CN113701998A - 一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置及方法。光镊系统中的聚焦透镜被安放在笼式安装座中，通过分别调节笼式安装座沿x轴和y轴的倾角来改变聚焦透镜的摆放倾角，不断调节x轴的倾角使x方向的谐振频率达到最大，再不断调节y轴的倾角使y方向的谐振频率达到最大，以此来减小倾角误差。光镊系统中捕获光光源放置再三维调节架上，通过调节三维调节架高度使y方向的谐振频率达到最大，通过调节三维调节架水平位置使x方向的谐振频率达到最大，以此来减小离轴误差。重复上面两项操作，直至x方向的谐振频率和y方向的谐振频率相等。本发明提高了光镊系统中聚焦透镜的摆放精度，具有实际应用价值。

Description

一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置及方法

技术领域

本发明涉及真空光镊系统光路调节装置及方法，属于精密测量技术领域，由其是涉及了一种用于校正单光束真空光镊系统经常出现的聚焦透镜的摆放误差的装置及方法。

背景技术

爱因斯坦于1905年利用光的量子理论解释了光电效应，证明了光的波粒二象性。从此，光束便可以看成是一束有动量的粒子流，根据动量守恒理论，当其照射到物体上时会产生一定的辐射压力，这使得光束具有了操纵微小粒子的可能。1970年，Ashkin首次通过对射双光束实验证明了聚焦激光光束可以用来加速和捕获尺寸为微米量级的透明粒子。1971年，Ashkin 等人又使用一束竖直向上传播的弱聚焦激光首次稳定悬浮直径20 um 的玻璃微球。

Ashkin 用激光悬浮微球的技术被命名为光镊（optical tweezer）。2018 年，Ashkin 因发明光镊技术而获得诺贝尔奖。光镊的基本原理是聚焦的激光光束会产生包含散射力和梯度力的辐射压力。其中，散射力会沿光束传播方向冲击微球，而梯度力会将微球控制在光束焦点附近。当激光被强聚焦时，梯度力在辐射压力中占据主要地位，可以不依赖重力将微球捕获。这种光镊系统在生物技术领域有着广泛的应用。当激光被弱聚焦时，散射力占主导地为，仅靠辐射压力无法稳定捕获微球，因此使用微球本身具有的重力抵消散射力，由剩余的梯度力来完成捕获。该系统被成为单光束光阱系统，其在高灵敏度传感和量子物理等方面有着广泛的应用和越加诱人的前景。

随着对抽真空技术的不断提高以及光镊系统研究的不断深入，人们发现真空光镊装置可以带来超过目前常规手段的测量精度。这使得Ashkin在首次实现微球悬浮时的预言：“如果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”成为可能的概率越来越高。目前最高精度的探测是由耶鲁大学的Fernando小组做出的，他们在2017年用单光束光阱系统实现了ng级别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。这体现了单光束光阱系统在高性能惯性传感器方面和精密力学量测量的重要应用价值。

理论和实验均表明，微球的尺寸是测量加速度的光镊系统灵敏度的决定性因素之一。微球的尺寸越大，加速度测量的灵敏度就越高。同时，透镜的数值孔径也是影响加速度测量灵敏度的因素之一，一般认为，数值孔径越小，单光束光阱系统测量加速度的灵敏度就越高。因此，用来测加速度的单光束真空光镊系统一般采用弱聚焦透镜和大尺寸微球。

单光束光阱方案是一种可行性较高的方案。该方案要求竖直向上的光阱力与竖直向下的微球重力能相互抵消。即光束的传播方向与重力方向重合，入射光束与聚焦透镜呈正交关系。所以入射光束与聚焦透镜的几何关系会影响捕获稳定性。定义入射光束中心与透镜中心横向垂直误差为离轴误差。定义入射光束传播方向与透镜法线方向的夹角为倾斜误差。要稳定捕获直径超过1 um的微球，一般要求离轴误差应小于0.4 mm，倾斜误差一般要求小于0.3 °。

离轴误差会减弱光阱的刚度，造成光阱平衡位置的偏移，并且会让光阱刚度在正交方向上不再对称，倾斜误差会对不同方向的光阱刚度造成相反的影响，并会导致平衡点和线性区间的改变。以上这些误差均会使得微球更容易逃逸出稳定捕获位置，并使得光阱轴向力的方向与微球重力方向不再重合。稳定捕获微球，轴向力方向与重力方向重合是探测重力加速度，提高探测灵敏度的基本条件。因此研究单光束中透镜摆放误差的校正方法对光镊系统的探测准确度和灵敏度等性能具有重要意义。

发明内容

针对目前光镊研究中，现有单光束光阱系统中的离轴误差和倾斜误差不能同时被有效抑制，透镜摆放总体精度无法保证通过光路调节达到最优的现状，本发明提出了一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置，包括三维调节架、捕获光光源、光功率计、第一反射镜、笼式安装座、聚焦透镜、笼式系统、微球、微球释放装置、成像透镜、第二反射镜、光束质量分析仪、第一D形镜、第三反射镜、第一平衡探测器、探测光光源、第二D形镜、第四反射镜、第二平衡探测器；捕获光光源、第一反射镜沿直线依次水平间隔放置，其中，捕获光光源置于三维调节架上；笼式安装座、聚焦透镜、笼式系统、成像透镜、第二反射镜沿第一反射镜的正上方依次间隔放置；第一D形镜的顶端、第一平衡探测器与第二反射镜在同一水平高度上沿直线依次间隔排布，第三反射镜在第一D形镜的正下方；探测光光源、第二D形镜顶端、第二平衡探测器与笼式系统中心沿直线依次间隔排布，第四反射镜位于第二D形镜正下方；微球释放装置与笼式系统的中心处于同一水平高度；

光功率计布置在捕获光光源与第一反射镜之间时，用于监测捕获光的光功率是否处在要求范围之内，不监测时从光路中移开；光束质量分析仪布置在第二反射镜与第一D形镜之间，捕获微球后从光路中移开；捕获光光源发出的平行光束经第一反射镜反射，传播方向改变为竖直方向，经聚焦透镜后在笼式系统中心处聚焦，后经成像透镜恢复为平行光束，经第一D形镜分成两束光后进入第一平衡探测器；探测光光源发出的平行光束传播经过被悬浮的微球后经第二D形镜分成两束光后进入第二平衡探测器。

所述的聚焦透镜安装在笼式安装座中，聚焦透镜的俯仰倾角通过笼式安装座进行调节；第一反射镜和第二反射镜均安装在二维调节架上，第一反射镜和第二反射镜的位置及俯仰倾角均通过二维调节架进行调节；捕获光光源、探测光光源、成像透镜、第一D形镜、第二D形镜、第一平衡探测器、第二平衡探测器、笼式系统位置固定，不进行调节。

所述的捕获光光源安装在三维调节架上上，出射光的高度和水平位置均可由三维调节架来调节，捕获光经过第一反射镜后传播方向改为竖直向上，三维调节架对出射光高度的调节转化为对x方向的调节，三维调节架对出射光水平位置的调节转化为对y方向的调节。

所述的微球释放装置采用压电陶瓷及透明载玻片的组合方式，通过压电陶瓷的振荡，将透明载玻片上的微球起支，使其被捕获光捕获。

所述的捕获光光源为1064nm波长的激光器，所述的探测光光源为532nm波长的激光器，微球的材质选用二氧化硅。

应用所述的光镊系统中聚焦透镜摆放误差装置的校正方法，包括以下步骤：

步骤1）将光功率计放置在捕获光光源和第一反射镜之间，调节捕获光光源的输出光光功率，使得焦点附近的竖直方向光阱力与微球的重力相同；

步骤2）将光功率计从光路中移开，使得捕获光光源输出的激光被第一反射镜反射为竖直方向，后被聚焦透镜聚焦于笼式系统中心；

步骤3）将光束质量分析仪放置在第二反射镜和第一D形镜之间，显示出捕获光的光斑形状；

步骤4）用微球释放装置将微球释放，用光束质量分析仪观察捕获光的光斑形状；

步骤5）如果微球释放后，捕获光的光斑形状没有改变，则重复步骤4）；

步骤6）将光束质量分析仪从光路中移开，打开探测光光源探测微球运动状态；

步骤7）观察第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的电压信号，分别找出两个电压信号中谐振峰的位置即谐振频率；

步骤8）调节笼式安装座沿X轴方向的倾角，观察第一平衡探测器输出的电压信号的谐振频率，找到使第一平衡探测器输出的电压信号的谐振频率处于最小值的角度；

步骤9）调节笼式安装座沿Y轴方向的倾角，观察第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率，找到使第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率处于最大值的角度；

步骤10）调节捕获光光源下的三维调整架的高度和水平位置，观察第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率，找到使它们的谐振频率处于最大值的三维调整架的高度和水平位置；

步骤11）判断第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率是否相等，若不相等则重复步骤8）至10）。

所述的捕获光和探测光均为基模高斯光束，光斑形状为圆形。

本发明的有益效果是：

本发明首次提出了单光束光阱系统聚焦透镜摆放误差的校正方案，有利于提高单光束光阱中微球捕获的稳定性，增加其捕获寿命，弥补了结构件加工精度有限这一缺陷，为透镜与光束的对准提供了判据，所需光电器件数量少，操作方法简单易行，有实际应用价值，有利于完善光镊实验后续中的冷却，测量等步骤。

附图说明

图1为进行步骤1）时的光路结构图。

图2为进行步骤3）时的光路结构图。

图3为进行步骤6）时的光路结构图。

图4为聚焦透镜绕x轴不断倾斜时谐振频率的变化趋势。

图5为聚焦透镜沿x轴不断偏移时谐振频率的变化趋势。

图中：1、三维调节架，2、捕获光光源，3、光功率计，4、第一反射镜，5、笼式安装座，6、聚焦透镜，7、笼式系统，8、微球，9、微球释放装置，10、成像透镜，11、第二反射镜，12、光束质量分析仪，13、第一D形镜，14、第三反射镜，15、第一平衡探测器，16、探测光光源，17、第二D形镜，18、第四反射镜，19、第二平衡探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

如图1所示，准备好相应器件，包括三维调节架1、捕获光光源2、光功率计3、第一反射镜4、笼式安装座5、聚焦透镜6、笼式系统7、微球8、微球释放装置9、成像透镜10、第二反射镜11、光束质量分析仪12、第一D形镜13、第三反射镜14、第一平衡探测器15、探测光光源16、第二D形镜17、第四反射镜18、第二平衡探测器19。

并将它们按下述方式摆放：捕获光光源2、第一反射镜4沿直线依次水平间隔放置，其中，捕获光光源置于三维调节架1上；笼式安装座5、聚焦透镜6、笼式系统7、成像透镜10、第二反射镜11沿第一反射镜4的正上方依次间隔放置；第一D形镜13的顶端、第一平衡探测器15与第二反射镜11在同一水平高度上沿直线依次间隔排布，第三反射镜14在第一D形镜13的正下方；探测光光源16、第二D形镜17顶端、第二平衡探测器19与笼式系统中心沿直线依次间隔排布，第四反射镜18位于第二D形镜17正下方；微球释放装置9与笼式系统7的中心处于同一水平高度。

如图1所示，步骤1）光功率计3布置在捕获光光源2与第一反射镜4之间时，用于监测捕获光的光功率是否处在要求范围之内，不监测时从光路中移开。在校正透镜摆放误差时首先要保证捕获光在竖直方向的散射力能正确抵消微球的重力，即可以正常捕获微球。由于选用的是直径为10 um的微球，所以应控制捕获光的光功率在50 mw 到80 mw之间。而且成功地捕获微球还要求捕获光光功率有较好的稳定性，因此首先用光功率计监测捕获光的光功率是否处在要求范围之内并能保持长期稳定。

步骤2）将光功率计从光路中移开，使得捕获光光源输出的激光被第一反射镜4反射为竖直方向，后被聚焦透镜6聚焦于笼式系统7中心。如图2所示，从捕获光光源水平出射的捕获光首先遇到与水平方向45度夹角的第一反射镜，经其反射后其传播方向改为竖直方向并经聚焦透镜后于笼式系统的中心聚焦，捕获微球后的散射光经成像透镜后重新变为平行光，然后再经与水平方向45度夹角的第二反射镜后其传播方向恢复为水平方向并入射到光束质量分析仪。其中，笼式系统只在需要透光处和微球释放装置伸入处开孔，其余地方采取封闭形式以减少空气气流的扰动，增强捕获稳定性。

步骤3）将光束质量分析仪12放置在第二反射镜11和第一D形镜13之间，显示出捕获光的光斑形状。如图2所示，捕获光入射到光束质量分析仪后会被其显示出光束横截面的光强分布,捕获微球前和捕获后的光强分布是不同的,捕获微球前，捕获光为基模高斯光，光强分布呈高斯分布；捕获微球后，捕获被微球，其光斑成呈环状，光强分布为明暗相间的干涉图样状，因此可通过光强分布来判断是否成功捕获微球。

步骤4）用微球释放装置9将微球8释放，用光束质量分析仪观察捕获光的光斑形状。微球释放装置9由压电陶瓷和载玻片组成，载玻片下表面附着微球，压电陶瓷的振荡会将微球从载玻片下表面释放下来进而被捕获光所捕获。

步骤5）如果微球释放后，捕获光的光斑形状没有改变，则重复步骤4）。通过光束质量分析仪显示的光强分布来判断捕获情况，若成功捕获则停止压电陶瓷的振荡，若不成功则继续振荡释放微球。

步骤6）将光束质量分析仪从光路中移开，打开探测光光源探测微球运动状态。如图3所示， 成功捕获微球后将光束质量分析仪从光路中移开，用第一D形镜将捕获光束均分成两半，其中一半光束直接入射进第一平衡探测器的一端口，另一半光束经第三反射镜反射后入射进第一平衡探测器的二端口。打开探测光光源，让探测光照到微球所处位置，经过微球的探测光被第二D形镜均分成两半，其中一半光束直接入射进第二平衡探测器的一端口，另一半光束经第四反射镜反射后入射进第二平衡探测器的二端口。

步骤7）观察第一平衡探测器15和第二平衡探测器19输出的电压信号，分别找出两个电压信号中谐振峰的位置即谐振频率。平衡探测器输出的电压信号反应了微球的运动状态，本例中，第一平衡探测器反应了y方向上的微球谐振运动，第二平衡探测器反应了x方向上的微球谐振运动。由于捕获光对微球作用力可近似看成是弹簧的弹力，所以微球在x方向和y方向的运动均为谐振运动，并有特定的谐振频率。当透镜的摆放存在误差时，x方向和y方向的谐振频率就会发生该改变，不同的摆放误差会对应不同的改变方式，因此通过观察谐振频率的改变情况就能实现摆放误差地校正。

步骤8）如图4所示，当透镜绕x轴不断倾斜时，x方向的谐振频率增加，y方向的谐振频率减小。调节笼式安装座的x轴倾角，观察第一平衡探测器的电压信号，由于当存在x轴倾角时,y方向的谐振频率会减小，所以应向使y方向谐振频率增加的方向调节，直至y方向的谐振频率调至最大，观察第二平衡探测器的电压信号，由于当存在x轴倾角时x方向的谐振频率会增大，所以应向使x方向谐振频率减小的方向调节，直至x方向的谐振频率调至最小。

步骤9）由对称性可知，当透镜绕y轴不断倾斜时，y方向的谐振频率增加，x方向的谐振频率减小。调节笼式安装座的y轴倾角，观察第一平衡探测器的电压信号，由于当存在y轴倾角时,y方向的谐振频率会增大，所以应向使y方向谐振频率减小的方向调节，直至y方向的谐振频率调至最小，观察第二平衡探测器的电压信号，由于当存在y轴倾角时x方向的谐振频率会减小，所以应向使x方向谐振频率增大的方向调节，直至x方向的谐振频率调至最大。

步骤10）调节三维调整架1，让捕获光光源沿z方向运动，则捕获光的光束中心会沿y方向偏移，观察第一平衡探测器的输出信号，由于偏移会让谐振频率减小，所以应向使输出信号的谐振频率增大的方向调节，直至y方向的谐振频率调至最大。让捕获光光源沿x方向运动，则捕获光的光束中心会沿x方向偏移，观察第二平衡探测器的输出信号，由于偏移会让谐振频率减小，所以应向使输出信号的谐振频率增大的方向调节，直至x方向的谐振频率调至最大。如图5所示，当透镜沿x轴不断偏移时，x方向和y方向的谐振频率都会减小，由对称性可知，当透镜绕y轴不断偏移时，y方向和x方向的谐振频率都会减小。因此，可以通过扫描x轴，y轴偏移距离的方式来消除透镜摆放的偏移误差。

步骤11）判断第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率是否相等，若不相等则重复步骤8）至10）。根据对称性，被校正透镜摆放误差的系统其x方向和y方向的谐振频率应是相同的，若不相同则需要重新校正，而且由于透镜的倾斜误差和偏移误差可能同时存在，所以只调整一次往往很难满足要求，需要多次调节才能校正透镜摆放误差。因此接下来应重复上述调整过程，重新开始校正透镜的倾斜的误差以及偏移误差，直到x方向和y方向的谐振频率相同为止。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (7)

1.一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置，其特征在于：包括三维调节架、捕获光光源、光功率计、第一反射镜、笼式安装座、聚焦透镜、笼式系统、微球、微球释放装置、成像透镜、第二反射镜、光束质量分析仪、第一D形镜、第三反射镜、第一平衡探测器、探测光光源、第二D形镜、第四反射镜、第二平衡探测器；捕获光光源、第一反射镜沿直线依次水平间隔放置，其中，捕获光光源置于三维调节架上；笼式安装座、聚焦透镜、笼式系统、成像透镜、第二反射镜沿第一反射镜的正上方依次间隔放置；第一D形镜的顶端、第一平衡探测器与第二反射镜在同一水平高度上沿直线依次间隔排布，第三反射镜在第一D形镜的正下方；探测光光源、第二D形镜顶端、第二平衡探测器与笼式系统中心沿直线依次间隔排布，第四反射镜位于第二D形镜正下方；微球释放装置与笼式系统的中心处于同一水平高度；

光功率计布置在捕获光光源与第一反射镜之间时，用于监测捕获光的光功率是否处在要求范围之内，不监测时从光路中移开；光束质量分析仪布置在第二反射镜与第一D形镜之间，捕获微球后从光路中移开；捕获光光源发出的平行光束经第一反射镜反射，传播方向改变为竖直方向，经聚焦透镜后在笼式系统中心处聚焦，后经成像透镜恢复为平行光束，经第一D形镜分成两束光后进入第一平衡探测器；探测光光源发出的平行光束传播经过被悬浮的微球后经第二D形镜分成两束光后进入第二平衡探测器。

2.根据权利要求1所述的一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置，其特征在于：所述的聚焦透镜安装在笼式安装座中，聚焦透镜的俯仰倾角通过笼式安装座进行调节；第一反射镜和第二反射镜均安装在二维调节架上，第一反射镜和第二反射镜的位置及俯仰倾角均通过二维调节架进行调节；捕获光光源、探测光光源、成像透镜、第一D形镜、第二D形镜、第一平衡探测器、第二平衡探测器、笼式系统位置固定，不进行调节。

3.根据权利要求1所述的一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置，其特征在于：所述的捕获光光源安装在三维调节架上上，出射光的高度和水平位置均可由三维调节架来调节，捕获光经过第一反射镜后传播方向改为竖直向上，三维调节架对出射光高度的调节转化为对x方向的调节，三维调节架对出射光水平位置的调节转化为对y方向的调节。

4.根据权利要求1所述的一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置，其特征在于：所述的微球释放装置采用压电陶瓷及透明载玻片的组合方式，通过压电陶瓷的振荡，将透明载玻片上的微球起支，使其被捕获光捕获。

5.根据权利要求1所述的一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置，其特征在于：所述的捕获光光源为1064nm波长的激光器，所述的探测光光源为532nm波长的激光器，微球的材质选用二氧化硅。

6.应用权利要求1-5任一所述的一种光镊中聚焦透镜摆放误差的装置的校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1）将光功率计放置在捕获光光源和第一反射镜之间，调节捕获光光源的输出光光功率，使得焦点附近的竖直方向光阱力与微球的重力相同；

步骤2）将光功率计从光路中移开，使得捕获光光源输出的激光被第一反射镜反射为竖直方向，后被聚焦透镜聚焦于笼式系统中心；

步骤3）将光束质量分析仪放置在第二反射镜和第一D形镜之间，显示出捕获光的光斑形状；

步骤4）用微球释放装置将微球释放，用光束质量分析仪观察捕获光的光斑形状；

步骤5）如果微球释放后，捕获光的光斑形状没有改变，则重复步骤4）；

步骤6）将光束质量分析仪从光路中移开，打开探测光光源探测微球运动状态；

步骤7）观察第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的电压信号，分别找出两个电压信号中谐振峰的位置即谐振频率；

步骤8）调节笼式安装座沿X轴方向的倾角，观察第一平衡探测器输出的电压信号的谐振频率，找到使第一平衡探测器输出的电压信号的谐振频率处于最小值的角度；

步骤9）调节笼式安装座沿Y轴方向的倾角，观察第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率，找到使第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率处于最大值的角度；

步骤10）调节捕获光光源下的三维调整架的高度和水平位置，观察第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率，找到使它们的谐振频率处于最大值的三维调整架的高度和水平位置；

步骤11）判断第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的电压信号的谐振频率是否相等，若不相等则重复步骤8）至10）。

7.根据权利要求6所述的校正方法，其特征在于；所述的捕获光和探测光均为基模高斯光束，光斑形状为圆形。

Images