CN113514179B - 基于双振子悬浮光力学系统的力场梯度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于双振子悬浮光力学系统的力场梯度测量装置及方法。测量装置，依次包括激光器、光学腔、第一光镊、第二光镊、光场探测装置，其中光学腔中间分别设有第一纳米微粒和第二纳米微粒；激光器的光轴和光学腔的光轴重合，激光器从光学腔的左侧入射，在光学腔中激发形成稳定驻波场；第一光镊和第二光镊用于分别将相应的第一纳米微粒和第二纳米微粒悬浮在光学腔中，并调节它们沿光轴的位置；光场探测装置用于探测光学腔的腔透射光从而获取力差信息。本发明的梯度测量方法可探测力场的瞬时梯度，监控场的动态变化。本发明不仅适用于引力场，对于加速度场、电场等同样适用。本发明可促进悬浮光力学在场探测和多点传感领域的发展应用。
Description
技术领域
本发明涉及力场梯度测量，尤其涉及一种基于双振子悬浮光力学系统的力场梯度测量装置及方法。
背景技术
自上世纪七十年代阿瑟·阿什金发明光镊技术以来，光镊作为操控纳米尺度物体的有利工具，已经广泛地应用在生物学、材料科学、量子物理学等领域。利用光镊悬浮纳米尺度微粒形成的悬浮光力学系统能克服机械支撑带来的噪声，具有超高探测灵敏度。悬浮光力学系统还拥有超强控制能力可以灵活地控制纳米微粒（机械振子）的位置和状态。这些优势使悬浮光力学系统成为近些年精密测量和传感领域的热门研究方向之一。
基于单振子悬浮光力学系统的探测装置是利用光镊将一个纳米微球（机械振子）悬浮在真空中，微球在光镊产生的光阱中进行微小简谐运动。待测外力对微球的作用会使微球的运动（位移）发生变化，这个变化会反映在小球的散射光中，通过测量散射光实现外力探测。由于只有一个机械振子，基于单振子悬浮光力学系统的探测装置每次只能探测某一空间位置的受力信息，而无法同时获取多个空间位置的受力信息，因而无法实现力场梯度探测。即使通过改变机械振子位置进行多次测量也只能获取不同时刻下不同空间位置的受力信息，而无法探测力场的瞬时梯度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于双振子悬浮光力学系统的力场梯度探测装置和方法，通过将双振子悬浮光力学系统中两个机械振子的受力差直接耦合到腔场中，可从腔场中直接获取力差信息，进而实现力场梯度探测。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种基于双振子悬浮光力学系统力场梯度的测量装置，依次包括激光器、光学腔、第一光镊、第二光镊、光场探测装置，其中光学腔中间分别设有第一纳米微粒和第二纳米微粒；
激光器的光轴和光学腔的光轴重合，激光器从光学腔的左侧入射，在光学腔中激发形成稳定驻波场；第一光镊和第二光镊用于分别将相应的第一纳米微粒和第二纳米微粒悬浮在光学腔中，并调节它们沿光轴的位置；光场探测装置用于探测光学腔的腔透射光从而获取力差信息。
所述光场探测装置是零差探测装置或外差探测装置。
一种采用所述的测量装置的基于双振子悬浮光力学系统力场梯度的测量方法，包括如下步骤：
S1：打开激光器驱动光学腔，使腔内产生驻波场；
S2：分别使用第一光镊和第二光镊将相应的第一纳米微粒和第二纳米微粒悬浮在光学腔中；
S3：通过第一光镊和第二光镊调整第一纳米微粒和第二纳米微粒的位置，记录位置差
；
S4：通过光场探测装置测量腔透射光，获取两个纳米微粒（机械振子）受力差 
；
S5：根据力差 
和位置差 
计算力场梯度。
步骤S3中利用第一光镊和第二光镊调整第一纳米微粒和第二纳米微粒的位置，使两纳米微粒沿光轴方向位置差满足 
，其中 
为腔中驻波场波场，n 为整数。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的方法不仅适用于引力场，对于加速度场、电场等同样适用，将促进悬浮光力学在场探测和多点传感领域的发展应用。
（2）本发明的方法和装置可通过探测力场梯度消除部分同源噪声，提高信噪比。
（3）本发明的装置具有和现有基于单振子悬浮光力学系统同量级的探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图1中，激光器1、光学腔2、第一光镊3、第二光镊4、光场探测装置5、第一纳米微粒6、第二纳米微粒7。
图2为本发明方法中梯度测量原理图。
图3为本发明的方法流程图。
图4为一个外力场F作用在梯度测量装置后的数值模拟结果；
其中外力场在位置 
和
上的作用力分别为 
和
，
为作用力振幅，
为作用力频率，
为机械振子共振频率。图中，(a)为机械振子位移差 Q 的功率谱密度，(b)为腔透射光 
的功率谱密度，(c)为力差 
的功率谱密度。
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。
本发明的基于双振子悬浮光力学系统力场梯度探测装置，是利用两个光镊分别将两个纳米微球悬浮在一个光学腔中形成一个双振子悬浮光力学系统。其中，光学腔通过一个外部激光器驱动，光场探测装置用于探测腔透射光。
如图1所示，作为其中一种实施方式，本发明的装置包括激光器1、光学腔2、第一光镊3、第二光镊4、光场探测装置5、第一纳米微粒6、第二纳米微粒7。
激光器1的光轴和光学腔2的光轴重合，从左侧驱动光学腔2用于形成驻波场。第一光镊3和第二光镊4分别将第一纳米微粒6和第二纳米微粒7悬浮在光学腔2中。通过调节两个纳米微粒沿光轴的位置改变纳米微粒与腔场耦合强度。光场探测装置5探测腔透射光用于获取力差信号。
本发明的力场梯度探测原理为（见图2）：两个光镊分别驱动两个纳米微粒（机械振子）在各自平衡位置 
和 
进行微小简谐运动，它们之间位置差为 
。其中两个机械振子的平衡位置可以通过光镊控制，基于现有技术位置差可达微米量级。一个待测力场对两个机械振子的作用力 
和 
会改变它们简谐运动位移 
和 
，而两个机械振子同时与腔场耦合，因而力场信息 
和 
会通过光力相互作用（optomechanical interaction）耦合到腔场中，通过测量腔场可获取力场信息。为实现力差 
直接耦合到腔场中需要调节机械振子与腔场耦合强度。机械振子与腔场耦合强度与其在腔中位置（沿腔轴）有关，即 
，其中 
为腔场波长， 
为机械振子序号。当两个机械振子位置差满足 
（
为整数）时，两机械振子力差 
会经位移差 
直接耦合到腔场中，通过光场探测装置可直接在腔透射光中获取两个机械振子受力差。这样，可实现力场梯度探测 
。
如图3所示，本发明的基于双振子悬浮光力学系统力场梯度测量方法，具体包括如下步骤：
S1：打开激光器1驱动光学腔2，使腔内产生波长为 
的驻波场；
S2：分别使用第一光镊3和第二光镊4将第一纳米微粒6和第二纳米微粒7悬浮在光学腔2中；
S3：通过第一光镊3和第二光镊4调整两个纳米微粒的位置，使其沿腔轴方向的位置差满足 
（
为整数），记录位置差 
；
S4：通过光场探测装置5测量腔透射光，获取受力差 
；
S5：根据力差 
和位置差 
计算力场梯度 
。
下面以一个具体的实施例对本发明的装置和方法进行说明。
考虑一个随时间变化的外力场，其在两个相距 
的机械振子上的作用力分别为 
和 
，其中，
为作用力振幅，
为作用力频率，
为腔场波长。梯度探测装置参数如下（所有参数以机械振子频率为标准单位归一化）：两个相同纳米微粒（机械振子）的质量为m，共振频率为 
，衰减率 
；腔场与激光场失谐量 
；腔衰减率 
；两个机械振子与腔场耦合强度
。假定外力场作用力振幅 
，作用力频率分别取
三种情况。
利用量子主方程数值模拟力场梯度探测过程结果见图4，其中，(a)为机械振子位移差 Q 的功率谱密度，(b)为腔透射光 
的功率谱密度，(c)为力差 
的功率谱密度。从图中可以看出，在三种不同频率外力场的情况下，探测装置都能从腔透射光中获取力差信号，表明本发明的力场梯度测量方法能实现力场梯度探测。
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 (4)
1.一种基于双振子悬浮光力学系统力场梯度的测量装置，其特征在于，该装置依次包括激光器（1）、光学腔（2）、第一光镊（3）、第二光镊（4）、光场探测装置（5），其中光学腔（2）中间分别设有第一纳米微粒（6）和第二纳米微粒（7）；
激光器（1）的光轴和光学腔（2）的光轴重合，激光器（1）从光学腔（2）的左侧入射，在光学腔（2）中激发形成稳定驻波场；第一光镊（3）和第二光镊（4）用于分别将相应的第一纳米微粒（6）和第二纳米微粒（7）悬浮在光学腔（2）中，并调节它们沿光轴的位置；光场探测装置（5）用于探测光学腔（2）的腔透射光从而获取力差信息。
2.根据权利要求1所述的基于双振子悬浮光力学系统力场梯度的测量装置，其特征在于，所述光场探测装置（5）是零差探测装置或外差探测装置。
3.一种采用根据权利要求1所述的测量装置的基于双振子悬浮光力学系统力场梯度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1 打开激光器（1）驱动光学腔（2），使腔内产生驻波场；
S2分别使用第一光镊（3）和第二光镊（4）将相应的第一纳米微粒（6）和第二纳米微粒（7）悬浮在光学腔（2）中；
S3 通过第一光镊（3）和第二光镊（4）调整第一纳米微粒（6）和第二纳米微粒（7）的位置，记录位置差
；
S4通过光场探测装置（5）测量腔透射光，获取第一纳米微粒（6）和第二纳米微粒（7）的受力差
；
S5 根据力差
和位置差
计算力场梯度。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，步骤S3中利用第一光镊（3）和第二光镊（4）调整第一纳米微粒（6）和第二纳米微粒（7）的位置，使两纳米微粒沿光轴方向位置差满足
，其中
为腔中驻波场波长 ，n 为整数。
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