CN112863728B - 一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法，利用紧聚焦光阱的偏振依赖特性，提出通过一维的电场标定装置实现对微粒的三轴电场力标定。本发明的方法使得微粒电场力标定系统与微粒投送、微粒检测系统兼容；简化了装置的复杂度，减弱标定复杂度。

Description

一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法
技术领域
本发明涉及传感标定领域，具体涉及一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法。
背景技术
光镊技术自上世纪七十年代由阿瑟·阿什金开创以来，作为捕获和操纵中性粒子的通用工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。光镊技术通过激光束悬浮微粒可以简谐振子模型理解，相比传统的振子模型，光镊技术无接触机械耗散；进一步地，与液体或空气介质中的光镊系统不同，在真空中运作的光镊系统可实现悬浮单元与环境的完全隔离。基于上述优势，真空光镊技术在基础物理学如热力学、量子物理和传感领域应用物理学领域科学家对真空光镊开展了大量研究。
基于真空光阱技术的精密传感的基础物理研究，往往需要建立微粒光电信号与微粒的实际运动信息（位移量）的对应关系，也即建立光电压信号与微粒位移的转换关系,这种关系的建立往往需要精确的动力学模型实现。常用的标定方法有两种：（1）根据微球在光阱中的热平衡运动位置进行标定；（2）利用微球易带电的特点，通过对微球施加电场进行电场力标定。
热平衡位置标定利用真空光捕获小球在热平衡时的能力均分定理，运动状态的统计性质来实现光镊的校准。由于高真空下热平衡校准困难，现在热平衡校准标定往往是在1mbar以上的真空度进行的，其标定结果应用于高真空度时可能引入误差。电场力标定方法也可以不受真空度的影响进行标定校准，但是现有的对微粒三轴运动信号标定的技术是在微球周围的六个截面加载电极板实现，这样构成的三维电场装置导致微粒投送、光学监控变得困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法，具体技术方案如下：
一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置，该装置包括激光器、分束器、偏振调节器、真空腔、物镜、平行电场施加单元、电场量控制单元、第一光电探测器、第二光电探测器、数据处理器；
所述分束器、偏振调节器、物镜、平行电场施加单元和第一光电探测器依次布置在所述激光器的出射光路上，且所述物镜、平行电场施加单元均位于所述真空腔中，所述平行电场施加单元外接所述电场量控制单元；所述第二光电探测器位于所述分束器的反射回路上，且所述第一光电探测器和第二光电探测器均与所述数据处理器连接。
进一步地，所述偏振调节器为λ/2玻片。
一种基于电场量标定的多维度光镊校准方法，该方法基于上述的装置来实现；
所述激光器出射捕获激光，所述捕获激光依次经所述分束器、偏振调节器后进入位于所述真空腔中的物镜，由所述物镜汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒悬浮在所述光学势阱中，所述球形纳米微粒在所述光学势阱中的散射光被所述第一光电探测器收集，所述分束器分束出来的参考光被第二光电探测器收集；所述数据处理器计算球形纳米微粒在光阱中三维运动造成散射光变化引发的电信号变化；
定义光镊参考坐标系，所述光学势阱中光线传输方向为Z方向，光偏振方向为X方向，与X和Z垂直的方向为Y方向；定义校准过程的参考坐标系，光学势阱中光线传输方向为Z1方向，初始的光偏振方向为X1方向，与X1和Z1垂直的方向为Y1方向。
当调节所述平行电场施加单元，使其电场方向沿着X1方向时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊X方向的校准系数；
当保持电场方向沿着X1方向，调节所述偏振调节器，使入射光的偏振方向旋转90°，即变为X1和Y方向平行时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Y方向的校准系数；
保持初始的光偏振方向为X1方向或调节入射光的偏振方向与Y1方向平行，以所述球形纳米微粒的位置为中心旋转所述平行电场施加单元，使电场在Z1方向有分量，通过测量所述球形纳米微粒在电场作用下在光阱Z1方向位置移动产生的差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Z方向的校准系数。
进一步地，所述激光器的出射光的波长为1064nm或1550nm。
进一步地，所述球形纳米微粒为二氧化硅颗粒。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的基于电场量标定的多维度光镊校准装置，电极装置的引入不影响微粒向光阱中的投送，同时，该装置支持在标定过程中通过侧向散射光对微粒的亮度、运动状态进行监测。
（2）现有的校准装置只能在低气压下进行光阱校准，本发明通过电场量的校准方法将校准范围拓展到高真空，应用范围更广。
（3）本发明的方法所有装置简单，标定难度低，为其他多维场测量应用研究提供参考和借鉴。
附图说明
图1为本发明的实施例的装置的示意图。
图2为光镊系统输出的微球在光阱中三维运动谱图。
图3为光学势阱焦平面上的光强分布图。
图4为本发明的标定方法的流程图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的基于电场量标定的多维度光镊校准装置，包括激光器1、分束器2、偏振调节器3、真空腔4、物镜5、平行电场施加单元7、电场量控制单元8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、数据处理器11；
分束器2、偏振调节器3、物镜5、平行电场施加单元7和第一光电探测器9依次布置在激光器1的出射光路上，且所述物镜5、平行电场施加单元7均位于真空腔4中，平行电场施加单元7外接电场量控制单元8；第二光电探测器10位于分束器2的反射回路上，且第一光电探测器9和第二光电探测器10均与数据处理器11连接。
偏振调节器3优选λ/2玻片，方便的实现入射光场偏振调节。
激光器1出射捕获激光，捕获激光依次经所述分束器2、偏振调节器3后进入位于真空腔4中的物镜5，由物镜5汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒6悬浮在光学势阱中，球形纳米微粒6在光学势阱中的散射光被第一光电探测器9收集，分束器2分束出来的参考光被第二光电探测器10收集；数据处理器11计算球形纳米微粒在光阱中三维运动造成散射光变化引发的电信号变化。
根据本领域的常识，一个质量为m的球形纳米颗粒在光势阱中受到的三种最主要的外力：光力、阻尼力和随机力。
以球形纳米微粒在一维x方向的运动为例，球形纳米微粒在一维光阱中的运动方程可以表示为：
Figure 770352DEST_PATH_IMAGE001
其中，Γ0表示阻尼系数，对应阻尼力的作用；Ω0是光阱的本征频率，对应光力作用；
Figure 608863DEST_PATH_IMAGE002
表示随机力的作用，k B表示玻尔兹曼常数，T表示温度，
Figure 123021DEST_PATH_IMAGE003
表示半径为R的球形纳米微粒斯托克斯摩擦系数，η表示流体粘滞系数。对应的球形纳米微粒运动功率谱为
Figure 190335DEST_PATH_IMAGE004
其中，ω表示频率值。
对于光阱系统，由于球形纳米微粒运动信号都是通过光信号转化为电信号间接测量得到的，测试系统实际测得的功率谱信号是电压功率谱
Figure 988395DEST_PATH_IMAGE005
，本发明的标定方法就是标定
Figure 279699DEST_PATH_IMAGE005
与位移功率谱
Figure 218836DEST_PATH_IMAGE006
的关系：
Figure 401425DEST_PATH_IMAGE007
，也即求出校准系数cx。
假设球形纳米微粒的带电量为q，当微粒在x方向受到一个振幅为E0、圆频率ωdr的正弦电场E0sin(ωdrt)驱动后，其运动方程表示为：
Figure 742408DEST_PATH_IMAGE008
球形纳米微粒的运动谱满足：
Figure 204613DEST_PATH_IMAGE009
Figure 945560DEST_PATH_IMAGE010
表示随机力引起的功率谱，
Figure 354676DEST_PATH_IMAGE011
表示驱动场引起的功率谱，其中
Figure 612482DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 963698DEST_PATH_IMAGE013
是驱动场施加时间。
从球形纳米微粒运动谱中第二部分
Figure 674165DEST_PATH_IMAGE011
可以得到
Figure 683709DEST_PATH_IMAGE014
对于固定驱动场施加时间和光阱条件，
Figure 248552DEST_PATH_IMAGE015
，第二项驱动场引起的功率谱的根方对应微粒偏移光阱中心的位移。因此提取
Figure 52559DEST_PATH_IMAGE016
可以得到力场与微粒位移量的校准系数cx。
F0的计算公式中，本征频率Ω0、阻尼系数Γ0和球形纳米微粒质量m未知。对于本征频率Ω0、阻尼系数Γ0，可以根据探测到的球形纳米微粒运动引起的电压功率谱拟合得到。如图2所示，(a)给出了实施例中的标定装置在10mbar气压下测量球形纳米微粒X、Y、Z三轴差分信号的功率谱信号，依据
Figure 968432DEST_PATH_IMAGE017
，通过对球形纳米微粒运动引起的电压功率谱拟合可以得到本征频率Ω0、阻尼系数Γ0。
而对于球形纳米微粒的质量
Figure 516088DEST_PATH_IMAGE018
，对于特定材质的球形纳米微粒其密度是可知的，球形纳米微粒的半径R通过如下公式得到
Figure 748486DEST_PATH_IMAGE019
其中，η表示流体粘滞系数，
Figure 432715DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 117775DEST_PATH_IMAGE021
是克努森数，
Figure 469121DEST_PATH_IMAGE022
是空气分子自由程，以上参数均可根据气压和温度条件得到。
因此，根据Ω0、Γ0和m，就可以直接计算得到真实的球形纳米微粒位移运动谱
Figure 742977DEST_PATH_IMAGE023
。在结合直接探测得到的电压功率谱
Figure 419946DEST_PATH_IMAGE005
，根据
Figure 326722DEST_PATH_IMAGE007
，即可求出校准系数cx。
对三维光镊，三个矢量方向X、Y、Z的标定校准过程相似。图2中的(b)给出了一次10mbar下测得的光镊Y方向差分信号，经拟合校准后得到其校准系数cy=2.71×104V/m，图中白色实线为微粒在Y方向的运动功率谱高斯拟合曲线。
为了方便理解物镜紧聚焦形成光阱横截面对入射激光线偏振方向的依赖特性，通过数值计算了解物镜焦平面处光阱的横截面光强分布。将波长1064nm的线偏振输出激光扩束到束腰约4.5mm@1/e2后，准直耦合到一个NA=0.9、镜筒长度200的物镜，经过物镜聚焦后形成紧聚焦的光镊光阱，数学计算得到的其焦平面上光强的分布如图3中的（a）所示。可以看到在焦平面上光强分布的等高线是椭圆形的，具有明显的长短轴，其长轴方向与激光偏振方向一致，短轴方向垂直于激光偏振方向。将输入偏振方向调节90度后，焦平面上的光强分布在空间上跟着旋转90度，如图3中的（b）。
因此，本发明的基于电场量标定的多维度光镊校准方法，如图1所示，具体为：
激光器1出射捕获激光，捕获激光依次经所述分束器2、偏振调节器3后进入位于真空腔4中的物镜5，由物镜5汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒悬浮在所述光学势阱中，球形纳米微粒在所述光学势阱中的散射光被第一光电探测器9收集，分束器2分束出来的参考光被第二光电探测器10收集；数据处理器11计算球形纳米微粒在光阱中三维运动造成散射光变化引发的电信号变化；
定义光镊参考坐标系，所述光学势阱中光线传输方向为Z方向，光偏振方向为X方向，与X和Z垂直的方向为Y方向；定义校准过程的参考坐标系，光学势阱中光线传输方向为Z1方向，初始的光偏振方向为X1方向，与X1和Z1垂直的方向为Y1方向；
当调节平行电场施加单元，使其电场方向沿着X1方向时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到光镊X方向的校准系数cx；
当保持电场方向沿着X1方向，调节所述偏振调节器，使入射光的偏振方向旋转90°，即变为X1方向和Y方向平行时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Y方向的校准系数cy；
保持初始的光偏振方向为X1方向或调节入射光的偏振方向与Y1方向平行，以所述球形纳米微粒的位置为中心旋转所述平行电场施加单元，使电场在Z1方向有分量，通过测量所述球形纳米微粒在电场作用下在光镊Z方向位置移动产生的差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Z方向的校准系数cz。
为了减少球形纳米微粒在光阱中的吸热损毁，球形纳米微粒一般选择光吸收弱的二氧化硅颗粒；综合二氧化硅吸收谱中较低的波段以及激光器研制水平更成熟的波长，优选激光器1的出射光波长为1064nm或1550nm来捕获球形纳米微粒。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置，其特征在于，该装置包括激光器（1）、分束器（2）、偏振调节器（3）、真空腔（4）、物镜（5）、平行电场施加单元（7）、电场量控制单元（8）、第一光电探测器（9）、第二光电探测器（10）、数据处理器（11）；
所述分束器（2）、偏振调节器（3）、物镜（5）、平行电场施加单元（7）和第一光电探测器（9）依次布置在所述激光器（1）的出射光路上，且所述物镜（5）、平行电场施加单元（7）均位于所述真空腔（4）中，所述平行电场施加单元（7）外接所述电场量控制单元（8）；所述第二光电探测器（10）位于所述分束器（2）的反射回路上，且所述第一光电探测器（9）和第二光电探测器（10）均与所述数据处理器（11）连接。
2.根据权利要求1所述的基于电场量标定的多维度光镊校准装置，其特征在于，所述偏振调节器（3）为λ/2玻片。
3.一种基于电场量标定的多维度光镊校准方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的装置来实现；
所述激光器（1）出射捕获激光，所述捕获激光依次经所述分束器（2）、偏振调节器（3）后进入位于所述真空腔（4）中的物镜（5），由所述物镜（5）汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒悬浮在所述光学势阱中，所述球形纳米微粒在所述光学势阱中的散射光被所述第一光电探测器（9）收集，所述分束器（2）分束出来的参考光被第二光电探测器（10）收集；所述数据处理器（11）计算球形纳米微粒在光阱中三维运动造成散射光变化引发的电信号变化；
定义光镊参考坐标系，所述光学势阱中光线传输方向为Z方向，光偏振方向为X方向，与X和Z垂直的方向为Y方向；定义校准过程的参考坐标系，光学势阱中光线传输方向为Z1方向，初始的光偏振方向为X1方向，与X1和Z1垂直的方向为Y1方向；
当调节所述平行电场施加单元（7），使其电场方向沿着X1方向时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊X方向的校准系数；
当保持电场方向沿着X1方向，调节所述偏振调节器（3），使入射光的偏振方向旋转90°，即变为X1和Y方向平行时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Y方向的校准系数；
保持初始的光偏振方向为X1方向或调节入射光的偏振方向与Y1方向平行，以所述球形纳米微粒的位置为中心旋转所述平行电场施加单元（7），使电场在Z1方向有分量，通过测量所述球形纳米微粒在电场作用下在光阱Z1方向位置移动产生的差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Z方向的校准系数。
4.根据权利要求3所述的基于电场量标定的多维度光镊校准方法，其特征在于，所述激光器（1）的出射光的波长为1064nm或1550nm。
5.根据权利要求3所述的基于电场量标定的多维度光镊校准方法，其特征在于，所述球形纳米微粒为二氧化硅颗粒。
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