CN115164728A - 利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置及方法。装置包括光功率调节模块，光源发出光阱捕获光，经光功率调节后入射到汇聚到微球作用，作用后再出射到位移探测模块，被位移探测模块接收；先关闭捕获光使微球自由下落，下落一段距离后重新打开捕获光，重新捕获微球，使得微球做欠阻尼振荡运动；一段时间后，微球重回稳定捕获状态，不断重复并记录各周期微球振荡信号，以当地重力加速度作为绝对标准，计算出理论振荡曲线进行校准。本发明大大增强了光阱探测系统的可信度与可溯源性，并能校准非线性探测系统，装置及方法避免了设置复杂的探测系统校准装置，大大降低了系统的复杂度与调试难度。

Description

利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置及方法

技术领域

本发明涉及了一种校准探测系统的装置及方法，尤其是涉及了一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置及方法。

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。

Ashkin在首次实现真空中微球悬浮时就曾经预言：“如果(空气的)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。”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 Moorex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。

在基于光阱系统的传感与探测系统中，常常以探测光阱捕获的微球作为敏感单元，通过待测物理量引起的微球位移解算出待测物理量的大小。因此，对光阱系统中，特别是需要对物理量进行绝对测量的光阱系统中，对位移探测系统的校准就至关重要。

常见的探测系统校准方案分为被动校准与主动校准。被动校准主要基于微球在稳定捕获状态时功率谱与能量均分定理相匹配实现。校准过程中不确定因素多，缺少绝对标准，因此可信度较差。同时这些方法无法校准探测系统非线性。主动校准方法主要通过在光阱周围架设电极板，通过电场调制微球运动实现对探测系统的校准。这些方法缺少绝对标准，可溯源性较差，会受电极板间距、平行度等因素影响。同时这些方法需要在光阱周围架设复杂的校准装置，系统复杂度高，调试难度大，鲁棒性差。

发明内容

在许多光阱系统中，常常将光阱捕获的微球作为传感单元，并通过微球运动信息解算系统待测物理量。因此，对于光阱中微球位移探测系统的校准对光阱系统的探测精度至关重要。

针对目前光阱系统中，探测系统的校准方法缺少一种结构简单，具备绝对参考，可信度高且能校准探测系统非线性的校准方法，本发明提出了一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置及方法。本发明结构简单，具备绝对参考，可信度高且能校准探测系统非线性，对光阱系统的传感精度、系统复杂度等具有重要意义。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一、一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置：

包含真空腔、两个透镜、微球、位移探测模块和光源，真空腔内布置两个透镜和微球，真空腔外布置位移探测模块、光源；光源发出光阱捕获光，光阱捕获光入射到真空腔内的一个透镜上汇聚到微球上进而对微球进行捕获，经过微球的光阱捕获光再经真空腔内的另一个透镜后从真空腔出射到位移探测模块，被位移探测模块接收。

还包括光功率调节模块，使得光源发出光阱捕获光，光阱捕获光经过光功率调节模块光功率调节后入射到真空腔内的一个透镜上汇聚到微球上进而对微球进行作用，对微球作用后的光阱捕获光再经真空腔内的另一个透镜后从真空腔出射到位移探测模块，被位移探测模块接收。

还包括信号处理模块，位移探测模块和信号处理模块电连接，所述的位移探测模块接收与微球作用后出射真空腔的光阱捕获光的光场信号。

本发明中除两个透镜和微球位于真空腔内，其余元件都位于真空腔外。

所述透镜包括但不限于球面透镜、消球差透镜和非球面透镜。

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。

二、一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的方法：

方法包括以下步骤：

步骤1)：微球在真空腔内由光阱捕获光稳定捕获，为稳定捕获状态，位移探测模块接收与微球相互作用后出射真空腔的光阱捕获光的光场信号，并由信号处理模块接收并记录；

步骤2)：通过光功率调节模块调节光阱捕获光的功率，使光阱捕获光的光功率为零，即关闭光阱捕获光，然后微球在真空腔内受重力作用自由下落，如图2所示；

步骤3)：微球自由下落一段时间后，再光功率调节模块调节光阱捕获光功率，重新打开光阱捕获光，微球受光阱捕获光产生的光阱力与周围气体分子阻尼力作用下作欠阻尼振荡运动，如图3所示，再作欠阻尼振荡运动一段时间后，使得微球下落获得的能量被和真空腔内空气之间的摩擦全部耗散，微球下落产生的速度归零，微球重新回到步骤1)中的稳定捕获状态；

位移探测模块接收微球开始作欠阻尼振荡运动到最终回到稳定捕获状态过程中的光阱捕获光的光场信号，并由信号处理模块接收并记录；

所述的下落一段时间一般是0.1微秒至1微秒范围的时长。

单次步骤2)、3)形成了一次微球下落-振荡周期过程。

步骤4)：不断重复步骤2)、3)形成的微球下落-振荡周期过程，信号处理模块对接收到的光阱捕获光的光场信号作为所有微球下落-振荡周期的位移探测信号做处理，消除微球布朗运动以及探测噪声的影响，并计算光阱捕获光和微球构成的微球位移探测系统的光阱参数；

步骤5)：根据当地重力加速度与步骤4)计算得到光阱参数，处理获得微球理论振荡位移曲线，并与对应得到的位移探测信号一一对应进行标定，实现对微球位移探测系统的校准。

利用理论振荡位移曲线和位移探测信号一一对应标定的结果在待测情况下对实时的位移探测信号处理，获得对应的微球位移，实现对待测情况下微球位移的探测。

本发明通过控制微球先自由下落在进行欠阻尼振荡运动的方式，在其过程中进行测量标定，使得结果能够溯源到准确的重力加速度上，获得精确的标定结果，避免了现有技术中通过带电荷加电场测量位移多少而带来的不准确的问题(通过是由于电场难以精确测量以及微球重力的影响)。

所述的真空腔内存在稀薄空气，空气对微球产生摩擦力。

所述步骤4)中，信号处理模块对所有微球下落-振荡周期过程的位移探测信号进行多周期平均与滤波处理，筛选获得所有良好的信号，以消除微球布朗运动与探测噪声的影响。

所述的光阱参数包括微球位移探测系统的谐振频率以及微球周围气体分子对微球的阻尼系数。

所述步骤4)中，信号处理模块对处理后的微球振荡信号做拟合，计算获得光阱参数。

所述步骤5)中，结合当地重力加速度和光阱参数(即光阱谐振频率与周围空气分子阻尼系数)建立微球的理论振荡位移曲线模型，使微球每个时刻的位移探测信号与理论振荡位移曲线模型的理论振荡位移曲线一一对应，实现对微球位移探测系统的非线性校准。

理论振荡位移曲线是一个横坐标为时间，纵坐标为微球位移的曲线。

步骤1)至4)对探测系统的校准是以当地重力加速度为绝对参考，同时其他所有校准所需参数都在步骤3)中通过探测信号准确拟合得到，使对探测系统的校准具有可溯源性与较高的可信度。

本发明在步骤1)至4)对探测系统的校准在常规光阱系统外，只需要设置一光功率调节模块即可实现，避免了设置复杂的校准装置，减小了系统体积，降低了系统复杂度与调试难度。

本发明装置及方法在光阱稳定捕获微球后，调制光阱捕获光。

本发明先关闭捕获光使微球自由下落，当微球自由下落一段距离后，重新打开捕获光，重新捕获微球。微球因光阱力与周围空气分子阻尼力的作用做欠阻尼振荡运动。一段时间后，微球在下落过程中获得的能量被全部耗散，微球重回稳定捕获状态。此时，重新关闭捕获光，使微球不断重复此下落-振荡周期，并通过光阱探测系统探测并记录各周期微球振荡信号。通过信号处理手段处理得到的振荡信号，去除布朗运动与探测噪声的影响。最后，以当地重力加速度作为绝对标准，计算出理论振荡曲线，通过理论振荡曲线与探测得到的振荡信号作对照，校准光阱探测系统。

本发明首次提出了通过自由下落微球的方法校准光阱探测系统，引入重力加速度作为校准的绝对参考，大大增强了光阱探测系统的可信度与可溯源性，并能校准非线性探测系统。同时，该装置及方法避免了设置复杂的探测系统校准装置，大大降低了系统的复杂度与调试难度，具有实际应用价值。

本发明的有益效果是：

本发明以重力加速度作为绝对参考，对光阱探测系统实现非线性校准，实现了校准的可溯源性且提高了校准的可信度。同时该装置及方法无需复杂的校准装置，降低了系统复杂度与调试难度，增强了系统的鲁棒性。

因此本发明具有实际应用价值，能提高光阱中探测系统的探测精度与可行度，并降低光阱系统的复杂度。

附图说明

图1为本装置的元件结构示意图；

图2为实施例一中步骤2)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1-3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、位移探测模块，8、信号处理模块，9、光源。图1-3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1所示，具体实施包含真空腔5、两个透镜2、3、微球6、位移探测模块7、光源9和光功率调节模块4，真空腔5内布置两个透镜2、3和微球6，真空腔5外布置位移探测模块7、光源9、光功率调节模块4；光源9发出光阱捕获光1，光阱捕获光1经过光功率调节模块4光功率调节后入射到真空腔5内的一个透镜2上汇聚到微球6上进而对微球6进行作用，对微球6作用后的光阱捕获光1再经真空腔5内的另一个透镜3后从真空腔5出射到位移探测模块7，被位移探测模块7接收。

具体实施还包括信号处理模块8，位移探测模块7和信号处理模块8电连接，位移探测模块7接收与微球6作用后出射真空腔5的光阱捕获光1的光场信号。信号处理模块8与位移探测模块7相连，接收记录并处理位移探测模块7探测得到的信号。

光阱捕获光1包括但不限于激光，光源9包括但不限于激光光源。光阱捕获光1光轴方向包括但不限于水平方向，光阱捕获光1经第一个透镜2上汇聚的焦点位于真空腔5内。

透镜2、3放置在真空腔5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。

光功率调节模块4是指能调节光阱捕获光1功率的模块，包括但不限于声光调制器、电光调制器。

微球6形状包括但不限于球状、棒状和哑铃状，材料包括但不限于熔融二氧化硅、聚氯乙烯，微球6在空间三个维度上的尺寸在100纳米至100微米之间，被光阱捕获光1所捕获。

本发明的具体实施例如下：

步骤1)：

如图1所示，光阱捕获光在真空腔内被聚焦形成光阱，微球在光阱内被稳定捕获。降低真空腔内的气压，以降低微球周围气体分子阻尼的影响。

被捕获微球形状为球形，材料为二氧化硅微球，尺寸为直径10微米，真空腔内气压为5毫巴。

步骤2)：

如图2所示，调节光功率调节模块，关闭光阱捕获光。此时微球受重力作用在真空腔内自由下落运动。

微球周围空气分子对微球的阻尼系数为Γ₀，微球在竖直方向上的位移为y，经过的时间为t，重力加速度为g，则微球的运动方程为：

微球的初速度为v₀，在竖直方向上的初始位置为y₀，解微球的运动方程，获得微球在竖直方向上的位移y：

步骤3)：

如图3所示，调节光功率调节模块，重新打开光阱捕获光。微球在光阱中的谐振频率为Ω，微球下落距离为c_fall，微球下落获得的速度为v_fall，此时微球做欠阻尼振荡运动，运动方程为：

其中，α表示欠阻尼运动的阻尼，β表示欠阻尼运动的角频率，A表示欠阻尼运动的振幅，

表示欠阻尼运动的相位。

一段时间后，微球下落过程中获得的能量被全部耗散，微球重新回到步骤1) 中稳定捕获状态。微球的欠阻尼振荡位移信息由位移探测模块探测光阱捕获光的光场信号获得作为位移探测信号，信号处理模块接收并记录。

步骤4)：

重复步骤2)与步骤3)，是微球不断重复下落-振荡周期。

信号处理模块记录下微球各个下落-振荡周期的欠阻尼振荡信号，并综合所有良好的欠阻尼振荡信号做多周期平均处理。

通过多周期平均处理，消除微球布朗运动以及探测噪声的影响，获得噪声更少的平均信号。

由公式(3)可知，欠阻尼振荡信号的振动频率β与衰减系数α均与其他因素无关。因此，将得到的平均运动信号拟合公式(3)，得到振动频率β与衰减系数α的值，并通过二者的拟合结果计算光阱系统的谐振频率Ω和微球周围空气分子对微球的阻尼系数Γ₀。

步骤5)：

具体实施的探测系统为三阶非线性探测系统，探测系统的三阶系数为a₁，一阶系数为a₂，探测系统已知的电压偏置为V_偏置，则探测信号表示为：

V(t)＝a₁y³+a₂y+V_偏置 (4)

其中，V(t)为探测信号；

最后，通过已知的各周期微球下落与振荡时间，信号处理模块接收信号的时间间隔，计算得到的光阱的谐振频率Ω和微球周围空气分子对微球的阻尼系数Γ₀，和当地的重力加速度，根据公式(2)、(3)，计算出平均信号各时刻点对应的理论位移。

结合公式(4)，对探测信号与理论位移曲线之间的转换关系实现标定。由此可见，本发明能够实现光阱中探测系统的校准。

综上，本发明提出了一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置及方法，以重力加速度作为绝对参考，对光阱探测系统实现非线性校准，实现了校准的可溯源性且提高了校准的可信度。同时该装置及方法无需复杂的校准装置，降低了系统复杂度与调试难度，增强了系统的鲁棒性。

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 (9)

1.一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置，包含真空腔(5)、两个透镜(2、3)、微球(6)、位移探测模块(7)和光源(9)，真空腔(5)内布置两个透镜(2、3)和微球(6)，真空腔(5)外布置位移探测模块(7)、光源(9)；其特征在于：还包括光功率调节模块(4)，使得光源(9)发出光阱捕获光(1)，光阱捕获光(1)经过光功率调节模块(4)光功率调节后入射到真空腔(5)内的一个透镜(2)上汇聚到微球(6)上进而对微球(6)进行作用，对微球(6)作用后的光阱捕获光(1)再经真空腔(5)内的另一个透镜(3)后从真空腔(5)出射到位移探测模块(7)，被位移探测模块(7)接收。

2.根据权利要求1所述的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置，其特征在于：还包括信号处理模块(8)，位移探测模块(7)和信号处理模块(8)电连接，所述的位移探测模块(7)接收与微球(6)作用后出射真空腔(5)的光阱捕获光(1)的光场信号。

3.根据权利要求1所述的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置，其特征在于：所述透镜(2、3)包括但不限于球面透镜、消球差透镜和非球面透镜。

4.根据权利要求1所述的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的装置，其特征在于：所述光功率调节模块(4)是指能调节光阱捕获光(1)功率的模块，包括但不限于声光调制器、电光调制器。

5.应用于权利要求1-4任一所述装置的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的方法，其特征在于：方法包括以下步骤：

步骤1)：微球(6)在真空腔(5)内由光阱捕获光(1)稳定捕获，为稳定捕获状态，位移探测模块(7)接收与微球(6)相互作用后出射真空腔(5)的光阱捕获光(7)的光场信号，并由信号处理模块(8)接收并记录；

步骤2)：通过光功率调节模块(4)调节光阱捕获光(1)的功率，使光阱捕获光(1)的光功率为零，然后微球(6)在真空腔(5)内受重力作用自由下落；

步骤3)：微球(6)自由下落一段时间后，再光功率调节模块(4)调节光阱捕获光(1)功率，重新打开光阱捕获光(1)，微球(6)受光阱捕获光(1)产生的光阱力与周围气体分子阻尼力作用下作欠阻尼振荡运动，再作欠阻尼振荡运动一段时间后，微球(6)重新回到步骤1)中的稳定捕获状态；

位移探测模块(7)接收微球(6)开始作欠阻尼振荡运动到最终回到稳定捕获状态过程中的光阱捕获光(7)的光场信号，并由信号处理模块(8)接收并记录；

步骤4)：不断重复步骤2)、3)形成的微球下落-振荡周期过程，信号处理模块(8)对接收到的光阱捕获光(7)的光场信号作为所有微球下落-振荡周期的位移探测信号做处理，消除微球布朗运动以及探测噪声的影响，并计算光阱捕获光(1)和微球(6)构成的微球位移探测系统的光阱参数；

步骤5)：根据当地重力加速度与步骤4)计算得到光阱参数，处理获得微球(6)理论振荡位移曲线，并与对应得到的位移探测信号一一对应进行标定，实现对微球位移探测系统的校准。

6.根据权利要求5所述的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的方法，其特征在于：所述步骤4)中，信号处理模块(8)对所有微球下落-振荡周期过程的位移探测信号进行多周期平均与滤波处理，筛选获得所有良好的信号，以消除微球布朗运动与探测噪声的影响。

7.根据权利要求5所述的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的方法，其特征在于：所述的光阱参数包括微球位移探测系统的谐振频率以及微球(6)周围气体分子对微球(6)的阻尼系数。

8.根据权利要求5所述的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的方法，其特征在于：所述步骤4)中，信号处理模块(8)对处理后的微球振荡信号做拟合，计算获得光阱参数。

9.根据权利要求5所述的一种利用绝对重力加速度标定光阱中微球位移的方法，其特征在于：

所述步骤5)中，结合当地重力加速度和光阱参数建立微球的理论振荡位移曲线模型，使微球每个时刻的位移探测信号与理论振荡位移曲线模型的理论振荡位移曲线一一对应，实现对微球位移探测系统的非线性校准。

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