CN114910662B - 结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的装置及方法。包括形成真空环境的真空腔、产生磁阱捕获微球的磁阱组件、产生光阱捕获微球的光阱组件、初始固定并释放微球的起支组件；利用基于抗磁悬浮原理的磁阱捕获微球，抽高真空后打开激光光源，调整双光束的对准聚焦使得微球处于双光束光阱中心，待微球稳定悬浮后，驱动三轴电控位移台使得磁阱远离光阱中心，此时微球完全依靠双光束光阱稳定悬浮。本发明结合两种势阱各自的优势，可以在不借助复杂质心运动冷却系统的前提下实现大质量微球在高真空环境的稳定悬浮。

Description

结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的装置及方法

技术领域

本发明涉及微球捕获悬浮系统的装置及方法，尤其是涉及了一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的装置及方法。

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的玻璃微球。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球稳定捕获，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球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，该力使得介质微球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。

近年来，人们已经发现，若使捕获的介质微球处在真空环境中，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 Moore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、高性能惯性传感器、非牛顿引力探索、宏观量子态制备等领域已展现出重要应用价值与广阔的发展前景。

对于加速度传感，微球质量越大，加速度测量精度越高。但是微米量级以上的微球由于对激光的吸热效应更为显著，极易在真空环境中逃逸，使得在高真空环境的稳定捕获困难重重，往往需要借助外部复杂的微球运动抑制(质心运动冷却)系统来帮助稳定捕获悬浮。加热效应的来源有两方面：

第一，微球材料对光的吸收。虽然针对不同波长可以选择吸收系数非常低的微球材料，但吸收系数不可能为零，为克服微球重力，只能用较大激光功率，那么即使很小的吸收系数也会存在无法忽视的光热效应；

第二，真空环境下，空气分子平均自由程较大，无法形成有效热耗散，使微球绝对温度急剧升高，又作用于外部空气分子，形成剧烈的局部分子运动，二者互相影响，最终使微球逃逸。另外一方面，研究表明真空度越高，最小可探测量越小，测量精度越高。以加速度传感为例，最小可测加速度的值与P1/2成正比。所以说，真空光镊系统中能达到的真空度直接制约了极限测量精度，这对应了真空光镊系统中关键的技术难点。如何实现利用光阱在更高真空度的稳定捕获和灵敏探测微球，是值得深入研究的科学问题。

与此同时，基于抗磁性的抗磁悬浮磁阱在不断发展。抗磁性材料的主要宏观特性就是它们会被磁场排斥，基于这个性质，抗磁性物质能够自由稳定地悬浮于非均匀的磁场中。物质的抗磁性在1778年首次由迈克尔·法拉第发现，而抗磁悬浮想法最早在1847年由威廉·汤姆孙提出，其典型实验成果可见1997年实现的悬浮青蛙、1999年通过手指稳定悬浮NdFeB永磁体。发展至今，抗磁悬浮微球也被应用在精密测量领域，拥有无加热效应、低耗散率、低冷却温度、被动悬浮、可悬浮大质量介质等优点，但是相对光阱而言，其构成的势阱谐振频率低2～3个数量级，谐振子传感带宽更小。

发明内容

针对目前光阱系统中，存在抽高真空时系统难以稳定捕获微球的问题，本发明提出了一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的装置及方法。本发明结合两种势阱各自的优势，可以在不借助复杂质心运动冷却系统的前提下实现微球在高真空环境的稳定悬浮。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一、一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的装置：

包含真空腔，用于在微球周围环境形成真空环境；

包括磁阱组件，磁阱组件用于产生磁阱捕获微球；

包括光阱组件，光阱组件用于产生光阱捕获微球；

包括起支组件，用于初始固定并释放微球。

所述的磁阱组件为可移动的磁阱组件，在磁阱捕获微球前不布置于真空中，在磁阱捕获微球后布置于真空中，在光阱捕获微球后移走。

所述的磁阱组件包括三轴电控位移台和磁阱发生器，三轴电控位移台和磁阱发生器连接，由三轴电控位移台带动磁阱发生器在空间中三维移动。

所述的起支组件包括光纤和压电陶瓷；光纤一端粘附微球，且延伸至磁阱组件产生的磁阱内部，另一端连接压电陶瓷。

所述的光阱组件包括沿同一光轴布置的两个透镜、光功率调节模块、光源；光源发出光阱捕获光，光阱捕获光经光功率调节模块功率调节后分为两束光，两束光从真空腔对称的两侧入射到真空腔内，经两个透镜汇聚后形成双光束光阱。

光阱捕获光光轴方向包括但不限于水平方向，焦点位于真空腔内，即使得光阱位于真空腔内。

所述光阱捕获光包括但不限于激光，光源包括但不限于激光光源。

所述透镜放置在真空腔中，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。

所述光功率调节模块是指能调节光阱捕获光功率的模块，包括但不限于声光调制器、电光调制器。

除光阱组件的透镜、微球、磁阱组件和起支组件位于真空腔内，其余元件都位于真空腔外。

所述的磁阱发生器的结构包括但不仅限于四极柱状磁阱，材料包括但不仅限于SmCo、Ferro Cobalt等。

所述微球形状包括但不限于球状、棒状和哑铃状，材料具有抗磁性特质，如PMMA。微球在空间三个维度上的尺寸在100纳米至100微米之间，被磁阱和光阱所捕获。

二、一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的方法：

方法包括以下步骤：

步骤1)：先将磁阱发生器和光纤等置于真空腔内，初始情况下真空腔内充满空气，磁阱发生器产生磁阱，光纤末端粘附微球后延伸至磁阱内部，压电陶瓷高频率振动使得微球振动脱离光纤至磁阱内，完成真空腔内微球振动起支；

步骤2)：微球起支后在真空腔内由磁阱稳定捕获悬浮，开始对真空腔抽真空；

步骤3)：待真空腔内实现高真空环境后，光源发出光阱捕获光，调整光阱捕获光方向和功率后使得双光束完成平行对准，使微球处于双光束光阱和磁阱中心，实现稳定悬浮；

步骤4)：待微球稳定悬浮后，操作三轴电控位移台，水平方向移动磁阱使得微球离开磁阱。

根据仿真计算，磁阱离开微球一厘米以上使得悬浮微球忽略磁阱对其的影响，使得磁阱对微球的力小于光阱对其的力一个量级以上。在磁阱离开微球一厘米以上后，此时微球在双光束光阱中实现稳定悬浮。

本发明通过先磁阱捕获再抽真空，再光阱捕获，解决了磁阱捕获能量耗散的问题，也解决了光阱热效应吸收激光的问题，实现了磁阱和光阱的相互支持与协同。

而且本发明将磁阱和光阱结合后，也使得光阱的装置更加简单，去掉了去掉冷却光路，实用更好。

本发明首先利用基于抗磁悬浮原理的磁阱捕获微球，抽高真空后打开激光光源，调整双光束的对准聚焦使得微球处于双光束光阱中心。待微球稳定悬浮后，驱动三轴电控位移台使得磁阱远离光阱中心，此时微球完全依靠双光束光阱稳定悬浮。

本发明的有益效果是：

本发明结合两种势阱各自的优势，可以实现在抽高真空过程中利用磁阱稳定捕获、悬浮微球，在抽高真空后将微球由磁阱转移至光阱中，在高真空环境中不借助复杂质心运动冷却系统的前提下使得微球稳定悬浮于高刚度、高频率的光阱中，进一步提高加速度传感测量，具有实际应用价值。

本发明首次提出了结合磁阱捕获并悬浮微球至高真空环境、微球由磁阱转移至双光束光阱悬浮微球的方法，它可以保证微球在抽高真空的过程中利用磁阱实现捕获和稳定悬浮，并在抽高真空后在双光束的高刚度光阱中维持稳定悬浮，使得不使用传统的复杂质心运动冷却系统即可实现高真空环境中微球的稳定悬浮，推动真空光阱精密测量系统走向实用化。

附图说明

图1为实施例一中步骤1)的元件结构示意图；

图2为实施例一中步骤3)的元件结构示意图；

图3为实施例一中步骤3)的元件结构示意图；

图4为实施例一中步骤4)的元件结构示意图。

图1-4中，1、光阱捕获光，2、透镜，3、透镜，4、光功率调节模块，5、真空腔，6、微球，7、反射镜，8、三轴电控位移台，9、光源，10、磁阱，11、光纤，12、压电陶瓷，13、反射镜，14、反射镜。图1-4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3所示，装置包括：

包含真空腔5，用于在微球6周围环境形成真空环境；

包括磁阱组件，磁阱组件用于产生磁阱捕获微球6；

包括光阱组件，光阱组件用于产生光阱捕获微球6，局部布置于真空腔5；

包括起支组件，用于初始固定并释放微球6。

磁阱组件为可移动的磁阱组件，在磁阱捕获微球6前不布置于真空中，在磁阱捕获微球6后布置于真空中，在光阱捕获微球6后移走。

磁阱组件包括三轴电控位移台8和磁阱发生器10，三轴电控位移台8和磁阱发生器10连接，由三轴电控位移台8带动磁阱发生器10在空间中三维移动，可以做水平方向的运动。

起支组件包括光纤11和压电陶瓷12；光纤11一端粘附微球6，且延伸至磁阱组件产生的磁阱内部，另一端连接压电陶瓷12。

如图3和图4所示，光阱组件包括沿同一光轴布置的两个透镜2、3、光功率调节模块4、光源9、反射镜7、13、14；光源9发出光阱捕获光1的光束，光阱捕获光1经光功率调节模块4功率调节后分为两束光，一束光沿原光路前行，另一束光经过反射镜7、13、14，两者分别从真空腔5对称的两侧入射到真空腔5内，经两个透镜2、3汇聚后形成双光束光阱。

除光阱组件的透镜2、3、微球6、磁阱组件和起支组件位于真空腔5内，其余元件都位于真空腔5外。

本发明的实施例及其实施过程如下：

步骤1)：

起支是指将粘附在固态基板上或者悬浮在溶液中的微球转移至势阱并被其捕获的过程。本发明采用振动脱附法方式，能够很好适用于微米级尺寸的微球。如图1所示，光纤末端用酒精擦净后，粘附上微球。光纤下伸至磁阱中间，另一端连接压电陶瓷。压电陶瓷高频率振动，使得微球振动脱离光纤至磁阱内，完成腔内振动起支。

步骤2)：

如图2所示，如果希望实现稳定的悬浮，则设计合理的磁场分布是至关重要的。对于使用永磁体的抗磁悬浮，关键是在磁阱中心处构建处极大磁场梯度。此时磁阱中存在重力势能和磁能的总和势能最低点，即力平衡位置。微球由于空气摩擦力损失动能后逐渐移动到该力平衡位置，实现捕获。待微球捕获、稳定悬浮后，再开始抽高真空。

步骤3)：

如图3所示，调节光功率调节模块，开启光阱捕获光。采用腔内针孔对准方法可以保证短时间内对射双光束的径向对准误差在微米以内，此时光阱捕获光在真空腔内被聚焦形成光阱。调整磁阱位置，使得微球处于双光束焦点位置，且在光阱、磁阱内稳定悬浮。

步骤4)：

如图4所示，利用三轴电控位移台移动磁阱，使得磁阱远离在光阱中稳定悬浮的微球。根据仿真计算，磁阱离开光阱一厘米以上时可以使得悬浮微球忽略磁阱对其的影响，使得磁阱对微球的力小于光阱对其的力一个量级以上。考虑利用质心运动反馈冷却抑制当磁阱离开时微球的运动，使得微球稳定悬浮在高真空的光阱中。

综上，本发明结合磁阱捕获并悬浮微球至高真空环境、微球由磁阱转移至双光束光阱悬浮微球的方法，保证微球在抽高真空的过程中利用磁阱实现捕获和稳定悬浮，并在抽高真空后在双光束的高刚度光阱中不利用传统的复杂质心运动冷却系统来维持稳定悬浮。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 (6)

1.一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的方法，其特征在于：

方法采用一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的装置，包含真空腔(5)，用于在微球(6)周围环境形成真空环境；包括磁阱组件，磁阱组件用于产生磁阱捕获微球(6)；包括光阱组件，光阱组件用于产生光阱捕获微球(6)；包括起支组件，用于初始固定并释放微球(6)；

所述的磁阱组件包括三轴电控位移台(8)和磁阱发生器(10)，所述的起支组件包括光纤(11)和压电陶瓷(12)，所述的光阱组件包括沿同一光轴布置的两个透镜(2、3)、光功率调节模块(4)、光源(9)；

方法包括以下步骤：

步骤1)：先将磁阱发生器(10)和光纤(11)置于真空腔(5)内，初始情况下真空腔(5)内充满空气，磁阱发生器(10)产生磁阱，光纤(11)末端粘附微球(6)后延伸至磁阱内部，压电陶瓷(12)振动使得微球(6)振动脱离光纤(11)至磁阱内，完成真空腔(5)内微球(6)起支；

步骤2)：微球(6)起支后在真空腔(5)内由磁阱稳定捕获悬浮，对真空腔(5)抽真空；

步骤3)：待真空腔(5)内实现真空环境后，光源(9)发出光阱捕获光(1)，调整光阱捕获光(1)方向和功率后使得双光束完成平行对准，使微球(6)处于双光束光阱和磁阱中心，实现稳定悬浮；

步骤4)：待微球(6)稳定悬浮后，操作三轴电控位移台(8)，移动磁阱使得微球(6)离开磁阱。

2.根据权利要求1所述的一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的方法，其特征在于：所述的磁阱组件为可移动的磁阱组件，在磁阱捕获微球(6)前不布置于真空中，在磁阱捕获微球(6)后布置于真空中，在光阱捕获微球(6)后移走。

3.根据权利要求2所述的一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的方法，其特征在于：所述三轴电控位移台(8)和磁阱发生器(10)连接，由三轴电控位移台(8)带动磁阱发生器(10)在空间中三维移动。

4.根据权利要求1所述的一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的方法，其特征在于：所述的光纤(11)一端粘附微球(6)，且延伸至磁阱组件产生的磁阱内部，另一端连接压电陶瓷(12)。

5.根据权利要求1所述的一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的方法，其特征在于：所述的光源(9)发出光阱捕获光(1)，光阱捕获光(1)经光功率调节模块(4)功率调节后分为两束光，两束光从真空腔(5)对称的两侧入射到真空腔(5)内，经两个透镜(2、3)汇聚后形成双光束光阱。

6.根据权利要求1所述的一种结合磁阱和光阱实现高真空环境悬浮微球的方法，其特征在于：除光阱组件的透镜(2、3)、微球(6)、磁阱组件和起支组件位于真空腔(5)内，其余元件都位于真空腔(5)外。

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