块使微粒回到平衡位置后，位移探测模块持续监控微粒在各个方向上的距离平衡位置的偏移。当再次探测到微粒的偏离时，则重复步骤1)，2)，假设位移探测模块能探测到的微粒最小位移为0.1nm，因此该装置及方法能够将微粒在垂直于光轴方向上偏离平衡位置的位移标准差控制在<[Δx(t)]>＝0.1nm。假设捕获的微粒为直径d＝10um的微粒，密度2560Kg/m3则其质量m为：
其中，m表示微粒的质量，r表示微粒的半径，ρ表示微粒的密度。
计算得m＝1.34×10-12Kg。由于微粒在光阱中所受的光阱力在一定运动范围内与位移量成正比关系，定义该比值为光阱的刚度κ。假设微粒在双光束光阱中的谐振频率为f＝10KHz，根据谐振公式：
其中，f表示光阱谐振频率，κ表示光阱刚度，m表示微粒质量。
计算得双光束光阱的刚度κ＝5.29×10-7Kg·s-2。由于微粒可以视为处于光阱构成的简谐势阱中，其质心温度满足公式：
其中，＜[Δx(t)]2＞表示微粒位移平方差，t表示时间，kB表示玻尔兹曼常数，T表示微粒质心温度，κ表示光阱刚度。
计算得T≈0.4mK。综上所述，上述结构下本发明能够在垂直于光轴方向上将微粒的质心温度从室温(约300K)冷却到0.4mK温度，由此可见，本发明在垂直于光轴方向上能有效抑制微粒的无规则热运动运动。
实施例2：
步骤1)：
如图4所示，微粒由于无规则热运动在沿光轴方向偏离平衡位置，此时光阱捕获及探测光由于微粒的偏离，透过光阱后的光场较微粒位于平衡位置时发生改变。微粒探测模块接收光阱捕获及探测光，根据接收到的光场改变解调出微粒的位移信号，并传输给信号处理模块。根据理论及实验经验，微粒在沿光轴方向上由于热运动偏离平衡位置的位移标准差在十纳米到数微米之间。
步骤2)：
如图5所示，信号处理模块接收位移探测模块上传的微粒位移信号，立即通过光功率调制器调节光阱捕获及反馈冷却光的光功率，使微粒回到原平衡位置。当微粒在沿光轴方向上以光阱捕获及反馈冷却光的传输方向偏离平衡位置时，因降低光阱捕获及反馈冷却光的光功率，反之则因增大光阱捕获及反馈冷却光的光功率。
步骤3)：
通过光束方向调节模块使微粒回到平衡位置后，位移探测模块持续监控微粒在各个方向上的距离平衡位置的偏移。当再次探测到微粒的偏离时，则重复步骤1)，2)，假设位移探测模块能探测到的微粒最小位移为0.1nm，因此能够将微粒偏离平衡位置的位移标准差控制在<[Δx(t)]>＝0.1nm。假设捕获的微粒为直径d＝10um的微粒，密度2560Kg/m3则其质量m为：
其中，m表示微粒的质量，r表示微粒的半径，ρ表示微粒的密度。
计算得m＝1.34×10-12Kg。由于微粒在光阱中所受的光阱力在一定运动范围内与位移量成正比关系，定义该比值为光阱的刚度κ。假设微粒在双光束光阱中的谐振频率为f＝10KHz，根据谐振公式：
其中，f表示光阱谐振频率，κ表示光阱刚度，m表示微粒质量。
计算得双光束光阱的刚度κ＝5.29×10-7Kg·s-2。由于微粒可以视为处于光阱构成的简谐势阱中，其质心温度满足公式：
其中，＜[Δx(t)]2＞表示微粒位移平方差，t表示时间，kB表示玻尔兹曼常数，T表示微粒质心温度，κ表示光阱刚度。
计算得T≈0.4mK。综上所述，上述结构下本发明能够在沿光轴方向上将微粒的质心温度从室温(约300K)冷却到0.4mK温度，由此可见，本发明在沿光轴方向上能有效抑制微粒的无规则热运动运动。
综上，本发明的装置及方法，能抑制双光束光阱中微粒的无规则热运动，提高了系统测量精度；通过只调节已有光阱捕获光的方式实现反馈冷却，降低了反馈冷却系统的复杂度。因此本发明具有实际应用价值，能有效简化双光束光阱探测系统，减小系统体积，降低系统调试难度。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置，其特征在于：
包括第一透镜(3)、第二透镜(4)、第一分光镜(5)、第二分光镜(11)、光束方向调节模块(6)、光功率调制器(7)、反射镜(12)、光源(13)和真空腔(14)；第一透镜(3)、第二透镜(4)和微粒(8)位于真空腔(14)内，光源(13)发出光束经第二分光镜(11)发生反射和透射，第二分光镜(11)的反射光束经反射镜(12)反射到真空腔(14)中，经第一透镜(3)汇聚形成光阱捕获及探测光(1)；第二分光镜(11)的透射光束依次经光功率调制器(7)、光束方向调节模块(6)后入射到第一分光镜(5)，通过第一分光镜(5)反射后再经第二透镜(4)汇聚形成光阱捕获及反馈冷却光(2)；光阱捕获及探测光(1)和光阱捕获及反馈冷却光(2)从微粒(8)的对称两侧照射到微粒(8)上形成光阱；光阱捕获及探测光(1)经过微粒(8)光束透过第二透镜(4)后，再经第一分光镜(5)透射被位移探测模块(9)接收。
2.根据权利要求1所述的一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置，其特征在于：还包括信号处理模块(10)，所述的光束方向调节模块(6)、光功率调制器(7)、位移探测模块(9)均电连接到信号处理模块(10)。
3.根据权利要求1所述的一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置，其特征在于：所述的位移探测模块(9)位于分光镜(5)后方，接收光阱捕获及探测光(1)的光束，信号处理模块(10)与位移探测模块(9)相连，并控制光束方向调节模块(6)与光功率调节模块(7)。
4.根据权利要求1所述的一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置，其特征在于：所述的光阱捕获及探测光(1)与光阱捕获及反馈冷却光(2)具有同一光轴方向，光阱捕获及探测光(1)与光阱捕获及反馈冷却光(2)焦点重合且位于真空腔内。
5.根据权利要求1所述的一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置，其特征在于：所述的微粒(8)形状包括但不限于球状、棒状和哑铃状。
6.根据权利要求1所述的一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置，其特征在于：所述的光源(13)包括但不限于激光光源。
7.应用于权利要求1-6任一所述的一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的方法，其特征在于方法包括以下步骤：
步骤1)：通过位移探测模块(9)接收光阱捕获及探测光(1)的光束信号，从光束信号中提取微粒(8)在三维上的位移信息，并传输给信号处理模块(10)；
步骤2)：信号处理模块(10)接收位移探测模块(9)传输过来的信号，根据微粒(8)偏离平衡位置的幅度与方向，调节光束方向调节模块(6)与光功率调节模块(7)，使微粒(8)回到平衡位置；
步骤3)：不断重复步骤1)、2)，抑制微粒(8)的运动，使微粒(8)一直保持在平衡位置，实现反馈冷却微粒。
8.根据权利要求7所述的一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：
当信号处理模块(6)根据信号获得微粒(8)在垂直于光轴平面内偏离平衡位置时，调节光束方向调节模块(6)，改变光阱捕获及反馈冷却光(2)的光束方向，调节光阱位置，使微粒(8)回到原平衡位置。
当信号处理模块(6)根据信号获得微粒(8)在沿光轴方向上偏离平衡位置时，调节光功率调节模块(7)，改变光阱捕获及反馈冷却光(2)的光束功率，使微粒(8)回到原平衡位置。
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