CN210199398U - 光捕获颗粒的控制装置 - Google Patents

Abstract

一种光捕获颗粒的控制装置，应用于光电技术领域，包括：光捕获单元、数字反馈控制单元和上位机，光捕获单元用于测量待捕获微纳颗粒的三维位置信号，并将三维位置信号传输给数字反馈控制单元和上位机，上位机用于根据三维位置信号，生成反馈控制参数，并发送反馈控制参数给所述数字反馈控制单元，数字反馈控制单元用于将根据三维位置信号、反馈控制参数、目标运动状态，生成反馈控制信号给所述光捕获单元，以对所述光捕获单元进行反馈控制，可实现对光捕获颗粒振动冷却、振动幅度、振动频率等运动状态的控制。

Description

光捕获颗粒的控制装置

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，尤其涉及一种光捕获颗粒的控制装置。

背景技术

光镊技术或称光捕获技术，其通过聚焦光束对光场中的粒子施加指向光势阱中心光强梯度力从而实现微纳粒子的捕获。液体中的光捕获技术自1986年光镊的实用新型以来已经得到了长足的发展进步与广泛的实际应用。利用光镊控制微纳颗粒的能力，光捕获技术被用在纳米加工、微机械组装等领域。同时又由于被捕获粒子的大小通常在微米、纳米尺度，其运动特别容易受到外界环境的影响，利用此特性光捕获技术同样被应用在弱力测量、大分子与生物分子力学性质研究等领域。

近些年来，有别于传统的液体中的光捕获，真空光捕获技术越来越受到研究和关注。由于被捕获微纳颗粒的周围没有了液体或空气分子的干扰，实现了与外环境相对隔绝的捕获，微纳颗粒在光势阱中能够进行几乎完美的简谐振动。在极弱力测量、宏观量子态研究、引力波测量等诸多前沿领域有突出的研究潜力。而对被捕获的颗粒的运动状态进行控制是进行进一步研究前必要的工作步骤。已经有数个控制方案被提出，例如基于光强控制的参数反馈冷却；基于光学谐振腔的冷却；基于光压的冷却等等。然而在已提出方案中，大都强调粒子运动的冷却或者说粒子振幅的减小，缺乏其他运动模式的控制能力。同时传统的控制装置复杂昂贵调试困难，难以在不同控制模式间切换。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种光捕获颗粒的控制装置，可以实现对光捕获颗粒振动冷却、振动幅度、振动频率等运动状态的控制。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供一种光捕获颗粒的控制装置，包括：

激光器1、可旋转半波片2、偏振分束棱镜3、声光调制器4、90：10分束棱镜5、可变光圈6、可旋转偏振片7、扩束镜组8、第一真空腔窗片9、显微物镜10、粒子投送器11、非球面透镜12、第二真空腔窗片13、真空腔14、真空泵组15、30：70分束棱镜16、50：50分束棱镜17、道威棱镜18、第一D形镜19、第二D形镜20、X轴平衡光电探测器21、Y轴平衡光电探测器22、Z轴平衡光电探测器23、数字反馈控制单元24和上位机25；

激光器1用于发射激光束，所述激光束经过可旋转半波片2，使所述激光束的偏振发生旋转，偏振旋转后的激光束经过偏振分束棱镜3筛选出平行于X轴偏振方向上的激光束；

数字反馈控制单元24控制声光调制器4调整所述激光束的平均光强，以改变待光捕获微纳颗粒26的振动频率；

90：10分束棱镜5、可变光圈6、可旋转偏振片7用于调整所述激光束中光强低于第一预设值的光束，以被Z轴平衡光电探测器23接收；

扩束镜组8用于调整所述激光束中光强高于第二预设值的光束的直径，使所述光束的直径大于显微物镜10的后瞳直径；

所述激光束通过第一真空腔窗片9进入显微物镜10的后瞳，经过显微物镜10聚焦后，在显微物镜10的焦点附近产生能够光捕获微纳颗粒的光势阱；

粒子投送器11用于将微纳颗粒26投送至显微物镜10焦点附近，以使微纳颗粒26被光捕获；

真空泵15用于将真空腔14内抽真空；

被显微物镜10聚焦的激光束经过非球面镜12后重新变成平行光出射，通过第二真空腔窗片13后被30：70分束棱镜16分为两束光束，以使光强低于第三预设值的光束被Z轴平衡光电探测器23接收，光强高于第四预设值的光束被50：50分束棱镜17分为两束光束，其中一束通过道威棱镜18旋转90度后由第一D形镜19从中间分开成两束光束，所述两束光束均被Y轴平衡光电探测器22接收；另一束光由第二D形镜20从中间分开成两束光束，所述两束光束均被X轴平衡光电探测器21接收；

X轴平衡光电探测器21、Y轴平衡光电探测器22、Z轴平衡光电探测器23测量微纳颗粒26的三维位置信号，并将所述三维位置信号传输给数字反馈控制单元24和上位机25；

上位机25，用于根据所述三维位置信号，生成反馈控制参数，并发送所述反馈控制参数给数字反馈控制单元24；

数字反馈控制单元24，用于将根据所述三维位置信号、所述反馈控制参数、目标运动状态，生成反馈控制信号给声光调制器4。

进一步地，所述数字反馈控制单元包括：

模数转换模块27、FPGA模块28、数模转换模块29、上位机通信模块30；

模数转换模块27，用于将X轴平衡光电探测器21、Y轴平衡光电探测器22、Z轴平衡光电探测器23发送的三维位置信号转换成数字位置信号，并将所述数字位置信号发送给FPGA模块28；

上位机通信模块30，用于将上位机25发送的反馈控制参数发送给FPGA模块28；

FPGA模块28，用于根据所述数字位置信号、目标运动状态和所述反馈控制参数，生成数字反馈控制信号，并发送所述数字反馈控制信号给数模转换模块29；

数模转换模块29，用于将所述数字反馈控制信号转换成电压反馈控制信号发送给声光调制器4。

进一步地，所述FPGA模块28包括：

数字带通滤波器31、第一延时模块32、第二延时模块33、振幅模块34、测频模块35；

数字带通滤波器31，用于过滤三维位置信号中任一轴位移信号的噪声；

第一延时模块32，用于产生与所述轴位移信号同相的第一信号；

第二延时模块33，用于产生与所述轴位移信号相位差为π/2的第二信号；

振幅模块34，用于当所述第一信号和第二信号经过时，生成第三信号，并计算被光捕获的微纳颗粒26的当前振动幅度；

测频模块35，用于当所述第一信号经过时，生成第四信号，并计算被光捕获的微纳颗粒26的当前振动频率。

进一步地，所述FPGA模块28还包括：

单轴反馈信号生成模块36、信号合成模块37、输出模块38；

单轴反馈信号生成模块36，用于根据所述第一信号、第二信号、第三信号、第四信号，生成单轴反馈信号；

信号合成模块37，用于各个轴的单轴反馈信号合成，生成数字反馈控制信号；

输出模块38，用于将所述数字反馈控制信号发送给数模转换模块29。

进一步地，X轴平衡光电探测器21、Y轴平衡光电探测器22、Z轴平衡光电探测器23的输出电压分别正比于被捕获微纳颗粒26在X轴、Y轴、Z轴上的位移分量。

进一步地，显微物镜10和非球面镜12安装在真空腔14内。

进一步地，激光器1为2W功率1064nm连续光激光器。

进一步地，微纳颗粒26可为165nm直径二氧化硅小球。

从上述本实用新型实施例可知，本实用新型提供的光捕获颗粒的控制装置，包括光捕获单元、数字反馈控制单元和上位机，光捕获单元用于测量待捕获微纳颗粒的三维位置信号，并将三维位置信号传输给数字反馈控制单元和上位机，上位机用于根据三维位置信号，生成反馈控制参数，并发送反馈控制参数给所述数字反馈控制单元，数字反馈控制单元用于将根据三维位置信号、反馈控制参数、目标运动状态，生成反馈控制信号给所述光捕获单元，以对所述光捕获单元进行反馈控制，可实现对光捕获颗粒振动冷却、振动幅度、振动频率等运动状态的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的光捕获颗粒的控制装置中光捕获单元的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的光捕获颗粒的控制装置中数字反馈控制单元和上位机的结构示意图。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1和图2，图1为本实用新型一实施例提供的光捕获颗粒的控制装置中光捕获单元的结构示意图，图2为本实用新型一实施例提供的光捕获颗粒的控制装置中数字反馈控制单元和上位机的结构示意图，该装置包括：

激光器1、可旋转半波片2、偏振分束棱镜3、声光调制器4、90：10分束棱镜5、可变光圈6、可旋转偏振片7、扩束镜组8、第一真空腔窗片9、显微物镜10、粒子投送器11、非球面透镜12、第二真空腔窗片13、真空腔14、真空泵组15、30：70分束棱镜16、50：50分束棱镜17、道威棱镜18、第一D形镜19、第二D形镜20、X轴平衡光电探测器21、Y轴平衡光电探测器22、Z轴平衡光电探测器23、数字反馈控制单元24、上位机25、微纳颗粒26。

在装置中，激光器1发射出用于光捕获的激光束，激光束经过可旋转半波片2使得激光的偏振发生旋转，再通过一个固定的偏振分束棱镜3筛选出平行于X轴偏振方向上的激光分量，实现对激光束功率的初步控制。

之后激光穿过声光调制器4，声光调制器4可以根据调制信号对激光光强进行高速控制。之后激光通过90：10分束棱镜5，其中光强较弱(低于第一预设值)的光束通过可变光圈6、可旋转偏振片7后光强和形状被调整至最合适的情况后，被Z轴平衡光电探测器23的一个光电探头接收。光强较强(高于第二预设值)的光束通过扩束镜组8后，光束直径被调整至略大于显微物镜10的后瞳直径。

显微物镜10和非球面镜12安装在真空腔14内。真空泵15可将真空腔14内抽真空。激光束通过第一真空腔窗片9进入显微物镜10的后瞳，经过显微物镜10聚焦后，在物镜10的焦点附近产生能够光捕获微纳颗粒的光势阱。粒子投送器11将微纳颗粒26投送至显微物镜10焦点附近，颗粒26会被光势阱捕获。被显微物镜10聚焦的激光束通过非球面镜12后重新变成平行光出射。通过第二真空腔窗片13后被30：70分束棱镜16分为两束激光，较弱(低于第三预设值)的光通过Z轴平衡光电探测器23的另一个光电探头接收。较强(高于第四预设值)的光被50：50分束棱镜17分为两束激光。其中一束通过道威棱镜18旋转90度后由第一D形镜19从中间分开成两瓣光束，分别被Y轴平衡光电探测器22的两个光电探头接收。另一束光由第二D形镜20从中间分开成两瓣光束，分别被X轴平衡光电探测器21的两个光电探头接收。

X轴平衡光电探测器21、Y轴平衡光电探测器22、Z轴平衡光电探测器23的输出电压分别正比于被捕获微纳颗粒在X轴、Y轴、Z轴上的位移分量。由于光势阱的不对称性，微纳颗粒26在X轴、Y轴、Z轴上的运动分量相互独立。所测得的三维位置信号传输给数字反馈控制单元24和上位机25。

数字反馈控制单元24由：模数转换模块27、FPGA模块28、数模转换模块29、上位机通信模块30组成。探测器21、22、23送来的三维位置信号首先经过模数转换模块27转换成数字信号。数字化的位置信号传入FPGA模块28。在FPGA模块28中根据被捕获颗粒26的位置信号、被捕获颗粒26的情况、运动状态控制的目标和参数生成合适的数字反馈控制信号发送给数模转换模块29。数模转换模块29将数字反馈控制信号转换成电压反馈控制信号发送给声光调制器4对光强进行反馈控制。上位机通信模块30负责将上位机25发送的反馈控制参数转送给FPGA模块28。

在FPGA模块28中，首先考虑X轴位移信号的处理。X轴位移信号首先通过数字带通滤波器31过滤目标信号频域外的噪声。然后通过第一延时模块32和第二延时模块33。第一延时模块32和第二延时模块33通过增加额外延时的方式改变输入信号的相位弥补反馈回路延时造成的相位差。第一延时模块32产生与X轴位移信号同相的信号。第二延时模块33产生与X轴位移信号相位差π/2的信号。第一延时模块32和第二延时模块33的信号经过振幅模块34计算出被捕获颗粒的当前的振幅，第一延时模块32的信号经过测频模块35计算出被捕获颗粒当前的振动频率，第一延时模块32、第二延时模块33、振幅模块34、测频模块35分别生成的第一信号、第二信号、第三信号、第四信号进入单轴反馈信号生成模块36，根据上位机25输入的目标振幅、目标频率产生相应的单轴反馈控制信号，单轴反馈控制信号会将激光光强在强、弱两种光强间切换，或整体提高或减低激光光强。其中强、弱两种切换光强的光强差与平均光强的比值为调制深度，调制深度由上位机25设定。在单轴反馈信号生成模块中，根据第一延时模块32、第二延时模块33的信号可以判断颗粒是在远离还是在接近平衡位置，假设我们要增加(减小)颗粒振幅，模块会要求在颗粒26远离时切换至弱(强)光强，在颗粒26接近时切换至强(弱)光强。如果需要将颗粒26振幅锁定在目标振幅，要将目标振幅与振幅模块34信号比较，根据两者的大小增加或减小振幅。如果需要将颗粒26的振动频率锁定在目标频率，要将目标频率与测频模块35信号比较，实测频率偏小，增加光强，实测频率偏高，减小光强。Y轴位移信号与Z轴位移信号的处理与上述X轴位移信号的处理过程一样。如此获得的X、Y、Z三个单轴反馈控制信号经过信号合成模块37生成一个三维控制信号，在信号合成模块37按少数服从多数的原则，按三个单轴反馈控制信号占多数的控制目标光强为控制光强输出三维控制信号。信号合成模块37的信号经过输出模块38。输出模块38根据声光调制器4使用的衍射级、衍射效率输出按目标正确控制光强的输出数字信号。该信号最后发送给数模转换模块29。并通过声光调制器4控制光强实现光捕获颗粒运动状态的控制。

可选的，激光器1可为2W功率1064nm连续光激光器。

可选的，微纳颗粒26可为165nm直径二氧化硅小球。

该装置使用数字信号处理的方式生成反馈控制信号，所需设备简单易于搭建实施。通过对数字反馈模块的参数进行设定、修改就可以完成不同的光捕获微纳颗粒运动状态控制。

该装置在用于对光捕获颗粒运动反馈冷却时，可将颗粒运动在X、Y、Z轴独立运动分量上的等效温度降低至100mK以下。

该装置在用于对光捕获颗粒运动进行振幅锁定时，可将颗粒在X、Y、Z轴独立运动分量上的振幅控制在设定值附近。控制的准确度好于目标振幅的1％。

该装置在用于对光捕获颗粒运动进行频率锁定时，可将颗粒在X、Y、Z轴独立运动分量中某一个运动分量上的频率控制在设定值附近。频率控制的准确度好于1Hz。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本实用新型并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本实用新型，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本实用新型所必须的。

以上为对本实用新型所提供的光捕获颗粒的控制装置，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，包括：

激光器(1)、可旋转半波片(2)、偏振分束棱镜(3)、声光调制器(4)、90：10分束棱镜(5)、可变光圈(6)、可旋转偏振片(7)、扩束镜组(8)、第一真空腔窗片(9)、显微物镜(10)、粒子投送器(11)、非球面镜(12)、第二真空腔窗片(13)、真空腔(14)、真空泵(15)、30：70分束棱镜(16)、50：50分束棱镜(17)、道威棱镜(18)、第一D形镜(19)、第二D形镜(20)、X轴平衡光电探测器(21)、Y轴平衡光电探测器(22)、Z轴平衡光电探测器(23)、数字反馈控制单元(24)和上位机(25)；

激光器(1)用于发射激光束，所述激光束经过可旋转半波片(2)，使所述激光束的偏振发生旋转，偏振旋转后的激光束经过偏振分束棱镜(3)筛选出平行于X轴偏振方向上的激光束；

数字反馈控制单元(24)控制声光调制器(4)调整所述激光束的光功率，以改变待光捕获微纳颗粒(26)的振动频率；

90：10分束棱镜(5)、可变光圈(6)、可旋转偏振片(7)用于调整所述激光束中光强低于第一预设值的光束，以被Z轴平衡光电探测器(23)接收；

扩束镜组(8)用于调整所述激光束中光强高于第二预设值的光束的直径，使所述光束的直径大于显微物镜(10)的后瞳直径；

所述激光束通过第一真空腔窗片(9)进入显微物镜(10)的后瞳，经过显微物镜(10)聚焦后，在显微物镜(10)的焦点附近产生能够光捕获微纳颗粒的光势阱；

粒子投送器(11)用于将微纳颗粒(26)投送至显微物镜(10)焦点附近，以使微纳颗粒(26)被光捕获；

真空泵(15)用于将真空腔(14)内抽真空；

被显微物镜(10)聚焦的激光束经过非球面镜(12)后重新变成平行光出射，通过第二真空腔窗片(13)后被30：70分束棱镜(16)分为两束光束，以使光强低于第三预设值的光束被Z轴平衡光电探测器(23)接收，光强高于第四预设值的光束被50：50分束棱镜(17)分为两束光束，其中一束通过道威棱镜(18)旋转90度后由第一D形镜(19)从中间分开成两束光束，所述两束光束均被Y轴平衡光电探测器(22)接收；另一束光由第二D形镜(20)从中间分开成两束光束，所述两束光束均被X轴平衡光电探测器(21)接收；

X轴平衡光电探测器(21)、Y轴平衡光电探测器(22)、Z轴平衡光电探测器(23)测量微纳颗粒(26)的三维位置信号，并将所述三维位置信号传输给数字反馈控制单元(24)和上位机(25)；

上位机(25)，用于根据所述三维位置信号，生成反馈控制参数，并发送所述反馈控制参数给数字反馈控制单元(24)；

数字反馈控制单元(24)，用于将根据所述三维位置信号、所述反馈控制参数、目标运动状态，生成反馈控制信号给声光调制器(4)。

2.根据权利要求1所述的光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，所述数字反馈控制单元包括：

模数转换模块(27)、FPGA模块(28)、数模转换模块(29)、上位机通信模块(30)；

模数转换模块(27)，用于将X轴平衡光电探测器(21)、Y轴平衡光电探测器(22)、Z轴平衡光电探测器(23)发送的三维位置信号转换成数字位置信号，并将所述数字位置信号发送给FPGA模块(28)；

上位机通信模块(30)，用于将上位机(25)发送的反馈控制参数发送给FPGA模块(28)；

FPGA模块(28)，用于根据所述数字位置信号、目标运动状态和所述反馈控制参数，生成数字反馈控制信号，并发送所述数字反馈控制信号给数模转换模块(29)；

数模转换模块(29)，用于将所述数字反馈控制信号转换成电压反馈控制信号发送给声光调制器(4)。

3.根据权利要求2所述的光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，所述FPGA模块(28)包括：

数字带通滤波器(31)、第一延时模块(32)、第二延时模块(33)、振幅模块(34)、测频模块(35)；

数字带通滤波器(31)，用于过滤三维位置信号中任一轴位移信号的噪声；

第一延时模块(32)，用于产生与所述轴位移信号同相的第一信号；

第二延时模块(33)，用于产生与所述轴位移信号相位差为π/2的第二信号；

振幅模块(34)，用于当所述第一信号和第二信号经过时，生成第三信号，并计算被光捕获的微纳颗粒(26)的当前振动幅度；

测频模块(35)，用于当所述第一信号经过时，生成第四信号，并计算被光捕获的微纳颗粒(26)的当前振动频率。

4.根据权利要求3所述的光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，所述FPGA模块(28)还包括：

单轴反馈信号生成模块(36)、信号合成模块(37)、输出模块(38)；

单轴反馈信号生成模块(36)，用于根据所述第一信号、第二信号、第三信号、第四信号，生成单轴反馈信号；

信号合成模块(37)，用于各个轴的单轴反馈信号合成，生成数字反馈控制信号；

输出模块(38)，用于将所述数字反馈控制信号发送给数模转换模块(29)。

5.根据权利要求2所述的光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，X轴平衡光电探测器(21)、Y轴平衡光电探测器(22)、Z轴平衡光电探测器(23)的输出电压分别正比于被捕获微纳颗粒(26)在X轴、Y轴、Z轴上的位移分量。

6.根据权利要求2所述的光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，显微物镜(10)和非球面镜(12)安装在真空腔(14)内。

7.根据权利要求2所述的光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，激光器(1)为2W功率1064nm连续光激光器。

8.根据权利要求2所述的光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，微纳颗粒(26)可为165nm直径二氧化硅小球。

Images