CN113848382A - 基于电场力激励的频率特性测试方法及光镊系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电场力激励的频率特性测试方法及光镊系统。方法步骤为：对光镊系统施加正弦电压，若微纳粒子运动，则微纳粒子带电；若微纳粒子不动，则用空气电离法使微纳粒子带电，带电的微纳粒子产生位移，获取输入幅度和输入相位；对带电微纳粒子施加不同频率的正弦电场，获取多个输出幅度和输出相位，计算多个归一化幅频响应值及相频响应值并绘制曲线，得出幅频响应特征和相频响应特征，进而测试出光镊系统的频率特性；光镊系统中的对射双光束通过两个聚焦透镜会聚形成光阱，光阱中心处稳定捕获一个微纳粒子。本发明由粒子移动产生光镊系统的频谱，用于光镊系统的整个工作频率范围内频率特性的精密测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光镊系统测试方法，具体涉及一种基于电场力激励的频率特性测试方法及光镊系统。
背景技术
光具有能量和动量，光与粒子相互作用时，光的动量会发生变化，根据动量守恒定律，粒子会获得一定的动量，从而产生运动现象。光镊系统利用光阱力捕获、操控及冷却粒子，光阱力是梯度力与散射力的合力，是一种恢复力，无论粒子往哪个方向偏移，光阱力总会将它“拉”回光阱中心，粒子在光阱中的运动过程遵循朗之万方程。光镊系统一般由捕获模块、冷却模块以及探测模块构成。
从Ashkin等1986年发表的第一篇单光束光镊论文起，已经历了约30年。光镊从鲜为人知，集中在少数物理学家的实验室中，只能简单地操控微米细胞到目前可以实现对单分子亚纳米级精度的测量，极大地促进了定量生物学的发展。光镊是一种无形的“镊子”，可以实现无接触操控，不会对生物细胞造成伤害。同时，光镊也是一种精密测量工具，可以用来进行加速度探测、微弱力探测等等。
空气是由氧、氮、水蒸气、二氧化碳等多种气体组成的气体混合物，在正常情况下，气体分子不带电，表现出电中性，但是在强电场的作用下，空气中的气体分子会失去一些电子，即所谓的空气电离。有些空气分子失去电子，成为正离子；有些空气分子获得电子，成为负离子。
四象限光电探测器实际是由四个光电探测器构成，把四个性能完全一样的光电探测器按照直角坐标要求排列，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上，从而得到目标的位置信息。
在光镊系统两端放置正负电极，通过信号源、信号放大器等施加电压形成强电场，原本带电的粒子会在电场力的作用下发生运动，而不带电的中性粒子则不会运动，可以施加强电场使空气电离，从而使原本不带电的中性悬浮粒子带电，继而受到电场力作用而运动。
对于线性定常系统，若输入端作用一个正弦信号，则系统的稳态输出也为正弦信号，并且输入信号与输出信号的频率相同，但是二者的幅度和相位不同，并且随着输入信号的角频率ω的变化，输入信号和输出信号的幅度及相位之间的关系也会发生变化，以频率为横坐标，以在该频率正弦信号输入下系统的增益为纵坐标的数值曲线为幅频特性曲线；以在该频率正弦信号输入下系统的输出信号的相位延迟为纵坐标的数值曲线为相频特性曲线。幅频特性曲线和相频特性曲线合称为频率特性，二者综合起来描述了系统输入与输出直接的关系。在不同压强下，光镊系统的频率特性也不相同。
获取系统频率特性的方法主要有三种：一是已知系统的微分方程，将输入正弦信号代入，得到系统输出的稳态解，输出稳态解与输入正弦信号的复数比即为频率特性；二是已知系统的传递函数，可以直接得到系统的频率特性；三是通过实验的手段获取，对线性定常系统输入正弦信号，不断改变输入信号的角频率ω，得到对应的一系列输出的稳态振幅和相角，分别将它们与相应的输入正弦信号的幅值相比、相角相减，便得到频率特性。前两种方法需要已知光镊系统的微分方程及传递函数，且计算过程较复杂。
发明内容
针对的目前光镊系统的频率特性测试方法计算过程复杂且不能精确获得其频率特性，而光镊系统应用要求得到其频率特性的细致分布的现状，本发明的目的在于提供一种基于电场力激励的频率特性测试方法及光镊系统，用于测试光镊系统的频率特性。
本发明采用的技术方案是：
1)在光镊系统旁放置正负电极，通过信号源及电压放大器在正负电极施加正弦变化的电压，使得光镊系统的光阱中形成正弦变化的电场，优选的场强方向垂直于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜光轴方向；
2)根据光镊系统中的微纳粒子运动情况进行以下判断：
若微纳粒子产生运动，则表明微纳粒子本身带电，电场强度不变；若微纳粒子不产生运动，则微纳粒子呈电中性，通过空气电离法，即将电场强度提高到预设范围使微纳粒子周围的空气电离，微纳粒子与正离子或者负离子结合，使得微纳粒子带电，微纳粒子带电后将电场强度恢复至步骤1)中的电场强度；
3)带电的微纳粒子受到按频率f0变化的正弦电场力的作用在光镊系统中产生位移变化；
4)在光镊系统旁放置四象限探测器QPD和示波器，使用四象限探测器QPD获取带电微纳粒子的位置信息，获取对应的输入幅度Ain；使用示波器获取带电微纳粒子的位移信号，获取对应的输入相位Φin；
5)在预设的测试频率范围内，按照均匀间隔选取多个频率，对光镊系统中的带电微纳粒子施加选取出的多个不同频率下的正弦电场力，使用四象限探测器QPD和示波器获取多个输出幅度Aout和输出相位Φout；
6)计算多个归一化幅频响应值Ain/Aout以及相频响应值Φout-Φin；
7)通过步骤6)中得出的多个归一化幅频响应值和多个相频响应值绘制幅频响应曲线和相频响应曲线，根据绘制的曲线得出幅频响应特征和相频响应特征，进而测试出光镊系统的频率特性。
本发明由粒子移动产生光镊系统的频谱，通过光镊系统的频谱反映出光镊系统的特性。
所述步骤1)中，正弦变化的电压的表达式如下：
V0 sin(2πf0t+φ)
其中，V0表示施加电压的幅值，f0表示电场的初始频率，t表示施加电压的作用时间，φ表示电场的初始相位。
所述步骤2)中，电场强度预设范围为300V/m～350V/m。
所述步骤5)中，预设的测试频率范围为1k～100kHz，使得电压大小满足实验要求，从而能够在合适的信噪比下观察到理想的输出信号。
所述电场的压强的预设范围为1e-5mbar～1.02e3mbar，在不同的压强条件下，使用此方法测试光镊系统的不同的频率特性。
所述光镊装置包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、对射双光束和微纳粒子；第一聚焦透镜和第二聚焦透镜同心正对布置，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜之间存在间隔，从第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的两侧入射两束与第一聚焦透镜和第二聚焦透镜光轴方向平行的光束作为对射双光束，对射双光束分别透射过第一聚焦透镜和第二聚焦透镜会聚于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜之间间隔的中心部分形成光阱，光阱中心处由于对射双光束会聚形成的光阱力作用稳定捕获有一个微纳粒子。
本发明具有的有益效果是：
本发明提供一种基于电场力激励的频率特性测试方法及光镊系统，用于光镊系统的频率特性的精密测量，能够用于仔细衡量光镊系统在整个工作频率范围内的频率性能，为光镊系统的使用提供一个判据。
附图说明
图1是本发明光镊示意图；
图2是本发明施加电场后的光镊示意图；
图3是本发明示波器中的输入、输出信号示意图；
图4是本发明典型光镊系统的频率特性示意图。
图中：1、第一聚焦透镜，2、第二聚焦透镜，3、对射双光束，4、微纳粒子。
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和图2所示，光镊系统包括第一聚焦透镜1、第二聚焦透镜2、对射双光束3和微纳粒子4；第一聚焦透镜1和第二聚焦透镜2同心正对布置，第一聚焦透镜1和第二聚焦透镜2之间存在间隔，从第一聚焦透镜1和第二聚焦透镜2的两侧入射两束与第一聚焦透镜1和第二聚焦透镜2光轴方向平行的光束作为对射双光束3，对射双光束3分别透射过第一聚焦透镜1和第二聚焦透镜2会聚于第一聚焦透镜1和第二聚焦透镜之间间隔的中心部分形成光阱，光阱中心处由于对射双光束3会聚形成的光阱力作用稳定捕获有一个微纳粒子4。
方法的步骤如下：
1)在光镊系统旁放置正负电极，通过信号源及电压放大器在正负电极施加正弦变化的电压，使得光镊系统的光阱中形成正弦变化的电场，电场的压强的预设范围为1e-5mbar～1.02e3mbar，在不同的压强条件下，使用此方法测试光镊系统的不同的频率特性，优选的场强方向垂直于第一聚焦透镜1和第二聚焦透镜2光轴方向；
正弦变化的电压的表达式如下：
V0 sin(2πf0t+φ)
其中，V0表示施加电压的幅值，f0表示电场的初始频率，t表示施加电压的作用时间，φ表示电场的初始相位。
2)若微纳粒子4产生运动，则表明微纳粒子4本身带电，电场强度不变；若微纳粒子4不产生运动，则微纳粒子4呈电中性，通过空气电离法，即将电场强度提高到预设范围300V/m～350V/m使微纳粒子4周围的空气电离，微纳粒子4与正离子或者负离子结合，使得微纳粒子4带电，微纳粒子4带电后将电场强度恢复至步骤1)中的电场强度；
3)带电的微纳粒子4受到按频率f0变化的正弦电场力的作用在光镊系统中产生位移变化；
4)在光镊系统旁放置四象限探测器QPD和示波器，使用四象限探测器QPD获取带电微纳粒子4的位置信息，获取对应的输入幅度Ain；使用示波器获取带电微纳粒子4的位移信号，获取对应的输入相位Φin；
5)在预设的测试频率范围1k～100kHz内，使得电压大小满足实验要求，从而能够在合适的信噪比下观察到理想的输出信号，按照均匀间隔选取多个频率，对光镊系统中的带电微纳粒子4施加选取出的多个不同频率下的正弦电场力，使用四象限探测器QPD和示波器获取多个输出幅度Aout和输出相位Φout；
6)计算多个归一化幅频响应值Ain/Aout以及相频响应值Φout-Φin；
7)通过步骤6)中得出的多个归一化幅频响应值和多个相频响应值绘制幅频响应曲线和相频响应曲线，根据绘制的曲线得出幅频响应特征和相频响应特征，进而测试出光镊系统的频率特性；
本发明由粒子移动产生光镊系统的频谱，通过光镊系统的频谱反映出光镊系统的特性。
实施例如下：
如图3和图4，在测试频率范围0～200Hz内均匀间隔选取30个频率点，施加一个压强为2.5*10-4mBar的电场，微纳粒子4半径取80nm，施加电压为10V，粒子所受电场力约为3*10-14N，信噪比为20dB，可以很明显的观察到光镊系统的幅频响应特征和相频响应特征，从而得出光镊系统的频率特性。此方法可以在不同的压强条件下，测试光镊系统的不同的频率特性。
Claims (6)
1.一种基于电场力激励的频率特性测试方法，其特征在于：
方法的步骤如下：
1)在光镊系统旁放置正负电极，通过信号源及电压放大器在正负电极施加正弦变化的电压，使得光镊系统的光阱中形成正弦变化的电场；
2)根据光镊系统中的微纳粒子(4)运动情况进行以下判断：
若微纳粒子(4)产生运动，则表明微纳粒子(4)本身带电，电场强度不变；若微纳粒子(4)不产生运动，则微纳粒子(4)呈电中性，通过空气电离法，即将电场强度提高到预设范围使微纳粒子(4)周围的空气电离，微纳粒子(4)与正离子或者负离子结合，使得微纳粒子(4)带电，微纳粒子(4)带电后将电场强度恢复至步骤1)中的电场强度；
3)带电的微纳粒子(4)受到按频率f0变化的正弦电场力的作用在光镊系统中产生位移变化；
4)在光镊系统旁放置四象限探测器QPD和示波器，使用四象限探测器QPD获取带电微纳粒子(4)的位置信息，获取对应的输入幅度Ain；使用示波器获取带电微纳粒子(4)的位移信号，获取对应的输入相位Φin；
5)在预设的测试频率范围内，按照均匀间隔选取多个频率，对光镊系统中的带电微纳粒子(4)施加选取出的多个不同频率下的正弦电场力，使用四象限探测器QPD和示波器获取多个输出幅度Aout和输出相位Φout；
6)计算多个归一化幅频响应值Ain/Aout以及相频响应值Φout-Φin；
7)通过步骤6)中得出的多个归一化幅频响应值和多个相频响应值绘制幅频响应曲线和相频响应曲线，根据绘制的曲线得出幅频响应特征和相频响应特征，进而测试出光镊系统的频率特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场力激励的频率特性测试方法，其特征在于：
所述步骤1)中，正弦变化的电压的表达式如下：
V0sin(2πf0t+φ)
其中，V0表示施加电压的幅值，f0表示电场的初始频率，t表示施加电压的作用时间，φ表示电场的初始相位。
3.根据权利要求1所述的一种基于电场力激励的频率特性测试方法，其特征在于：
所述步骤2)中，电场强度预设范围为300V/m～350V/m。
4.根据权利要求1所述的一种基于电场力激励的频率特性测试方法，其特征在于：
所述步骤5)中，预设的测试频率范围为1k～100kHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于电场力激励的光镊系统频率特性测试方法，其特征在于：所述电场的压强的预设范围为1e-5mbar～1.02e3mbar。
6.应用于权利要求1-5所述方法的一种光镊系统，其特征在于：
包括第一聚焦透镜(1)、第二聚焦透镜(2)、对射双光束(3)和微纳粒子(4)；第一聚焦透镜(1)和第二聚焦透镜(2)同心正对布置，第一聚焦透镜(1)和第二聚焦透镜(2)之间存在间隔，从第一聚焦透镜(1)和第二聚焦透镜(2)的两侧入射两束与第一聚焦透镜(1)和第二聚焦透镜(2)光轴方向平行的光束作为对射双光束(3)，对射双光束(3)分别透射过第一聚焦透镜(1)和第二聚焦透镜(2)会聚于第一聚焦透镜(1)和第二聚焦透镜之间间隔的中心部分形成光阱，光阱中心处稳定捕获有一个微纳粒子(4)。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114859076A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-08-05 | 之江实验室 | 基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法及装置 |
| CN114859076B (zh) * | 2022-07-06 | 2022-10-21 | 之江实验室 | 基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113848382B (zh) | 2023-12-19 |
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