CN116449050A - 一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置及控制方法。本发明包括集成超透镜、光纤、微球存储微腔的片上传感单元、微球位移探测冷却组件；将片上传感单元置于真空腔内确保其处于高真空中，开启激光使其经过光纤、超透镜后形成对射双光束光阱，开启起支组件振动微腔使得微球脱附后被光阱捕获，利用探测光纤从侧面收集被捕获微粒的散射光，实现微粒的三轴位移信号采集，在此基础上引入冷却激光抑制微球质心运动。本发明将超透镜引入光纤光阱，极大减小片上光阱的体积的同时提高探测灵敏度；引入多路光纤实现微球位移探测及冷却，本发明的高集成度、高稳定度为高精度真空光阱加速度计的实用化解决小型化和片上集成问题。
Description
技术领域
本发明涉及光阱悬浮微球领域的一种片上集成的装置及方法，尤其是涉及了一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置及方法。
背景技术
光镊是一种利用光的辐射压力悬浮、测量和操纵尺寸在数十纳米至数十微米范围内微球的光学技术，又被称为光阱。光镊可以作为微探针实时测量微球的微小位移以及pN量级的微小作用力，因此在高精度加速度传感器方向有广泛的应用空间和极高的价值。其中，真空光镊可以隔绝外部热力学噪声，可以使得测量精度进一步提高。
传统的空间光阱系统体积较大且光路复杂，近年来微纳技术的发展推动了片上集成光阱的发展，出现了如光纤光阱、腔光阱等技术，使得以光镊为基础的加速度传感系统不但具有光学测量的优点，还可具有体积小、易制造、稳定性好、成本低等特点，为光悬浮技术从基础物理研究到工程技术应用的转化提供了巨大的可能性。Tongcang Li组的"On-chipoptical levitation with a metalens in vacuum"将微纳技术制作的超透镜与传统空间光阱系统结合，成功利用单光束悬浮了百纳米微球，但空间光路体积仍然庞大。
同时目前在片上集成光阱的发展路上还有许多问题亟待解决，例如作为核心敏感单元的传感微球易丢失且难以重复起支、普通光纤光阱的刚度较低使得光阱稳定性差。再如CN 110595151 B的自聚焦光纤光阱采用的光纤NA较低(通常NA<0.3)，因而被捕获的微球对捕获光的散射效率低，探测灵敏度低。此外对于加速度传感，加速度测量精度随着微球质量的增大而增高，但是大质量微球极易在真空中逃逸，仍需借助外部冷却系统来帮助稳定捕获悬浮。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置及方法。本发明将超透镜引入光纤光阱，极大减小片上光阱的体积的同时提高探测灵敏度；设计微腔结构存储微球，以实现微球的重复起支、捕获；同时引入多路光纤实现微球位移探测及冷却，使得该片上传感单元具有高集成度、高稳定度以及实用性的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一、一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置
装置包括真空腔、片上传感单元、压电振动装置、超声波驱动器、捕获光纤、探测光纤、第一光纤激光器、第二光纤激光器、反馈冷却模块、四象限探测器和冷却光纤；
片上传感单元和压电振动装置设置在真空腔内，片上传感单元安装在压电振动装置上，压电振动装置与超声波驱动器电连接；第一光纤激光器通过捕获光纤与片上传感单元相连，四象限探测器通过探测光纤与片上传感单元相连，反馈冷却模块通过对应的冷却光纤与片上传感单元和第二光纤激光器相连，反馈冷却模块与四象限探测器电连接。
所述片上传感单元内设置有微腔，微腔中安装有超透镜，超透镜由第一超透镜和第二超透镜组成，第一超透镜和第二超透镜分别安装在微腔的两端部，第一超透镜的焦点和第二超透镜的焦点重合，第一超透镜和第二超透镜之间的微腔中放置有微球，片上传感单元的两端分别开设有对应的端部通道，所述捕获光纤由第一捕获光纤和第二捕获光纤组成，第一捕获光纤穿过第一端部通道后与第一超透镜紧贴且对准，第二捕获光纤穿过第二端部通道后与第二超透镜紧贴且对准，第一光纤激光器中出射的激光经过捕获光纤和超透镜后在微腔内构成双光束光阱。
所述片上传感单元的其中两个侧面分别开设有对应的侧面通道，所述冷却光纤由第一冷却光纤、第二冷却光纤和第三冷却光纤组成，第一冷却光纤穿过第一端部后与第一超透镜紧贴且对准，第二冷却光纤和第三冷却光纤分别穿过对应的侧面通道后设置在微腔内；所述的探测光纤从其中一个侧面通道穿过后设置在微腔内。
所述冷却光纤与探测光纤均对准双光束光阱的焦点。
所述的第二光纤激光器产生冷却光束，冷却光束分为三路后再分别被反馈冷却模块调制，分别经对应的冷却光纤传输进入片上传感单元的微腔内。
所述的片上传感单元与压电振动装置通过胶粘、压或夹的方式紧紧连接。
所述的反馈冷却模块包括比例微分反馈、带通滤波器和声光调制器。
所述的微球数量为5～6个，形状为球状、棒状或哑铃状，尺寸为十微米量级，材料包括二氧化硅。
二、应用于所述一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置的控制方法
步骤1)：将片上传感单元和压电振动装置放入真空腔，抽真空后开启第一光纤激光器，第一光纤激光器中出射的激光经过捕获光纤和超透镜构成双光束光阱，将冷却光纤、探测光纤对准双光束光阱焦点；
步骤2)：启动超声波驱动器，压电振动装置将振动带动整个片上传感单元振动，实现片上传感单元微腔内微球的脱附，微球进入自由空间并在经过双光束光阱时被捕获，实现腔内起支；
步骤3)：双光束光阱中微球被光辐射产生的散射光束被侧面的探测光纤收集后汇集在四象限探测器上，计算微球位移对探测光纤收集的散射光束的影响，并结合四象限探测器参数求解微球位移信息；
步骤4)：反馈冷却模块接收来自四象限探测器的微球位移信息后产生对应的调制信号，开启第二光纤激光器，其发射的冷却光束分为三路，经过反馈冷却模块时功率被调制，随后进入片上传感单元对微球进行冷却，抑制微球质心运动；
步骤5)：重复步骤2)-步骤4)，实现微球的重复起支、捕获以及冷却；实验过程中，若双光束光阱焦点处的微球丢失，则重复步骤2)，实现重复起支微球，从而能继续进行实验。
本发明的有益效果是：
本发明将超透镜引入光纤光阱。超透镜超薄、体积极小、工作距离仅百微米级，易于集成入光纤光阱，同时其对光场的调控能力可以使得光纤光阱的刚度、稳定性进一步提高；且目前超透镜的加工工艺已逐步发展、成熟，利于后续重复、大量生产。与普通的空间光路光阱相比，光纤光阱体积小，易集成。本发明与普通的光纤光阱(例如CN 110595151 B的自聚焦光纤光阱)相比，超透镜的NA更大(通过相位设计可实现NA>0.5的高聚焦效果)，微球对超透镜聚焦的捕获光的散射效率更高，会极大提高探测灵敏度。
本发明还设计了片上传感单元内的微腔结构存储微球，可以实现微球的重复起支、腔内起支，避免多次装载微球。
最后本发明引入了多路光纤实现微球位移探测及冷却，其中探测光纤为大孔径高数值孔径的多模光纤，可实现传感测量功能，相对于用普通物镜有更小的体积以及灵活度；同时相对于普通光纤光阱，引入了三路冷却光纤，帮助稳定在真空中捕获的大质量微球。整个片上传感单元的长宽高皆为毫米量级，体积极小，兼具捕获、探测、冷却的集成功能。
因此本发明具有高集成度、高稳定度以及实用性的特点，可为高精度真空光阱加速度计的实用化解决小型化和片上集成问题。
附图说明
图1为本装置的总体结构示意图；
图2为实施例一中步骤1)的片上传感单元结构示意图(剖面图)；
图3为实施例一中步骤4)的片上传感单元结构示意图(半剖面图)；
图中：1、真空腔，2、片上传感单元，3、压电振动装置，4、捕获光纤，4.1、第一捕获光纤，4.2、第二捕获光纤，5、冷却光纤，5.1、第一冷却光纤，5.2、第二冷却光纤，5.3、第三冷却光纤，6、探测光纤，7、第一光纤激光器，8、反馈冷却模块，9、四象限探测器，10、超声波驱动器，11、第二光纤激光器，12、超透镜，12.1、第一超透镜，12.2、第二超透镜，13、微球，14、双光束光阱，15、散射光束，16、冷却光束。
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、图2和图3所示，装置包括真空腔1、片上传感单元2、压电振动装置3、超声波驱动器10、捕获光纤4、探测光纤6、第一光纤激光器7、第二光纤激光器11、反馈冷却模块8、四象限探测器9和冷却光纤5；
片上传感单元2和压电振动装置3设置在真空腔1内，片上传感单元2安装在压电振动装置3上，片上传感单元2与压电振动装置3通过胶粘、压或夹的方式紧紧连接。压电振动装置3通过导线与超声波驱动器10电连接；第一光纤激光器7通过捕获光纤4与片上传感单元2相连，四象限探测器9通过探测光纤6与片上传感单元2相连，反馈冷却模块8通过对应的冷却光纤5与片上传感单元2和第二光纤激光器11相连，反馈冷却模块8通过导线与四象限探测器9电连接。第一光纤激光器7用于产生1064nm激光，第二光纤激光器11用于产生532nm激光。
片上传感单元2外观为长方体，其长宽高皆为毫米量级。片上传感单元2内设置有微腔，微腔中安装有超透镜12，超透镜12的基底为二氧化硅，其上分布着纳米硅柱。通过几何结构(纳米硅柱)的设计和制造可以实现对光波特性(包括相位、幅度和偏振)的控制，调整亚波长结构的轮廓、位置和角度，从而控制超透镜12的聚焦和成像特性。超透镜12的径向尺寸以及焦距在百微米量级，厚度为毫米量级，经过相位设计其NA可超过0.5，可高度聚焦光束。超透镜12由第一超透镜12.1和第二超透镜12.2组成，第一超透镜12.1和第二超透镜12.2分别安装在微腔的两端部，第一超透镜12.1和第二超透镜12.2之间沿光轴间隔布置，第一超透镜12.1的焦点和第二超透镜12.2的焦点重合，第一超透镜12.1和第二超透镜12.2之间的微腔中放置有微球13，片上传感单元2的两端分别开设有对应的端部通道，捕获光纤4的径向尺寸为十微米级量级，用于传输1064nm激光。捕获光纤4.1由第一捕获光纤4.1和第二捕获光纤4.2组成，第一捕获光纤4.1穿过第一端部通道后与第一超透镜12.1紧贴且对准，第二捕获光纤4.2穿过第二端部通道后与第二超透镜12.2紧贴且对准，第一捕获光纤4.1和第二捕获光纤4.2从片上传感单元2的轴向插入，第一光纤激光器7中出射的激光经过捕获光纤4和超透镜12后再微腔内构成双光束光阱14。是微球13对由捕获光纤4出射的捕获光束发生散射后形成散射光束15，散射光束15经过探测光纤6收集后汇集到四象限探测器9上。
片上传感单元2的其中两个侧面分别开设有对应的侧面通道，冷却光纤5由第一冷却光纤5.1、第二冷却光纤5.2和第三冷却光纤5.3组成，端部通道和侧面通道的直径均为十微米级。第一冷却光纤5.1穿过第一端部后与第一超透镜12.1紧贴且对准，即与第一捕获光纤4.1共光路，第二冷却光纤5.2和第三冷却光纤5.3分别穿过对应的侧面通道后设置在微腔内；探测光纤6从其中一个侧面通道穿过后设置在微腔内，探测光纤6从片上传感单元2的径向插入；即探测光纤6与第二冷却光纤5.2共光路。探测光纤6为大孔径高数值孔径NA,Numerical Aperture的多模光纤，用于收集微腔内的散射光束15。冷却光纤5与探测光纤6均对准双光束光阱14的焦点。
第二光纤激光器11产生冷却光束，冷却光束分为三路后再分别被反馈冷却模块8调制，分别经对应的冷却光纤传输进入片上传感单元2的微腔内。
压电振动装置3利用锆钛酸铅压电陶瓷PZT的逆压电效应，即通过超声波驱动器10对PZT施加一个高速交变电场，使其在厚度方向上快速伸缩。与超声波驱动器10共同组成起支组件。
具体实施中，反馈冷却模块8包括比例微分反馈、带通滤波器和声光调制器AOM。
微球13数量为5～6个，形状为球状、棒状或哑铃状，尺寸为十微米量级，材料包括二氧化硅，存储在片上传感单元2微腔中。
本发明的具体应用实施例及其实施过程如下：
步骤1)：准备工作：将片上传感单元2和压电振动装置3放入真空腔1，抽真空后开启1064nm光纤激光器7，1064nm激光被等功率分为两路，通过第一捕获光纤4.1、第二捕获光纤4.2传输，从片上传感单元2的两端分别经过第一超透镜12.1、第二超透镜12.2后构成对射双光束光阱14。将冷却光纤5、探测光纤6对准双光束光阱14焦点。
步骤2)：起支微球：启动超声波驱动器10，压电振动装置3将振动带动整个片上传感单元2振动，实现片上传感单元2微腔内微球13的脱附，进入自由空间，在经过双光束光阱14时被捕获，实现腔内起支；
步骤3)：如图3所示，双光束光阱14中微球13被光辐射产生散射光束15，被侧面的探测光纤6收集后打在四象限探测器9上。在探测仿真和设计中，采用以下计算步骤：(1)计算无小球时探测光纤6附近的光场分布；(2)对在焦点附近任意位置的小球，利用米氏理论或瑞利散射理论解出双光束光阱14中每一个局部发出的平面波散射光场分布；(3)侧向散射中，求出探测光纤6端面的总散射波和未散射波干涉光场，从而计算其所对应的立体角中的总散射场、探测光纤6接收光强；(4)根据无小球时探测光纤6附近的光场分布、小球位于焦点附近时的平面波散射光场分布、探测光纤6应的立体角中的总散射场、探测光纤6接收光强以及四象限探测器9的伏米转换系数(即响应度)，求出相应的微球13的位移信息。侧向多模探测光纤会收集来自微球散射的捕获光以及冷却光，由于捕获光、冷却光的波长不同，可用二向色镜处理探测光纤6收集的散射光束15，不影响微球位移的探测。
步骤4)：如图3所示，532nm冷却光束16从532nm光纤激光器发射后分为三路，经过反馈冷却模块8时功率被调制，随后进入片上传感单元2作为冷却光束16对微球13进行冷却，抑制微球13质心运动。其中，反馈冷却模块8接收来自步骤3)中四象限探测器9的微球位移信息，经过比例微分反馈、带通滤波器、AOM(声光调制器)等单元后产生对应的调制信号。
步骤5)：重复步骤2)-步骤4)，实现微球13的重复起支、捕获以及冷却；实验过程中，若双光束光阱14焦点处的微球13丢失，则重复步骤2)，实现重复起支微球13，从而能继续进行实验。
综上，本发明将超透镜引入光纤光阱，极大减小片上光阱的体积的同时提高探测灵敏度；设计微腔结构存储微球，以实现微球的重复起支、捕获；同时引入多路光纤实现微球位移探测及冷却，使得该片上传感单元具有高集成度、高稳定度以及实用性的特点。
上述具体实施方式用来解释本发明，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，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，包括真空腔(1)、片上传感单元(2)、压电振动装置(3)、超声波驱动器(10)、捕获光纤(4)、探测光纤(6)、第一光纤激光器(7)、第二光纤激光器(11)、反馈冷却模块(8)、四象限探测器(9)和冷却光纤(5)；
片上传感单元(2)和压电振动装置(3)设置在真空腔(1)内，片上传感单元(2)安装在压电振动装置(3)上，压电振动装置(3)与超声波驱动器(10)电连接；第一光纤激光器(7)通过捕获光纤(4)与片上传感单元(2)相连，四象限探测器(9)通过探测光纤(6)与片上传感单元(2)相连，反馈冷却模块(8)通过对应的冷却光纤(5)与片上传感单元(2)和第二光纤激光器(11)相连，反馈冷却模块(8)与四象限探测器(9)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，所述片上传感单元(2)内设置有微腔，微腔中安装有超透镜(12)，超透镜(12)由第一超透镜(12.1)和第二超透镜(12.2)组成，第一超透镜(12.1)和第二超透镜(12.2)分别安装在微腔的两端部，第一超透镜(12.1)的焦点和第二超透镜(12.2)的焦点重合，第一超透镜(12.1)和第二超透镜(12.2)之间的微腔中放置有微球(13)，片上传感单元(2)的两端分别开设有对应的端部通道，所述捕获光纤(4.1)由第一捕获光纤(4.1)和第二捕获光纤(4.2)组成，第一捕获光纤(4.1)穿过第一端部通道后与第一超透镜(12.1)紧贴且对准，第二捕获光纤(4.2)穿过第二端部通道后与第二超透镜(12.2)紧贴且对准，第一光纤激光器(7)中出射的激光经过捕获光纤(4)和超透镜(12)后在微腔内构成双光束光阱(14)。
3.根据权利要求2所述的一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，所述片上传感单元(2)的其中两个侧面分别开设有对应的侧面通道，所述冷却光纤(5)由第一冷却光纤(5.1)、第二冷却光纤(5.2)和第三冷却光纤(5.3)组成，第一冷却光纤(5.1)穿过第一端部后与第一超透镜(12.1)紧贴且对准，第二冷却光纤(5.2)和第三冷却光纤(5.3)分别穿过对应的侧面通道后设置在微腔内；所述的探测光纤(6)从其中一个侧面通道穿过后设置在微腔内。
4.根据权利要求2所述的一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，所述冷却光纤(5)与探测光纤(6)均对准双光束光阱(14)的焦点。
5.根据权利要求2所述的一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，所述的第二光纤激光器(11)产生冷却光束(16)，冷却光束(16)分为三路后再分别被反馈冷却模块(8)调制，分别经对应的冷却光纤(5)传输进入片上传感单元(2)的微腔内。
6.根据权利要求1所述的一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，所述的片上传感单元(2)与压电振动装置(3)通过胶粘、压或夹的方式紧紧连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，所述的反馈冷却模块(8)包括比例微分反馈、带通滤波器和声光调制器。
8.根据权利要求1所述的一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置，其特征在于，所述的微球(13)数量为5～6个，形状为球状、棒状或哑铃状，尺寸为十微米量级，材料包括二氧化硅。
9.应用于权利要求1-8任一所述一种基于超透镜的高真空片上光阱的装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将片上传感单元(2)和压电振动装置(3)放入真空腔(1)，抽真空后开启第一光纤激光器(7)，第一光纤激光器(7)中出射的激光经过捕获光纤(4)和超透镜(12)构成双光束光阱(14)，将冷却光纤(5)、探测光纤(6)对准双光束光阱(14)焦点；
步骤2)：启动超声波驱动器(10)，压电振动装置(3)将振动带动整个片上传感单元(2)振动，实现片上传感单元(2)微腔内微球(13)的脱附，微球(13)进入自由空间并在经过双光束光阱(14)时被捕获，实现腔内起支；
步骤3)：双光束光阱(14)中微球(13)被光辐射产生的散射光束(15)被侧面的探测光纤(6)收集后汇集在四象限探测器(9)上，计算微球(13)位移对探测光纤(6)收集的散射光束(15)的影响，并结合四象限探测器(9)参数求解微球位移信息；
步骤4)：反馈冷却模块(8)接收来自四象限探测器(9)的微球位移信息后产生对应的调制信号，开启第二光纤激光器(11)，其发射的冷却光束(16)分为三路，经过反馈冷却模块(8)时功率被调制，随后进入片上传感单元(2)对微球(13)进行冷却，抑制微球(13)质心运动；
步骤5)：重复步骤2)-步骤4)，实现微球(13)的重复起支、捕获以及冷却；实验过程中，若双光束光阱(14)焦点处的微球(13)丢失，则重复步骤2)，实现重复起支微球(13)，从而能继续进行实验。
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| CN117214548A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-12 | 之江实验室 | 电场传感探头 |
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| CN117192790A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-08 | 浙江大学 | 实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜和光波导光学模组 |
| CN117192790B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-04-09 | 浙江大学 | 实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜和光波导光学模组 |
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