CN116718959A - 一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置与方法。装置包含光源、真空腔、聚焦透镜、收集透镜、微粒、位移探测器和三轴位移台；光源、位移探测器和真空腔均安装在三轴位移台上，真空腔内沿光轴依次安装有聚焦透镜和收集透镜；光源中出射的光阱捕获光入射至真空腔内，经聚焦透镜聚焦后形成光阱并捕获微粒，经微粒散射的光束再经收集透镜后入射至位移探测器，根据微粒谐振频率偏移计算磁感应强度梯度；通过三轴位移台的调节，使得位移探测器探测获得微粒在磁场不同位置中的运动信号。本发明能够精密探测极小局域范围内磁场分布，实现高空间分辨率，大动态范围的强磁场测量，在地质勘探，生物医学，材料检测等领域中有重大应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场探测的装置与方法，尤其是涉及了一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置与方法。
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20微米的玻璃微粒。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粒稳定捕获，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粒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，该力使得介质微粒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粒悬浮时就曾经预言：“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，若使捕获的介质微粒处在真空环境中，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。基于真空光阱悬浮微粒的超高传感精度，已实现对例如力，加速度等多种物理的超精密探测。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。
作为重要的物理量信息，磁场探测在地质勘探，灾害预警，生物医学，材料检测，等领域都有极高的应用需求。目前磁感应强度探测精度已达到飞特斯拉量级。然而，目前许多前沿科学研究与大型装置对磁场探测提出了微尺度，强磁场的需求，使传统磁场探测手段在这些领域受到限制。由于光阱中悬浮微粒在磁场中会受到力的作用，因此，能够实现以悬浮微粒作为敏感单元对磁场的探测。同时，悬浮微粒作为传感单元，拥有精度高、体积小、磁感应系数小的特点，使相关探测方案拥有高灵敏度、高空间分辨率、大动态范围等潜力，有很大的探索价值。
因此，研究一种基于光悬浮微粒，能够实现高灵敏度，高空间分辨率，大动态范围的探测磁场方法与装置，对于地质勘探，生物医学，材料检测等领域具有重要意义。
发明内容
针对目前光阱系统中，缺少一种能够实现高精度、高空间分辨率探测磁场的方案，本发明提出了一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场方法与装置。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一、一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置
装置包含光源、真空腔、聚焦透镜、收集透镜、微粒、位移探测器和三轴位移台；
光源、位移探测器和真空腔均安装在三轴位移台上，真空腔内沿光轴依次安装有聚焦透镜和收集透镜，微粒设置聚焦透镜和收集透镜之间；光源中出射的光阱捕获光入射至真空腔内，经聚焦透镜聚焦后形成光阱并捕获微粒，经微粒散射的光束再经收集透镜后入射至位移探测器，三轴位移台的调节，使得位移探测器探测获得微粒在磁场不同位置中的运动信号。
所述的光源包括激光光源。
所述的聚焦透镜与收集透镜包括球面透镜、消球差透镜和非球面透镜。
所述的聚焦透镜与收集透镜的材料包括熔融二氧化硅玻璃。
所述微粒的形状包括球状、棒状和哑铃状。
所述微粒的材料包括熔融二氧化硅和聚氯乙烯。
所述微粒在空间三个维度上的尺寸在10纳米至100微米之间。
所述位移探测器包括四象限探测器和平衡探测器。
二、一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的方法
方法采用一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，包括以下步骤：
步骤1：将装置的微粒置于无磁场位置，根据位移探测器探测的微粒运动信号计算微粒的理论谐振频率，移动三轴位移台，将微粒置于待测磁场中；
步骤2：调节三轴位移台，根据位移探测器探测的微粒运动信号计算当前位置下微粒的实际谐振频率，根据微粒的理论谐振频率和实际谐振频率计算获得当前位置的磁场感应强度梯度；
步骤3：多次重复步骤2，计算获得待测磁场中不同位置的磁场感应强度梯度，根据不同位置的磁场感应强度梯度计算获得待测磁场的磁感应强度梯度分布。
所述步骤2中，根据微粒的理论谐振频率和实际谐振频率计算微粒谐振频率漂移，基于微粒谐振频率漂移计算获得当前位置的磁场感应强度梯度。
被光阱捕获微粒在真空腔内，通过降低腔内气压使其位于高真空环境下，隔绝外界热噪声影响；由于高真空环境下悬浮微粒谐振峰拥有极窄线宽，大大增强了频移探测精度，能够实现高灵敏度的强磁场探测；并且作为探测敏感单元的悬浮微粒具有体积小、磁化率小的特点，拥有大动态范围，能够适应强磁场环境，并能结合精密的三轴位移台在与微粒尺寸相仿的微尺度下实现大动态范围强磁场探测。
本发明的有益效果是：
提出了一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场方法与装置。以光阱中捕获的微粒作为探测敏感单元，根据微粒谐振频率相对零磁场时谐振频率的漂移探测磁场强度。能够实现高灵敏度，高空间分辨率，大动态范围的强磁场探测。
因此本发明具有实际应用价值，能够实现高灵敏度，高空间分辨率，大动态范围的强磁场探测。
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；
图中，1、光源，2、光阱捕获光，3、聚焦透镜，4、收集透镜，5、微粒，6、位移探测器，7、信号处理模块，8、三轴位移台，9、真空腔。
图1-图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，装置包含光源1、真空腔9、聚焦透镜3、收集透镜4、微粒5、位移探测器6、信号处理模块7和三轴位移台8；光源1、位移探测器6和真空腔9均固定安装在三轴位移台8上，真空腔9内沿光轴依次安装有聚焦透镜3和收集透镜4，微粒5设置聚焦透镜3和收集透镜4之间；光源1中出射的光阱捕获光2入射至真空腔9内，经聚焦透镜3聚焦后形成光阱并捕获微粒5，经微粒5散射的光束再经收集透镜4后入射至位移探测器6，位移探测器6与信号处理模块7相连，信号处理模块7接收并处理微粒5的运动信号，根据已知光阱信息，解算出微粒周围磁场分布。三轴位移台8的调节，使得位移探测器6探测获得微粒5在磁场不同位置中的运动信号并发送给信号处理模块7。
本发明基于真空光阱中悬浮的微粒，精密探测微粒周围静磁场的强度分布。光阱中悬浮微粒受磁场作用，平衡位置发生偏移，导致微粒谐振频率较无磁场时发生漂移。通过探测悬浮微粒谐振频率漂移，即能够实现对悬浮微粒周围分布磁场探测。由于高真空环境中悬浮微粒的谐振峰具有极窄线宽(Q值理论上可以超过108)，使得这类系统在探测谐振频移时独具优势，因此能够实现高灵敏的强磁场探测。同时，由于悬浮微粒体积小，精度大，磁化率小，该方法与装置能够精密探测极小局域范围内磁场分布，实现高空间分辨率，大动态范围的强磁场测量，在地质勘探，灾害预警，生物医学，材料检测等领域中有重大应用价值。
光源1包括激光光源，光阱捕获光2包括激光。
聚焦透镜3与收集透镜4包括球面透镜、消球差透镜和非球面透镜。聚焦透镜3与收集透镜4的材料包括熔融二氧化硅玻璃。
微粒5的形状包括球状、棒状和哑铃状。微粒5的材料包括熔融二氧化硅和聚氯乙烯。微粒5在空间三个维度上的尺寸在10纳米至100微米之间。
位移探测器6包括四象限探测器和平衡探测器。
方法包括以下步骤：
步骤1：将装置的微粒5置于无磁场位置，根据位移探测器6探测的微粒5运动信号计算微粒5的理论谐振频率，移动三轴位移台8，将微粒5置于待测磁场中；
具体地，光源出射的光阱捕获光入射真空腔后，被聚焦透镜聚焦，在焦点位置附近形成光阱，稳定捕获微粒。本实施例中光阱结构为竖直向上光阱。为了降低环境热噪声对探测的影响，降低真空腔内气压。被捕获微粒形状为球形，材料为二氧化硅，尺寸为直径3微米。光阱捕获光波长为1064纳米，功率为10毫瓦。聚焦透镜焦距15毫米，数值孔径0.8。微粒所受重力与光阱散射力平衡，距离焦点2.7微米。微粒在光阱中运动，其运动方程可表示为：
其中，x为微粒相对平衡位置位移，Γ为微粒周围空气分子阻尼，k为光阱刚度，Fthem(t)为空气分子碰撞微粒导致的随机力。微粒在光阱中平衡位置发生改变时，光阱刚度k也会变化，导致微粒谐振频率漂移。真空腔内气压为1×10-7毫巴，此时微粒运动谐振峰线宽为2.30×10-5赫兹，因此谐振峰频移分辨率为2.30×10-5赫兹。
收集透镜收集光阱散射光，入射真空腔外的位移探测器，探测微粒运动信号。
信号处理模块接收位移探测器上传的微粒运动信号，计算微粒运动频谱信号。由于微粒在磁场中受到力的作用，微粒所处平衡位置相较零磁场情况发生偏移。微粒在磁场中的势能可以表示为：
其中，U表示微粒在磁场中的势能，χ为材料磁化率，B为磁感应强度，V为微粒体积，μ0为真空磁导率。微粒在磁场中受力可以表示为：
其中，表示微粒在磁场中势能的梯度。
假设磁感应强度沿光阱捕获光光轴方向，此时微粒沿光轴方向偏离平衡位置。根据所设光阱与微粒参数，计算得零磁场时微粒垂直光轴方向上的谐振频率为1.89×103赫兹，光阱焦点附近沿光轴方向微粒位移所导致的谐振频率偏移率为-1.88×103赫兹/微米，线性范围为0.54微米。因此，计算得该方法与装置能够测量的磁感应强度梯度精度为2.31×10-7特斯拉/微米，动态范围为10.20特斯拉/微米。
步骤2：如图2所示，调节三轴位移台8，由于微粒5在磁场中受到力的作用，其平衡位置相对理论发生偏移，导致微粒谐振频率漂移，根据位移探测器6探测的微粒5运动信号计算当前位置下微粒5的实际谐振频率，根据微粒5的理论谐振频率和实际谐振频率计算获得当前位置的磁场感应强度梯度；
步骤2中，根据微粒5的理论谐振频率和实际谐振频率计算微粒谐振频率漂移，基于微粒谐振频率漂移计算获得当前位置的磁场感应强度梯度。
步骤3：如图3所示，多次重复步骤2，计算获得待测磁场中不同位置的磁场感应强度梯度，根据不同位置的磁场感应强度梯度计算获得待测磁场的磁感应强度梯度分布，即高空间分辨率的磁场信息，具体是对磁感应强度梯度积分后获得的。
被光阱捕获微粒在真空腔内，通过降低腔内气压使其位于高真空环境下，隔绝外界热噪声影响；由于高真空环境下悬浮微粒谐振峰拥有极窄线宽(Q值理论上可以超过108)，大大增强了频移探测精度，能够实现高灵敏度的强磁场探测；并且作为探测敏感单元的悬浮微粒具有体积小、磁化率小的特点，拥有大动态范围，能够适应强磁场环境，并能结合精密的三轴位移台在与微粒尺寸相仿的微尺度下实现大动态范围强磁场探测。
该方法探测磁感应强度的空间分辨率与微球布朗运动标准差有关。所述条件下，微球布朗运动标准差约为10纳米，故此条件下本方法磁场探测空间分辨率为10纳米。磁场探测精度为2.31×10-9特斯拉。
综上，本发明提出了一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场方法与装置，以光阱中悬浮微粒为探测敏感单元，通过其谐振频率变化得到微粒周围磁场信息，能够实现高灵敏度，大动态范围与高空间分辨率的微尺度强磁场探测。
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 (10)
1.一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于，包含光源(1)、真空腔(9)、聚焦透镜(3)、收集透镜(4)、微粒(5)、位移探测器(6)和三轴位移台(8)；
光源(1)、位移探测器(6)和真空腔(9)均安装在三轴位移台(8)上，真空腔(9)内沿光轴依次安装有聚焦透镜(3)和收集透镜(4)，微粒(5)设置聚焦透镜(3)和收集透镜(4)之间；光源(1)中出射的光阱捕获光(2)入射至真空腔(9)内，经聚焦透镜(3)聚焦后形成光阱并捕获微粒(5)，经微粒(5)散射的光束再经收集透镜(4)后入射至位移探测器(6)，三轴位移台(8)的调节，使得位移探测器(6)探测获得微粒(5)在磁场不同位置中的运动信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于：所述的光源(1)包括激光光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于：所述的聚焦透镜(3)与收集透镜(4)包括球面透镜、消球差透镜和非球面透镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于：所述的聚焦透镜(3)与收集透镜(4)的材料包括熔融二氧化硅玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于，所述微粒(5)的形状包括球状、棒状和哑铃状。
6.根据权利要求1所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于：所述微粒(5)的材料包括熔融二氧化硅和聚氯乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于：所述微粒(5)在空间三个维度上的尺寸在10纳米至100微米之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，其特征在于：所述位移探测器(6)包括四象限探测器和平衡探测器。
9.一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的方法，其特征在于，方法采用权利要求1-8任一所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置，方法包括以下步骤：
步骤1：将装置的微粒(5)置于无磁场位置，根据位移探测器(6)探测的微粒(5)运动信号计算微粒(5)的理论谐振频率，移动三轴位移台(8)，将微粒(5)置于待测磁场中；
步骤2：调节三轴位移台(8)，根据位移探测器(6)探测的微粒(5)运动信号计算当前位置下微粒(5)的实际谐振频率，根据微粒(5)的理论谐振频率和实际谐振频率计算获得当前位置的磁场感应强度梯度；
步骤3：多次重复步骤2，计算获得待测磁场中不同位置的磁场感应强度梯度，根据不同位置的磁场感应强度梯度计算获得待测磁场的磁感应强度梯度分布。
10.根据权利要求9所述的一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的方法，其特征在于，所述步骤2中，根据微粒(5)的理论谐振频率和实际谐振频率计算微粒谐振频率漂移，基于微粒谐振频率漂移计算获得当前位置的磁场感应强度梯度。
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|---|---|---|---|---|
| CN117253644A (zh) * | 2023-11-20 | 2023-12-19 | 之江实验室 | 用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统 |
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| CN117253644B (zh) * | 2023-11-20 | 2024-02-20 | 之江实验室 | 用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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