CN117253644B - 用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统 - Google Patents

用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，包括光源模块、光阱调制模块、真空腔模块和探测模块；光源模块为光阱调制模块提供激光源的同时为探测模块提供参考光；光阱调制模块用于制备捕获纳米微粒的相位相干且偏振相互垂直的双光阱，并能够控制双光阱的相位、偏振、强度和间距；真空腔模块用于为光悬浮的纳米微粒提供真空环境；探测模块利用正交偏振特性对双纳米微粒的散射光进行分离、探测并分析。该系统通过将光阱偏振设置为相互垂直来克服光阱距离过近时产生的光阱干涉问题，并通过偏振分离微球的运动信号进行独立探测，能够突破现有研究光诱导耦合相互作用系统的光阱安全距离极限，且降低微粒信号的分离探测的难度。

Description

用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统
技术领域
本发明属于真空光镊领域，具体涉及一种用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统。
背景技术
真空光镊，也称真空光阱，是光镊技术在真空环境中的发展而来的一种技术，即利用聚焦激光构建光镊系统在真空环境下悬浮微纳尺寸的微粒，将其束缚在焦点附近区域，形成敏感外场信息的谐振子。此类真空光镊系统中的谐振子不仅能够摆脱机械固连，规避传统谐振子的机械耗散问题，也能通过真空环境实现与外界热环境的良好隔离，极大地降低谐振子的热噪声水平，同时具有高灵敏度、高可靠性且易于集成等优点，因此在小型化和高精度的极弱力和加速度测量以及基础物理研究领域具有独特的优势。
近几年真空光镊面向惯性导航等重点领域应用需求的高精度加速度计和极弱力测量已经形成了较为成熟的技术路线，可为深空深地探测、大型舰船导航以及其他自主导航领域提供新的技术手段。目前，在实验室环境中，室温下真空光镊传感系统已经实现了10-21N/Hz1/2量级的力学探测灵敏度，对加速度和力矩的测量精度也分别达到了10-9g和10- 29N·m/Hz1/2量级，在精密测量领域中展现了前所未有的精度和极大的发展潜力。在基础物理研究领域，近年来人们利用真空光镊系统成功将纳米微球的质心运动在室温下冷却到了量子基态，即声子数<1。该研究成果表明真空光镊系统具有在室温下制备包含数十亿个原子的纳米粒子的宏观量子叠加态的潜力，这使得真空光镊系统成为人们探索经典物理到量子世界分界线的重要工具。目前，如何利用真空光镊研究多体动力学和宏观量子效应成为真空光镊领域的前沿热点。
以在室温下观察宏观量子纠缠和研究双体动力学为目标，人们将光场调控技术和真空光镊系统结合，开拓出了真空光镊发展的新方向——双光束真空光镊。双光束真空光镊是一种利用双光阱在真空中悬浮两个微纳粒子的系统。该系统不仅能够摆脱机械固连，规避传统谐振子系统的机械耗散问题，也能通过构建真空环境使光悬浮微粒与外界热环境隔离，显著降低热噪声水平。更重要的是，它能够原位调谐微粒间的相互作用。因此，在双体动力学、宏观量子纠缠和复杂非平衡现象等基础物理研究领域具有重要研究价值。
研究表明，微粒间相互作用的精确控制是该系统的核心要素。科学家们迄今为止已经研究了光悬浮谐振子系统中的两类相互作用：保守的弹簧型光结合相互作用和非互易的光诱导偶极-偶极相互作用。后者源于被捕获纳米粒子在相干光阱中的偶极散射场。与弹簧型光结合相互作用相比，非互易的偶极-偶极相互作用为研究者们提供了更为丰富的调控参数，包括双光阱的偏振、相位、强度及光阱间距，因此在真空光镊领域和基础物理研究领域引起了广泛的兴趣和关注。
目前，用于研究微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的双光束真空光镊系统是利用空间光调制器产生了相位相干且偏振相同的双光阱。然而，随着研究的深入，该系统的局限性也逐渐显现。由于双光阱频率和偏振均相同，当其间隔过小时不仅会导致光阱间发生干涉，还会增加独立探测各微粒位移谱的难度，因为在探测端难以通过空间滤波分离各粒子的信号光。因此，为了避免光阱干涉并简化信号分离，必须确保光阱间的距离超过特定的安全阈值。在现有研究中，该安全距离典型值为2μm。该问题限制了利用双光束真空光镊系统研究光悬浮纳米微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的光阱间距范围，也因此限制了其在基础物理研究领域的应用广度。为了进一步扩大该系统在基础物理研究领域内的应用，科学家们亟需针对上述问题寻找解决方案。
现有技术中存在一种利用声光偏转器产生双光阱的技术，用该方法产生的双光阱频率不同，因此不相干，同样微粒间的耦合相互作用也因此微乎其微，微粒间耦合相互作用依赖于光阱间的相位相干性。除此之外，利用声光偏转器的系统需要利用4F系统将微粒的前向信号光聚焦分离，当光阱距离过近时，仍然存在信号分离难的问题。
发明内容
针对现有技术中光诱导耦合相互作用系统中光阱干涉问题和微粒间信号分离探测难度大的问题，本发明改进光阱调制模块，将现有的偏振相同的双光阱配置修改为偏振相互垂直的实验配置，并改进探测模块，利用微粒信号光的正交偏振特性，进行分离探测。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，包括光源模块、光阱调制模块、真空腔模块和探测模块；
所述光源模块为所述光阱调制模块提供激光源的同时为探测模块提供参考光；
所述光阱调制模块用于制备捕获纳米微粒的相位相干且偏振相互垂直的双光阱，并能够对双光阱的相位、偏振、强度和间距施加控制；
所述真空腔模块用于为光悬浮的纳米微粒提供真空环境；
所述探测模块利用正交偏振特性对双纳米微粒的散射光进行分离、探测并分析其光诱导耦合相互作用。
进一步地，所述光阱调制模块包括沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三反射镜、第三半波片、直角反射棱镜、反射式空间光调制器、第四反射镜、第四半波片、第三透镜和第四透镜；
其中，所述第一透镜和第二透镜组成扩束系统，用于对输入激光进行扩束；
所述第三反射镜用于将扩束后的激光反射入第三半波片；
所述第三半波片用于调节入射光偏振，其透射光经过所述直角反射棱镜的一条直角边反射后照射在所述反射式空间光调制器；
所述反射式空间光调制器用于对符合其敏感偏振方向的光进行调制，从而使入射光分成两束；两束光经所述直角反射棱镜的另一直角边反射，再经所述第四反射镜反射进入第四半波片；
所述第四半波片用于调节入射的双光束的偏振；
所述第三透镜和第四透镜组成4f系统，用于对所述第四半波片调节偏振后的双光束的光路进行延长对准，射入后方的真空腔模块。
进一步地，所述光阱调制模块包括沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三反射镜、第三半波片、透射式空间光调制器、第四反射镜、第四半波片、第三透镜和第四透镜；
其中，所述第一透镜和第二透镜组成扩束系统，用于对输入激光进行扩束；
所述第三反射镜用于将扩束后的激光反射入第三半波片；
所述第三半波片用于调节入射光偏振，其透射光经过所述透射式空间光调制器进行调制；
所述透射式空间光调制器对符合其敏感偏振方向的光进行调制，从而使入射光分成两束；两束光经所述第四反射镜反射进入第四半波片；
所述第四半波片用于调节入射的双光束的偏振；
所述第三透镜和第四透镜组成4f系统，用于对所述第四半波片调节偏振后的双光束的光路进行延长对准，射入后方的真空腔模块。
进一步地，利用所述反射式空间光调制器或透射式空间光调制器产生相位相干且偏振相互垂直的双光阱的方法是：利用所述反射式空间光调制器或透射式空间光调制器对偏振敏感的特性，将入射光偏振相对空间光调制器的偏振敏感方向倾斜45°，然后在空间光调制器上加载线性相位，使得未经调制的光和经过调制的光组成偏振相互垂直的双光阱。
进一步地，所述光阱调制模块还包括位于所述第三透镜和第四透镜之间的偏振旋转器件；此时，由所述偏振旋转器件旋转双光阱中的某一个光阱的偏振态，而不改变另一个光阱的偏振态，保证双光阱的偏振相互垂直的条件。
进一步地，所述探测模块包括第五半波片、第三偏振分光棱镜、第一信号收集器和第二信号收集器；
入射的双光束经所述第五半波片、第三偏振分光棱镜，完成纳米微粒运动信号的分离，分离后的信号分别被所述第一信号收集器和第二信号收集器收集并转换为电信号进行分析。
进一步地，所述第一信号收集器和第二信号收集器为两个独立的四象限探测器。
进一步地，所述真空腔模块包括真空腔体，以及位于所述真空腔体内部的紧聚焦光阱生成元件和收集透镜，所述真空腔体用于为光悬浮的纳米微粒提供真空环境；所述紧聚焦光阱生成元件用于生成捕获两个纳米微粒的双光阱；所述收集透镜用于收集并准直前向散射光，将其输入后方的探测模块。
进一步地，所述紧聚焦光阱生成元件为数值孔径不小于0.7的显微物镜或单透镜。
进一步地，所述光源模块包括激光器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第二半波片、第二偏振分光棱镜和第二反射镜；
所述第一半波片和所述第一偏振分光棱镜用于将入射激光分成两束，透射激光经所述第一反射镜反射后，依次所述第二半波片、第二偏振分光棱镜，由所述第二偏振分光棱镜分为两束，输入所述探测模块，分别用作两个纳米微粒信号探测的参考光；所述第一半波片和第二半波片用于调节分成的两束光的功率比。
本发明的有益效果如下：
本发明通过改进光阱调制模块，将现有的偏振相同的双光阱配置修改为偏振相互垂直的实验配置，并改进探测模块，利用微粒信号光的正交偏振特性，进行分离探测，解决相位相干的双光束真空光镊系统中光阱距离较近时引发的光阱干涉问题，以及解决光阱距离较近造成的微粒信号难以分离探测的问题。采用本发明的系统，能够突破现有的悬浮纳米微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的研究范围2μm，简化探测实验光路，为双体动力学模拟和宏观量子纠缠等研究奠定基础。
附图说明
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
图1为本发明中的光悬浮纳米微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的示意图。
图2为现有系统中两个光悬浮纳米微粒的偶极散射图像。
图3为本发明中的两个光悬浮纳米微粒的偶极散射图像。
图4为本发明中双光束真空光镊系统的示意图。
图5为本发明其中一个实施例的双光束真空光镊系统的示意图。
图6为本发明的双光束真空光镊系统中光阱调制模块的一种替代案例。
图7为本发明的双光束真空光镊系统中光阱调制模块的另一种替代案例。
图8为本发明的双光束真空光镊系统中光阱调制模块的第三种替代案例。
图中，光源模块1、光阱调制模块2、真空腔模块3、探测模块4、激光器101、第一半波片102、第一偏振分束棱镜103、第一反射镜104、第二半波片105、第二偏振分束棱镜106、第二反射镜107、第一透镜201、第二透镜202、第三反射镜203、第三半波片204、直角反射棱镜205、反射式空间光调制器206、第四反射镜207、第四半波片208、第三透镜209、第四透镜210、透射式空间光调制器211、偏振旋转器件212、真空腔体301、紧聚焦光阱生成元件302、被捕获的纳米微粒303、收集透镜304、第五半波片401、第三偏振分光棱镜402、第一信号收集器403和第二信号收集器404。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
还需要说明的是：在本申请中提及的“多个”是指两个或者两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，通过将原有双光束真空光镊系统中偏振相同的双光阱改为偏振相互垂直的双光阱，可克服光阱干涉问题，加之对探测模块的改进，利用偏振分离的方法代替空间滤波的方法，可突破光阱距离极限，拓宽研究光诱导耦合相互作用的研究范围。
图1展示了系统中光悬浮纳米微粒间光诱导耦合相互作用的示意图。紧聚焦光阱形成捕获势，被捕获的两个纳米微粒可以看作谐振频率分别为Ω1和Ω2的两个谐振子，第i个粒子对第j个粒子的作用系数为gij。被紧聚焦光阱捕获的纳米微粒会沿着光阱偏振方向极化，图2和图3展示了纳米微粒在双光阱中的偶极散射物理图像，箭头代表纳米粒子的偶极矩方向，平行于光阱偏振，θi代表了第i个粒子的偶极矩方向与垂直与两粒子连线方向的夹角。图2是原有系统中的情形，光阱偏振相同，因此粒子的偶极矩方向也相同，满足θ1＝θ2；本发明提出的用于研究光诱导偶极-偶极相互作用的系统中，光阱偏振相互垂直，因此纳米微粒的偶极矩方向也相互垂直，满足θ1+θ2＝90°。
如图4所示，本发明的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，包括光源模块1、光阱调制模块2、真空腔模块3、探测模块4。其中，光阱调制模块2制备的双光阱相位相干且偏振相互垂直，可保证两个光悬浮纳米微粒间存在光诱导偶极-偶极相互作用的同时，避免光阱干涉导致的系统不稳定。探测模块4包括两个独立的第一信号收集器403和第二信号收集器404，可实现纳米微粒的独立探测，由于本发明中双光阱的偏振相互垂直，所以探测模块中通过偏振正交特性分离两个微粒的信号光，大大简化了微粒信号分离的光路复杂程度和难度。另外正因为本发明采用了偏振相互垂直的双光阱配置以及通过偏振分离微粒信号的方案，所以微粒间的间距可进一步缩小，从而极大地拓宽了研究光诱导偶极-偶极相互作用的间距范围。
光阱相位相干是光诱导偶极-偶极相互作用存在的必要条件，为了满足光阱相位相干的条件，双光阱间不能存在频率差，因此不能采用声光移频器件生成双光阱的方案。由于空间光调制器可通过改变加载在其上面的相位片产生相位相干的双光阱并灵活调控双光阱的参数，所以作为实现本发明内容中双光阱调制模块的优先选择。此外，为了使双光阱的偏振保持垂直，可利用偏振旋转器件，如半波片和4f系统实现偏振的设置，如图7和图8案例实施例所示。也可利用空间光调制器对偏振敏感的特性，将入射光偏振相对空间光调制器的偏振敏感方向倾斜一定角度，然后在空间光调制器上加载线性相位，使得未经调制的光和经过调制的光组成偏振相互垂直的双光阱，如图5和图6所示的案例实施例。
此外，真空腔模块3中的真空腔体301上还设置有真空规接口和真空泵组接口。真空规接口连接真空规，实时监测腔内真空度。真空泵组接口通过真空阀与真空泵组相连，用于为光悬浮纳米粒子提供真空环境。
下面给出本发明的一个具体应用实例，如图5所示，该实施例的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统包括由激光器101、第一半波片102、第一偏振分光棱镜103、第一反射镜104、第二半波片105、第二偏振分光棱镜106、第二反射镜107组成的光源模块1，由第一透镜201、第二透镜202、第三反射镜203、第三半波片204、直角反射棱镜205、反射式空间光调制器206、第四反射镜207、第四半波片208、第三透镜209、第四透镜210组成的光阱调制模块2，由真空腔体301、紧聚焦光阱生成元件302、被捕获的纳米微粒303、收集透镜304组成的真空腔模块3，以及由第五半波片401、第三偏振分光棱镜402、第一信号收集器403和第二信号收集器404组成的探测模块4。
其中，激光器101是光源模块的核心器件，能够产生波长为1064nm的低噪声高功率高稳定性的激光，出射激光通过第一半波片102和第一偏振分光棱镜103组合分为透射激光和反射激光两部分，旋转第一半波片102可控制两部分光的功率比。透射激光进入光阱调制模块2，反射激光经第一反射镜104后，再通过第二半波片105和第二偏振分光棱镜106分为两束，输入探测模块分别用作两个纳米微粒信号探测的参考光。旋转第二半波片105可控制两部分光的功率比。
第一透镜201和第二透镜202组成的扩束系统对输入激光进行扩束，经过第三反射镜203反射后通过第三半波片204，之后经过一个直角反射棱镜205反射后，光以小角度照射在反射式空间光调制器206上，经过其相位调制后反射光再次经过直角反射棱镜205的另一个直角反射边反射。反射式空间光调制器是偏振敏感型器件，只会对符合其敏感偏振方向的光产生调制，因此第三半波片204的作用是调节入射光偏振，从而调节双光阱的功率分配，双光阱的其它参数，如光阱间距、相位差，则可通过改变加载在反射式空间光调制器206上的相位片来实现调节，经过调制的反射光束和未经过调制的反射光束经过第四反射镜207后，通过一个用来调节双光束偏振的第四半波片208，之后通过第三透镜209和第四透镜210组成的4f系统，对光路进行延长对准，射入后方的真空腔模块3。
真空腔体301可承受1e-8mbar高真空，腔镜镀有1064nm的增透膜，使得1064nm激光的透过率大于99.9％。捕获光束经过紧聚焦光阱生成元件302后形成了可同时捕获两个纳米微粒303的双光阱。本实施例中的紧聚焦光阱生成元件302是数值孔径为0.8的显微物镜，当然也可以通过其它元件来代替该显微物镜，比如说数值孔径不小于0.7的单透镜。之后，前向散射光被收集透镜304收集准直后输出真空腔体301外，输入后方的探测模块4。真空腔体301上还设置有真空规接口和真空泵组接口。真空规接口连接真空规，实时监测腔内真空度。真空泵组接口通过真空阀与真空泵组相连，用于抽真空，为光悬浮纳米粒子提供真空环境。
探测模块4也是本发明的核心之一，由于用于捕获微粒的双光阱的偏振是垂直正交的，所以可以利用正交偏振特性分离两个纳米微粒的运动信号，完成独立探测。由收集透镜304收集且准直的信号光经过第五半波片401和第三偏振分光棱镜402，完成微粒运动信号的分离，然后分别被第一信号收集器403和第二信号收集器404收集，转换为电信号后被分析。本实施例中信号收集器是两个独立的四象限探测器。
综上所述，基于本实施例提出的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，系统中双光阱采用垂直偏振设置，可以解决光阱距离较近时引发的光阱干涉问题，同时由于光阱偏振相互垂直，所以在探测模块内利用偏振正交特性可完成微粒信号的分离探测，解决光阱距离靠近造成的微粒信号难以分离探测的问题，基于此可突破悬浮纳米微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的研究范围，简化探测实验光路，为双体动力学模拟和宏观量子纠缠等研究奠定基础。
本发明中的光源模块1中激光器101用于产生捕获微粒的激光，除了应用实施例1中提到的低噪声高功率高稳定性的1064nm激光器外，也可采用低噪声高功率高稳定性的1550nm激光器，之后光路中相关器件均需改为与1550nm相匹配的器件。
本发明中光阱调制模块2的核心器件是空间光相位调制器，其作用是产生相位相干，且偏振相互垂直的双光阱。实施例1利用空间光相位调制器产生相位相干，且偏振相互垂直的双光阱的方法是：利用空间光调制器对偏振敏感的特性，将入射光偏振相对空间光调制器的偏振敏感方向倾斜45°，然后在空间光调制器上加载线性相位，使得未经调制的光和经过调制的光组成偏振相互垂直的双光阱，改变入射光的偏振角度可以调节双光阱的强度差，光阱间距和相位差通过改变加载在空间光相位调制器上的相位片实现，双光阱的偏振可以通过旋转第四半波片208进行控制。
本发明中光阱调制模块2还可以通过其它方式实现，如图6所示，为光阱调制模块2的第二种实施方式。该实施例中，光阱调制模块2包括第一透镜201、第二透镜202、第三反射镜203、第三半波片204、透射式空间光调制器211、第四反射镜207、第四半波片208、第三透镜209、第四透镜210。实施例1中的直角反射棱镜205和反射式空间光调制器206由透射式空间光调制器211替代，双光阱参数的调节方案与案例实施例1中相同。
为了能够研究光悬浮纳米微粒间的光诱导耦合相互作用，本发明选取的生成双光阱的器件都是电控器件，而不采用单一衍射光栅等固定器件，因为电控的器件在改变光阱参数时保持光悬浮微粒不逃逸，具有很大优势。而一旦选取固定器件则无法在保证微粒不掉的情况下改变光阱参数。
本发明中光阱调制模块2除了实施例1和实施例2外，也可替换为如图7和图8所示的光路。即在图5和图6的基础上，在第三透镜209和第四透镜210之间加一偏振旋转器件212来产生偏振相互垂直的双光阱。偏振旋转器件212旋转双光阱中的某一个光阱的偏振态，而不改变另一个光阱的偏振态。在该配置下，实施例1和2中的第三半波片204将不再调节双光阱的能量分配。此时，旋转第三半波片204使得入射光的偏振态与反射式空间光调制器206或透射式空间光调制器211的偏振敏感方向一致，使得所有的光经过空间光调制器后都将被调制。该方案中双光阱的强度、间距、相位都将通过加载在空间光调制器上的相位片调节，双光阱的偏振方向仍然通过第四半波片208来调节。偏振旋转器件212保证了双光阱的偏振相互垂直的条件。
本发明中探测模块4中的信号收集器403和404可以为两个独立的四象限探测器，还可以为D型镜和平衡探测器的组合，测量被光镊系统捕获的微粒的运动信号。
本发明可解决研究悬浮纳米微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的现有系统中光阱干涉问题和微粒信号难以分离探测的问题，进一步简化探测光路，并突破悬浮纳米微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的研究范围，研究更近距离下，微粒间更强的耦合相互作用。
本发明适用于研究微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的系统，同时也适用于利用相关平台进行双体动力学模拟和宏观量子纠缠的实验系统。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，包括光源模块（1）、光阱调制模块（2）、真空腔模块（3）和探测模块（4）；
所述光源模块（1）为所述光阱调制模块（2）提供激光源的同时为探测模块（4）提供参考光；
所述光阱调制模块（2）用于制备捕获纳米微粒的相位相干且偏振相互垂直的双光阱，并能够对双光阱的相位、偏振、强度和间距施加控制；
所述真空腔模块（3）用于为光悬浮的纳米微粒提供真空环境；
所述探测模块（4）利用正交偏振特性对双纳米微粒的散射光进行分离、探测并分析其光诱导耦合相互作用。
2.根据权利要求1所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述光阱调制模块（2）包括沿光路依次设置的第一透镜（201）、第二透镜（202）、第三反射镜（203）、第三半波片（204）、直角反射棱镜（205）、反射式空间光调制器（206）、第四反射镜（207）、第四半波片（208）、第三透镜（209）和第四透镜（210）；
其中，所述第一透镜（201）和第二透镜（202）组成扩束系统，用于对输入激光进行扩束；
所述第三反射镜（203）用于将扩束后的激光反射入第三半波片（204）；
所述第三半波片（204）用于调节入射光偏振，其透射光经过所述直角反射棱镜（205）的一条直角边反射后照射在所述反射式空间光调制器（206）；
所述反射式空间光调制器（206）用于对符合其敏感偏振方向的光进行调制，从而使入射光分成两束；两束光经所述直角反射棱镜（205）的另一直角边反射，再经所述第四反射镜（207）反射进入第四半波片（208）；
所述第四半波片（208）用于调节入射的双光束的偏振；
所述第三透镜（209）和第四透镜（210）组成4f系统，用于对所述第四半波片（208）调节偏振后的双光束的光路进行延长对准，射入后方的真空腔模块（3）。
3.根据权利要求1所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述光阱调制模块（2）包括沿光路依次设置的第一透镜（201）、第二透镜（202）、第三反射镜（203）、第三半波片（204）、透射式空间光调制器（211）、第四反射镜（207）、第四半波片（208）、第三透镜（209）和第四透镜（210）；
其中，所述第一透镜（201）和第二透镜（202）组成扩束系统，用于对输入激光进行扩束；
所述第三反射镜（203）用于将扩束后的激光反射入第三半波片（204）；
所述第三半波片（204）用于调节入射光偏振，其透射光经过所述透射式空间光调制器（211）进行调制；
所述透射式空间光调制器（211）对符合其敏感偏振方向的光进行调制，从而使入射光分成两束；两束光经所述第四反射镜（207）反射进入第四半波片（208）；
所述第四半波片（208）用于调节入射的双光束的偏振；
所述第三透镜（209）和第四透镜（210）组成4f系统，用于对所述第四半波片（208）调节偏振后的双光束的光路进行延长对准，射入后方的真空腔模块（3）。
4.根据权利要求2或3所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，利用所述反射式空间光调制器（206）或透射式空间光调制器（211）产生相位相干且偏振相互垂直的双光阱的方法是：利用所述反射式空间光调制器（206）或透射式空间光调制器（211）对偏振敏感的特性，将入射光偏振相对空间光调制器的偏振敏感方向倾斜45°，然后在空间光调制器上加载线性相位，使得未经调制的光和经过调制的光组成偏振相互垂直的双光阱。
5.根据权利要求2或3所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述光阱调制模块（2）还包括位于所述第三透镜（209）和第四透镜（210）之间的偏振旋转器件（212）；此时，由所述偏振旋转器件（212）旋转双光阱中的某一个光阱的偏振态，而不改变另一个光阱的偏振态，保证双光阱的偏振相互垂直的条件。
6.根据权利要求1所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述探测模块（4）包括第五半波片（401）、第三偏振分光棱镜（402）、第一信号收集器（403）和第二信号收集器（404）；
入射的双光束经所述第五半波片（401）、第三偏振分光棱镜（402），完成纳米微粒运动信号的分离，分离后的信号分别被所述第一信号收集器（403）和第二信号收集器（404）收集并转换为电信号进行分析。
7.根据权利要求6所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述第一信号收集器（403）和第二信号收集器（404）为两个独立的四象限探测器。
8.根据权利要求1所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述真空腔模块（3）包括真空腔体（301），以及位于所述真空腔体（301）内部的紧聚焦光阱生成元件（302）和收集透镜（304），所述真空腔体（301）用于为光悬浮的纳米微粒提供真空环境；所述紧聚焦光阱生成元件（302）用于生成捕获两个纳米微粒（303）的双光阱；所述收集透镜（304）用于收集并准直前向散射光，将其输入后方的探测模块（4）。
9.根据权利要求8所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述紧聚焦光阱生成元件（302）为数值孔径不小于0.7的显微物镜或单透镜。
10.根据权利要求1所述的用于研究光诱导耦合相互作用的双光束真空光镊系统，其特征在于，所述光源模块（1）包括激光器（101）、第一半波片（102）、第一偏振分光棱镜（103）、第一反射镜（104）、第二半波片（105）、第二偏振分光棱镜（106）和第二反射镜（107）；
所述第一半波片（102）和所述第一偏振分光棱镜（103）用于将入射激光分成两束，透射激光经所述第一反射镜（104）反射后，依次所述第二半波片（105）、第二偏振分光棱镜（106），由所述第二偏振分光棱镜（106）分为两束，输入所述探测模块（4），分别用作两个纳米微粒信号探测的参考光；所述第一半波片（102）和第二半波片（105）用于调节分成的两束光的功率比。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009065519A1 (de) * 2007-11-20 2009-05-28 Universität Bielefeld Verfahren zur messung der kraft, die auf ein in einer optischen pinzette/falle gefangenes objekt wirkt und optische pinzette/falle
CN104900290A (zh) * 2015-04-15 2015-09-09 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于双光束光阱实现光致旋转的装置及方法
CN112485163A (zh) * 2020-11-20 2021-03-12 浙江大学 一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法
CN112730334A (zh) * 2020-12-23 2021-04-30 之江实验室 基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法
CN114063307A (zh) * 2021-09-02 2022-02-18 深圳大学 一种飞秒庞加莱球矢量光束的偏振态调控系统
CN116718959A (zh) * 2023-06-01 2023-09-08 浙江大学 一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置和方法
CN219694503U (zh) * 2023-03-20 2023-09-15 中国人民解放军国防科技大学 一种测量双光束光阱中光束径向失准距离的装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009065519A1 (de) * 2007-11-20 2009-05-28 Universität Bielefeld Verfahren zur messung der kraft, die auf ein in einer optischen pinzette/falle gefangenes objekt wirkt und optische pinzette/falle
CN104900290A (zh) * 2015-04-15 2015-09-09 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于双光束光阱实现光致旋转的装置及方法
CN112485163A (zh) * 2020-11-20 2021-03-12 浙江大学 一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法
CN112730334A (zh) * 2020-12-23 2021-04-30 之江实验室 基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法
CN114063307A (zh) * 2021-09-02 2022-02-18 深圳大学 一种飞秒庞加莱球矢量光束的偏振态调控系统
CN219694503U (zh) * 2023-03-20 2023-09-15 中国人民解放军国防科技大学 一种测量双光束光阱中光束径向失准距离的装置
CN116718959A (zh) * 2023-06-01 2023-09-08 浙江大学 一种基于光悬浮微粒探测微尺度强磁场的装置和方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
光致旋转技术综述（英文）;朱琦，等;Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering;第171-185 *

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