CN117594279A - 一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法 - Google Patents

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CN117594279A CN202311508520.9A CN202311508520A CN117594279A CN 117594279 A CN117594279 A CN 117594279A CN 202311508520 A CN202311508520 A CN 202311508520A CN 117594279 A CN117594279 A CN 117594279A
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Abstract

本申请提供一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法。该系统包括光源模块、三光阱调控模块、真空系统模块及探测模块。真空系统模块包括真空腔及位于真空腔中的紧聚焦光阱生成元件、第一微粒、第二微粒、第三微粒及收集透镜。光源模块用于提供激光，分别作为三光阱调控模块的输入光和探测模块的参考光。三光阱调控模块用于制备相位相干且用于形成三个光阱的三束光。第二光阱的偏振方向平行于第一微粒和第二微粒的连线方向，三光阱调控模块还用于通过调节第三光阱的参数来控制第三微粒与待研究的第一微粒和第二微粒间的相互作用，以间接实现对第一微粒和第二微粒间的相互作用的调控。探测模块用于对三个微粒的运动信号进行分离探测。

Description

一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法
技术领域
本申请涉及光镊技术领域，尤其涉及一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法。
背景技术
真空光镊，也称真空光阱，是光镊技术应用于真空环境中而发展出来的一种技术，即利用紧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，还能够通过真空环境实现与外界热环境的良好隔离，大幅度降低系统与环境的耦合，减弱环境因素带来的退相干效应，因此，该技术在精密测量和宏观量子态等研究方面具有独特的优势。
近年来，真空光镊技术利用其高灵敏度、高可靠性且易于集成等优点，在小型化和高精度的极弱力和加速度测量方面得到了快速发展，已形成较为成熟的技术路线，可为深空深海探测以及各类导航系统提供新的技术手段。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。
在基础物理研究方面，人们利用真空光镊系统成功将纳米微粒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微粒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-量子边界问题的重要工具。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。多光束真空光镊应运而生，而其中光悬浮纳米微粒间的相互作用调控成为科学家们研究的重点。
在光悬浮微纳粒子系统中，微粒间相互作用主要有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。目前，研究人员更趋向于研究微粒间非互易的光诱导偶极-偶极相互作用，因为该作用有较丰富的调控参数，比如光阱的偏振、强度、相位、位置等参数。
目前，用于研究两个微粒间光诱导偶极-偶极相互作用的真空光镊系统中，要想改变两个微粒之间的相互作用，就需要改变两个微粒各自的捕获光场的参数，比如通过偏振光学元件控制捕获光的偏振态，这就使得在多次实验中两微粒的动力学初始状态始终难以保持一致，从而导致整个系统很不稳定。
发明内容
本申请的目的在于提供一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法，能够通过调节引入的第三个微粒所在光阱的参数来间接实现对待研究的双微粒间的精确调控。
本申请的一个方面提供一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统。所述系统包括光源模块、三光阱调控模块、真空系统模块及探测模块。其中，所述真空系统模块包括真空腔及位于所述真空腔中的紧聚焦光阱生成元件、第一微粒、第二微粒、第三微粒及收集透镜，其中，所述第一微粒和所述第二微粒为待研究的两个纳米微粒。所述光源模块用于提供激光，分别作为所述三光阱调控模块的输入光和所述探测模块的参考光。所述三光阱调控模块用于制备相位相干的三个光束，所述紧聚焦光阱生成元件用于紧聚焦所述三个光束以分别形成用于捕获所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒的第一光阱、第二光阱和第三光阱，所述收集透镜用于收集所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒的散射光，其中，所述第二光阱的偏振方向平行于所述第一微粒和所述第二微粒的连线方向，所述三光阱调控模块还用于通过调节所述第三光阱的参数来控制所述第三微粒与待研究的所述第一微粒和所述第二微粒间的相互作用，以间接实现对所述第一微粒和所述第二微粒间的相互作用的调控。所述探测模块用于对所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒的运动信号进行分离探测。
进一步地，所述光源模块包括激光器、第一半波片及第一偏振分光棱镜，所述激光器用于产生所述激光，所述第一半波片和所述第一偏振分光棱镜配合用于将所述激光分成两束，分别提供至所述三光阱调控模块和所述探测模块。
进一步地，所述三光阱调控模块包括空间光调制器，所述空间光调制器用于调制出分别用于形成所述第一光阱、所述第二光阱和所述第三光阱的第一光束、第二光束和第三光束。
进一步地，所述三光阱调控模块还包括4F系统，所述4F系统用于将所述第一光束、所述第二光束及所述第三光束的光路进行延长对准并射入所述真空系统模块中。
进一步地，所述三光阱调控模块还包括扩束系统、第二半波片、直角反射棱镜及第一反射镜，所述扩束系统用于对所述输入光进行扩束，扩束后的光束通过所述第二半波片后经所述直角反射棱镜的一个直角边反射至所述空间光调制器上，经过所述空间光调制器调制出的所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束再次经过所述直角反射棱镜的另一个直角边的反射及所述第一反射镜的反射后进入所述4F系统。
进一步地，所述探测模块包括第三半波片、第二偏振分光棱镜及第一信号收集器，通过所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒后的散射光通过所述第三半波片和所述第二偏振分光棱镜，其中，经过所述第二偏振分光棱镜后的透射光进入到所述第一信号收集器。
进一步地，所述探测模块还包括第四半波片、第三偏振分光棱镜、第一4F滤波系统、第二4F滤波系统、第二信号收集器及第三信号收集器，经过所述第二偏振分光棱镜后的反射光通过所述第四半波片和所述第三偏振分光棱镜，其中，经过所述第三偏振分光棱镜后的反射光通过所述第一4F滤波系统进入到所述第二信号收集器，经过所述第三偏振分光棱镜后的透射光通过所述第二4F滤波系统进入到所述第三信号收集器。
进一步地，所述第一4F滤波系统和所述第二4F滤波系统均包括前透镜、滤波器及后透镜，其中，所述前透镜和所述后透镜组成4F系统，所述滤波器位于所述前透镜的后焦点的位置。
进一步地，所述探测模块还包括第五半波片、第四偏振分光棱镜、第二反射镜、第六半波片及第五偏振分光棱镜，其中，所述第五半波片和所述第四偏振分光棱镜配合用于将所述参考光分成两束，其中一束进入到所述第三信号收集器，另一束入射至所述第二反射镜，所述第六半波片和所述第五偏振分光棱镜配合用于将所述第二反射镜反射后的反射光再次分成两束，分别进入到所述第一信号收集器和所述第二信号收集器。
本申请的另一个方面提供一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的方法。所述方法包括：制备相位相干的第一光阱、第二光阱和第三光阱，其中，所述第二光阱的偏振方向平行于所述第一微粒和所述第二微粒的连线方向；利用所述第一光阱、所述第二光阱和所述第三光阱来分别捕获悬浮位于真空腔中的第一微粒、第二微粒和第三微粒，其中，所述第一微粒和所述第二微粒为待研究的两个纳米微粒；调节所述第三光阱的参数来控制所述第三微粒与待研究的所述第一微粒及所述第二微粒间的相互作用，以间接实现对所述第一微粒和所述第二微粒间的相互作用的调控；以及对所述第一微粒、所述第二微粒及所述第三微粒的运动信号进行分离探测。
本申请一个或多个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法至少能够取得以下有益技术效果：
(1)通过调节第三个光阱的偏振、强度、相位、位置等参数，控制第三个光阱中微粒(第三微粒)与待研究双微粒(第一微粒和第二微粒)间的相互作用，且在调节待研究双微粒(第一微粒和第二微粒)间相互作用时无需改变其各自的捕获光场，从而大幅度提升系统的稳定性；
(2)可以提高待研究双微粒(第一微粒和第二微粒)系统初始化的可靠性和稳定性，即可在多次重复实验中确保待研究双微粒(第一微粒和第二微粒)的动力学初始状态不变；
(3)可以对三个微粒信号进行分离探测，实现单个微粒运动信号的独立探测。
附图说明
图1为本申请中的三个纳米微粒间相互作用的物理图像示意图。
图2为本申请一个实施例的三个纳米微粒在三光阱中的偶极散射图像。
图3为本申请另一个实施例的三个纳米微粒在三光阱中的偶极散射图像。
图4为本申请一个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统的示意性结构框图。
图5为图4所示的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统的一个具体示例的结构示意图。
图6为本申请一个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的方法的流程图。
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例并不代表与本申请相一致的所有实施例。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。
本申请提供了一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法。本申请在待研究双粒子(即第一微粒和第二微粒)的基础上，加入第三个粒子(即第三微粒)，在关闭待研究双粒子间相互作用的条件下，通过调节第三个粒子所在光阱的参数(如偏振、强度、相位和位置等)来控制第三个粒子(即第三微粒)与待研究双粒子(即第一微粒和第二微粒)间的相互作用，从而间接实现待研究双粒子(即第一微粒和第二微粒)间的精确调控。
图1揭示了本申请中的三个纳米微粒间相互作用的物理图像示意图。如图1所示，紧聚焦光阱捕获悬浮的三个纳米微粒，例如分别被称之为第一微粒、第二微粒和第三微粒。其中，Ωi代表第i个微粒的谐振频率，即可将三个纳米微粒看作谐振频率分别为Ω1、Ω2和Ω3的三个谐振子，通过调节第三微粒所处光阱的偏振、强度、相位、位置等参数，控制第三微粒与第一微粒和第二微粒之间的相互作用，以此达到间接调控第一微粒和第二微粒的相互作用。该方法的优越性在于：在调节第一微粒和第二微粒之间的相互作用时，只改变第三微粒的光阱参数，无需改变第一微粒和第二微粒各自所处光阱的参数，这非常有利于多体系统初始化，确保多次实验中第一微粒和第二微粒的初始状态的一致性和稳定性，从而大幅度提升系统的稳定性。
图2揭示了本申请一个实施例的三个纳米微粒在三光阱中的偶极散射图像。在图2中，箭头代表纳米微粒的偶极矩方向，偶极矩方向平行于光阱的偏振方向，θi代表第i个粒子的偶极矩方向与垂直于待研究双粒子连线方向的夹角。只要粒子的偶极矩方向在垂直于待研究双粒子连线方向没有投影，即为两粒子之间没有相互作用。在图2中，第一微粒和第二微粒组成待研究双粒子，第一微粒和第二微粒之间的间距为d0，第三微粒是用于调节第一微粒和第二微粒间相互作用的中间媒介，只要第一微粒和第二微粒间任一粒子所处光阱的偏振方向平行于待研究双粒子的连线方向，即可关闭第一微粒和第二微粒间的相互作用。如图2所示，θ2＝90°，θ1和θ3为任意其他角度。由于第二微粒的偶极矩方向平行于待研究的第一微粒和第二微粒的连线方向，即第二微粒所处光阱的偏振方向平行于待研究的第一微粒和第二微粒的连线方向，因此，第一微粒和第二微粒之间没有相互作用，第三微粒作为中间媒介可以与第一微粒和第二微粒均产生相互作用，因此，可通过第三微粒来间接调控第一微粒和第二微粒之间的相互作用。
图3揭示了本申请另一个实施例的三个纳米微粒在三光阱中的偶极散射图像。在图3中给出了一种最为普遍的偏振配置，即第二微粒所处光阱的偏振方向及偶极矩方向平行于第一微粒和第二微粒间的连线方向，第一微粒和第三微粒所处光阱的偏振方向及偶极矩方向均垂直于第一微粒和第二微粒间的连线方向，即θ2＝90°，θ1＝θ3＝0°。
图4揭示了本申请一个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统1的示意性结构框图。如图4所示，本申请一个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统1包括光源模块10、三光阱调控模块20、真空系统模块30及探测模块40。
图5揭示了图4所示的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统1的一个具体示例的结构示意图。结合参照图5所示，真空系统模块30包括真空腔301及位于真空腔301中的紧聚焦光阱生成元件302、第一微粒303、第二微粒304及第三微粒305及收集透镜306。其中，第一微粒303和第二微粒304为待研究的两个纳米微粒，第三微粒305为本申请中加入的第三个粒子。
光源模块10可以用来提供激光，可以分别作为三光阱调控模块20的输入光和探测模块40的参考光。
三光阱调控模块20可以用来制备相位相干的三束光。
紧聚焦光阱生成元件302可以用来将三光阱调制模块产生的三束光紧聚焦，分别生成第一光阱、第二光阱和第三光阱，第一光阱、第二光阱和第三光阱分别用于捕获真空腔301中的第一微粒303、第二微粒304和第三微粒305。其中，第二光阱的偏振方向平行于待研究的第一微粒303和第二微粒304的连线方向，第一光阱和第三光阱的偏振方向任意。收集透镜306可以用来同时收集三个纳米微粒的前向信号光。
三光阱调控模块20还可以用来通过调节第三光阱的参数来控制第三微粒305与待研究的第一微粒303和第二微粒304间的相互作用，从而可以间接实现对第一微粒303和第二微粒304间的相互作用的调控。
探测模块40可以用来对第一微粒303、第二微粒304和第三微粒305的运动信号进行分离探测。
继续参照图5所示，在一些实施例中，本申请的光源模块10包括激光器101、第一半波片102及第一偏振分光棱镜103。激光器101是光源模块10的核心器件，用于产生捕获微粒的激光。在一个实施例中，本申请的激光器101例如可以采用低噪声高功率高稳定性的1064nm激光器，能够产生波长为1064nm的低噪声高功率高稳定性的激光。在另一个实施例中，本申请的激光器101也可以采用低噪声高功率高稳定性的1550nm激光器，相应地，之后光路中相关器件均需改为1550nm镀膜。第一半波片102和第一偏振分光棱镜103可以配合用于将出射激光分成两束，其中，经过第一偏振分光棱镜103的反射光进入三光阱调控模块20，经过第一偏振分光棱镜103的透射光进入探测模块40，可以分别用作三个纳米微粒运动信号探测的参考光。
在一些实施例中，本申请的三光阱调控模块20可以包括空间光调制器205，空间光调制器205可以用来调制出分别用于形成第一光阱、第二光阱和第三光阱的第一光束、第二光束和第三光束。空间光调制器205是三光阱调控模块20的核心器件，其作用是产生相位相干，且可以通过编码加载在其上的相位片来调控三光阱的参数，包括偏振、强度、相位、位置等。当然，在其他实施例中，空间光调制器205也可以通过其它方式实现，例如微透镜阵列。
在一些实施例中，本申请的三光阱调控模块20还包括4F系统，4F系统可以用来将第一光束、第二光束及第三光束的光路进行延长对准并射入真空系统模块30中。
在一些实施例中，本申请的三光阱调控模块20还包括扩束系统、第二半波片203、直角反射棱镜204及第一反射镜206。扩束系统由第一透镜201和第二透镜202组成，扩束系统用于对输入光进行扩束，扩束后的光束通过第二半波片203之后经直角反射棱镜204的一个直角边以小角度反射在空间光调制器205上，经过空间光调制器205调制出的第一光束、第二光束和第三光束再次经过直角反射棱镜204的另一个直角边反射，反射光束经过第一反射镜206的反射后进入4F系统。4F系统由第三透镜207和第四透镜208组成，对光路进行延长对准，射入后方的真空系统模块30。其中，空间光调制器205是偏振敏感型器件，只会对特定偏振方向的光产生调制，因此，通过第二半波片203可以用来调节入射到空间光调制器205中光束的偏振态。
在真空系统模块30中，真空腔301例如可承受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％。其中，抽真空的真空泵组和连接管道并未在图中显示。
进入到真空腔301中的捕获光束经过紧聚焦光阱生成元件302后形成三个紧聚焦的光阱，即第一光阱、第二光阱和第三光阱，分别用来捕获悬浮真空腔301中的第一微粒303、第二微粒304和第三微粒305。之后，前向散射光被收集透镜306收集准直后输出真空腔301外，输入到后方的探测模块40。
在一个实施例中，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，比如说高数值孔径的单透镜。真空腔301上还设置有真空规接口(未图示)和真空泵组接口(未图示)。真空规接口连接真空规(未图示)，可以实时监测真空腔301内的真空度。真空泵组接口可以通过真空阀与真空泵组相连，用于抽真空，为光悬浮纳米微粒提供真空环境。
在一些实施例中，本申请的探测模块40包括第三半波片401、第二偏振分光棱镜402及第一信号收集器403。通过第一微粒303、第二微粒304和第三微粒305后的散射光由收集透镜306收集且准直后通过第三半波片401和第二偏振分光棱镜402。其中，经过第二偏振分光棱镜402后的透射光进入到第一信号收集器403。
在一些实施例中，本申请的探测模块40还包括第四半波片404、第三偏振分光棱镜405、第一4F滤波系统、第二4F滤波系统、第二信号收集器409及第三信号收集器415。经过第二偏振分光棱镜402后的反射光通过第四半波片404和第三偏振分光棱镜405，其中，经过第三偏振分光棱镜405后的反射光通过第一4F滤波系统进入到第二信号收集器409，经过第三偏振分光棱镜405后的透射光通过第二4F滤波系统进入到第三信号收集器415。
第一4F滤波系统和第二4F滤波系统均包括前透镜、滤波器及后透镜，其中，前透镜和后透镜组成4F系统，滤波器位于前透镜的后焦点的位置。具体的，第一4F滤波系统包括第五透镜406、第一滤波器407和第六透镜408。第二4F滤波系统包括第七透镜412、第二滤波器413和第八透镜414。
本申请的探测模块40可利用偏振正交特性和4F滤波系统来实现对三个纳米微粒的独立探测。
在本申请的一个实施例中，三光阱的偏振方向采用图3所示的偏振配置。第二微粒304所处的第二光阱的偏振方向及偶极矩方向平行于待研究的第一微粒303和第二微粒304之间的连线方向，第一微粒303和第三微粒305分别所处的第一光阱和第三光阱的偏振方向及偶极矩方向垂直于的第一微粒303和第二微粒304之间的连线方向，因此，第二偏振分光棱镜402的透射光携带水平偏振光阱悬浮纳米微粒的运动信号被第一信号收集器403探测收集，转化为电信号被分析。第二偏振分光棱镜402的反射光携带其他两个竖直偏振光阱悬浮纳米微粒的运动信号，分别通过第四半波片404、第三偏振分光棱镜405、第五透镜406、第一滤波器407、第六透镜408被第二信号收集器409409探测收集，以及通过第五半波片416、第四偏振分光棱镜417、第七透镜412、第二滤波器413以及第八透镜414被第三信号收集器415探测收集，转化为电信号被分析。
可以理解的是，本申请产生的三光阱的偏振配置并不局限于图3所示，在其他实施例，三光阱的偏振方向也可以采用其他偏振方向。只要满足待研究的双粒子中的其中一个所处的光阱的偏振方向平行于该待研究的双粒子连线方向，另外两个光阱的偏振可以随意，也可以实现相同的效果。
另外，本申请中实现相位相干且待研究双粒子中的其中一个光阱的偏振与待研究双粒子连线平行，另外两个光阱的偏振与待研究双粒子连线垂直的三光阱的实现方法是通过空间光调制器205，然而，本申请并不局限于此，在其他实施例中，也可以采用其他方式实现相同的效果，例如，可以利用偏振旋转器件，如半波片，在三光阱调控模块20中4F系统的中心焦平面处实现三光阱偏振的独立设置，还可以借助多个空间光调制器205或者一个空间光调制器205分屏调制，满足三光阱的制备需求。
在一个实施例中，本申请的第一信号收集器403、第二信号收集器409和第三信号收集器415可以是三个独立的四象限探测器。在其他实施例中，本申请的第一信号收集器403、第二信号收集器409和第三信号收集器415还可由三组D型镜和平衡探测器的组合代替，测量被光阱捕获悬浮的微粒的运动信号。
探测模块40还包括第五半波片416、第四偏振分光棱镜417、第二反射镜418、第六半波片410及第五偏振分光棱镜411。其中，第五半波片416和第四偏振分光棱镜417可以配合用于将参考光分成两束，其中一束进入到第三信号收集器415，作为微粒运动信号探测的参考光；另一束入射至第二反射镜418，第六半波片410和第五偏振分光棱镜411配合用于将第二反射镜418反射后的反射光再次分成两束，分别进入到第一信号收集器403和第二信号收集器409，分别作为微粒运动信号探测的参考光。
本申请的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统1能够通过调节第三微粒305所处的第三光阱的偏振、强度、相位、位置等参数，控制其与第一微粒303和第二微粒304之间的相互作用，以此达到间接调控第一微粒303和第二微粒304间的相互作用。本申请的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统1在调节第一微粒303和第二微粒304之间的相互作用时，只需改变第三微粒305所处的第三光阱的参数，而无需改变第一微粒303和第二微粒304各自所处的第一光阱和第二光阱的参数，从而可以确保多次实验中第一微粒303和第二微粒304的初始状态能够始终保持一致性和稳定性，从而可以大幅度提升系统的稳定性。
图6揭示了本申请一个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的方法的流程图。如图6所示，本申请一个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的方法可以包括步骤S1至步骤S4。
在步骤S1中，制备相位相干的第一光阱、第二光阱和第三光阱，其中，第二光阱的偏振方向平行于第一微粒303和第二微粒304的连线方向，另外两个光阱(即第一光阱和第三光阱)的偏振可以随意。
在步骤S1中，为了实现光阱相位相干，可采用微透镜阵列和空间光调制器205来制备相位相干的三光阱，由于空间光调制器205可通过改变加载在其上面的相位片灵活调控光阱的参数，所以，可以优先选择空间光调制器205。而在三光阱中待研究双粒子中的其中一个的光阱的偏振方向与待研究双粒子连线方向平行，其他两个光阱偏振随意，为了进一步实现三光阱偏振可调性，可以利用偏振旋转器件，如半波片和4F系统实现偏振的设置，也可利用空间光调制器205对偏振敏感的特性，将入射光偏振相对空间光调制器205的偏振敏感方向倾斜一定角度，然后在空间光调制器205上加载双线性相位，使得未经调制的光和经过调制的光偏振相互垂直，完成满足偏振预期的三光阱制备。
在步骤S2中，利用第一光阱、第二光阱和第三光阱来分别捕获悬浮位于真空腔301中的第一微粒303、第二微粒304和第三微粒305，其中，第一微粒303和第二微粒304为待研究的两个纳米微粒。
在步骤S3中，调节第三光阱的偏振、强度、相位、位置等参数，来控制第三微粒305与待研究的第一微粒303及第二微粒304间的相互作用，从而间接实现对待研究的第一微粒303和第二微粒304间的相互作用的精确调控。
在步骤S4中，对第一微粒303、第二微粒304及第三微粒305的运动信号进行分离探测。
在步骤S4中，可以利用偏振正交特性和4F滤波系统来实现对三个纳米微粒运动信号的分离探测。
本申请一个或多个实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统1及方法至少能够取得以下有益技术效果：
(1)通过调节第三个光阱的偏振、强度、相位、位置等参数，控制第三个光阱中微粒(第三微粒305)与待研究双微粒(第一微粒303和第二微粒304)间的相互作用，且在调节待研究双微粒(第一微粒303和第二微粒304)间相互作用时无需改变其各自的捕获光场，从而大幅度提升系统的稳定性；
(2)可以提高待研究双微粒(第一微粒303和第二微粒304)系统初始化的可靠性和稳定性，即可在多次重复实验中确保待研究双微粒(第一微粒303和第二微粒304)的动力学初始状态不变；
(3)可以对三个微粒信号进行分离探测，实现单个微粒运动信号的独立探测。
以上对本申请实施例所提供的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统及方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的系统，其特征在于：包括光源模块、三光阱调控模块、真空系统模块及探测模块，其中，
所述真空系统模块包括真空腔及位于所述真空腔中的紧聚焦光阱生成元件、第一微粒、第二微粒、第三微粒及收集透镜，其中，所述第一微粒和所述第二微粒为待研究的两个纳米微粒；
所述光源模块用于提供激光，分别作为所述三光阱调控模块的输入光和所述探测模块的参考光；
所述三光阱调控模块用于制备相位相干的三束光，所述紧聚焦光阱生成元件用于紧聚焦所述三束光以分别形成用于捕获所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒的第一光阱、第二光阱和第三光阱，所述收集透镜用于收集所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒的散射光，其中，所述第二光阱的偏振方向平行于所述第一微粒和所述第二微粒的连线方向，所述三光阱调控模块还用于通过调节所述第三光阱的参数来控制所述第三微粒与待研究的所述第一微粒和所述第二微粒间的相互作用，以间接实现对所述第一微粒和所述第二微粒间的相互作用的调控；以及
所述探测模块用于对所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒的运动信号进行分离探测。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光源模块包括激光器、第一半波片及第一偏振分光棱镜，所述激光器用于产生所述激光，所述第一半波片和所述第一偏振分光棱镜配合用于将所述激光分成两束，分别提供至所述三光阱调控模块和所述探测模块。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述三光阱调控模块包括空间光调制器，所述空间光调制器用于调制出分别用于形成所述第一光阱、所述第二光阱和所述第三光阱的第一光束、第二光束和第三光束。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述三光阱调控模块还包括4F系统，所述4F系统用于将所述第一光束、所述第二光束及所述第三光束的光路进行延长对准并射入所述真空系统模块中。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述三光阱调控模块还包括扩束系统、第二半波片、直角反射棱镜及第一反射镜，所述扩束系统用于对所述输入光进行扩束，扩束后的光束通过所述第二半波片后经所述直角反射棱镜的一个直角边反射至所述空间光调制器上，经过所述空间光调制器调制出的所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束再次经过所述直角反射棱镜的另一个直角边的反射及所述第一反射镜的反射后进入所述4F系统。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述探测模块包括第三半波片、第二偏振分光棱镜及第一信号收集器，通过所述第一微粒、所述第二微粒和所述第三微粒后的散射光通过所述第三半波片和所述第二偏振分光棱镜，其中，经过所述第二偏振分光棱镜后的透射光进入到所述第一信号收集器。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述探测模块还包括第四半波片、第三偏振分光棱镜、第一4F滤波系统、第二4F滤波系统、第二信号收集器及第三信号收集器，经过所述第二偏振分光棱镜后的反射光通过所述第四半波片和所述第三偏振分光棱镜，其中，经过所述第三偏振分光棱镜后的反射光通过所述第一4F滤波系统进入到所述第二信号收集器，经过所述第三偏振分光棱镜后的透射光通过所述第二4F滤波系统进入到所述第三信号收集器。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述第一4F滤波系统和所述第二4F滤波系统均包括前透镜、滤波器及后透镜，其中，所述前透镜和所述后透镜组成4F系统，所述滤波器位于所述前透镜的后焦点的位置。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述探测模块还包括第五半波片、第四偏振分光棱镜、第二反射镜、第六半波片及第五偏振分光棱镜，其中，所述第五半波片和所述第四偏振分光棱镜配合用于将所述参考光分成两束，其中一束进入到所述第三信号收集器，另一束入射至所述第二反射镜，所述第六半波片和所述第五偏振分光棱镜配合用于将所述第二反射镜反射后的反射光再次分成两束，分别进入到所述第一信号收集器和所述第二信号收集器。
10.一种调控光悬浮纳米微粒间相互作用的方法，其特征在于：包括：
制备相位相干的第一光阱、第二光阱和第三光阱，其中，所述第二光阱的偏振方向平行于待研究的第一微粒和第二微粒的连线方向；
利用所述第一光阱、所述第二光阱和所述第三光阱来分别捕获悬浮位于真空腔中的所述第一微粒、所述第二微粒和第三微粒；
调节所述第三光阱的参数来控制所述第三微粒与待研究的所述第一微粒及所述第二微粒间的相互作用，以间接实现对所述第一微粒和所述第二微粒间的相互作用的调控；以及
对所述第一微粒、所述第二微粒及所述第三微粒的运动信号进行分离探测。
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