一种高灵敏度光阱测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种高灵敏度光阱测量装置及其测量方法。它包括样品池模块、初始捕获光阱模块、悬浮测量光阱模块、位置探测模块。首先利用初始捕获光将微粒捕获在光阱平衡点处并快速稳定，再打开悬浮测量光、同时撤去初始捕获光，使微粒稳定在悬浮测量光形成的光阱平衡点处，然后进行位移、加速度信号的高灵敏度测量。该方法在空气或真空等低阻尼条件下，可有效提高捕获效率，并使微粒快速稳定，避免了低刚度光阱捕获微粒后长时间振荡而影响测量应用的缺陷。本发明消除了一般光阱测量装置的缺点，既能高效捕获和快速稳定微粒，又对位移、加速度信号具有高的测量灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及应用于光学工程领域的光阱测量装置，尤其是利用光学悬浮进行精密 测量的光阱测量装置及其测量方法。

背景技术

根据量子理论，光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子。当光子入射 到介质表面发生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化。由动量守恒 定律就可以推出，当光束入射微粒，光子的动量变化量就是微粒的动量变化量。所以光束对 微粒存在力的作用，称为光辐射压。光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向 光强较强处的梯度力。在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，即令其 稳定在某特定位置，该区域称为光阱。

刚度在物理上的定义是指物体抵抗形变的能力，光阱测量装置的刚度（即光阱线 性系数）可以理解为在光阱某一位置处，对微粒的束缚能力。刚度越大，对微粒的束缚能力 越大；刚度越小，对微粒的束缚能力越小。也就是说，要使微粒被快速稳定捕获，需要使用刚 度较大的光阱，那么外界扰动将不易对微粒位置产生影响，导致光阱测量装置的灵敏度变 小；若要提高装置的灵敏度，则需减小光阱刚度，这又不利于微粒的捕获和快速稳定。

光阱测量装置可以用在很多领域，如光阱加速度计（陈晶,胡慧珠,白剑,舒晓武, 刘承.利用双光束悬浮光阱测量加速度的装置，CN101320049A）。

一般情况下，加速度测量的灵敏度指的是能够测量的最小加速度值。在不考虑硬 件设备限制的前提下，系统的灵敏度最终是由相同加速度下微粒的位移变化大小决定的。 假设只要微粒能对加速度做出位移上的变化，位置探测器就能探测到相应的量。

普通的光阱测量装置，若要实现对微粒的快速稳定捕获，则需使用刚度较大的光 阱，这样必然导致相同加速度下测得的微粒的位移变化小，导致其灵敏度降低；若想要提高 灵敏度，就需要提高减小光阱刚度，那么就会降低对微粒的捕获效率，增加微球被稳定捕获 的时间。

发明内容

本发明的目的是针对现有光阱测量装置的不足，提出了一种高灵敏度光阱测量装 置及其测量方法，既能高效捕获和快速稳定微粒，又对位移、加速度信号具有高的测量灵敏 度。

一种高灵敏度光阱测量装置，包括四个模块：样品池模块、初始捕获光阱模块、悬 浮测量光阱模块、位置探测模块；

样品池模块设有样品池和微粒；

初始捕获光阱模块用来将微粒首次稳定捕获在光阱平衡点处，由一束激光经过准直扩 束和聚焦后形成强梯度力光阱模块，使得样品池中的微粒被捕获和稳定；

悬浮测量光阱模块用来在撤去初始捕获光阱模块的光路的同时，利用悬浮光形成的光 阱再次将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，是由另一束共光路的高斯光束进入样品池形成的 低刚度光阱模块，用于对位移、加速度信号的高灵敏度测量；

位置探测模块用来观察微粒的捕获效果和探测微粒的位移信号。

所述的初始捕获光阱模块包括激光器、隔离器、准直透镜L1、反射镜M1、反射镜M2、 透镜L2、透镜L3、反射镜M3、物镜OBJ、分色镜D；激光器发出激光，即初始捕获光束，经准直透 镜L1准直，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L2、透镜L3扩束，经反射镜M3反射，进入物镜OBJ 后，通过分色镜D在样品池内高效捕获微粒。

所述的悬浮测量光阱模块包括激光器、分色镜D；激光器发出高斯光，通过分色镜D 在样品池内形成光阱，并稳定捕获微粒，形成对位移、加速度信号具有高灵敏度的单光束悬 浮测量光阱。

所述的样品池内设有密闭腔，密闭腔采用薄片打孔或挖槽工艺，样品池内可以是 液体、空气或真空，最后用盖玻片密封以阻隔气流扰动引入误差。

所述的位置探测模块依次包括成像透镜L4、CCD。

所述的微粒为尺寸在um到mm量级的光学均匀透明微粒，满足在相应环境中被捕获 光稳定捕获，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

所述的样品池是光学均匀介质，激光器发出的激光能均匀通过。

一种根据所述的装置进行高灵敏度光阱测量的方法，首先利用初始捕获光阱模块 将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，再打开悬浮测量光阱光路、同时撤去初始捕获光阱光路， 利用悬浮光形成的光阱重新将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，用位置探测模块来观察微粒 的捕获效果和探测微粒的位移信号。

本发明的有益效果，具有一般的光阱测量装置所不具有的优势：

兼顾捕获效率和测量灵敏度，提出了一种高灵敏度光阱测量装置及其测量方法，既能 提高捕获效率和缩短捕获后的稳定时间，又对位移、加速度信号具有高的测量灵敏度。

附图说明

图1是本发明高灵敏度光阱测量装置的一个结构示意图；

图2是本发明高灵敏度光阱测量装置实现的一个光路图。

具体实施方式

参照图1，一种高灵敏度光阱测量装置，包括四个模块：样品池模块、初始捕获光阱 模块、悬浮测量光阱模块、位置探测模块；

样品池模块设有样品池和微粒，将光路准直，使初始捕获光和悬浮光形成的光阱平衡 点重合。首先利用初始捕获光阱模块将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，再打开悬浮测量光 阱光路、同时撤去初始捕获光阱光路，利用悬浮光形成的光阱重新稳定捕获微粒，用位置探 测模块来观察微粒的捕获效果和探测微粒的位移信号。

参照图2，所述的初始捕获光阱模块包括激光器、隔离器、准直透镜L1、反射镜M1、 反射镜M2、透镜L2、透镜L3、反射镜M3、物镜OBJ、分色镜D；激光器发出激光，即初始捕获光 束，经准直透镜L1准直，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L2、透镜L3扩束，经反射镜M3反射， 进入物镜OBJ后，通过分色镜D进入样品池内，此时的初始捕获光的刚度较大，对微粒的束缚 作用强，微粒对外界的位移、加速度信号不敏感。

所述的悬浮测量光阱模块包括激光器、分色镜D；激光器发出高斯光，通过分色镜D 进入样品池内，此时未经聚焦的高斯光的刚度较小，对微粒的束缚作用较弱，微粒能对外界 的位移、加速度信号做出快速反应。

在进行测量前，进行光路对准，分别观察CCD图像中的初始捕获光和悬浮光形成的 光斑，使它们重合，从而使初始捕获光和悬浮光形成的光阱平衡点重合。

所述的样品池模块包括样品池以及微粒，样品池内设有密闭腔，密闭腔采用薄片 打孔或挖槽工艺，样品池内可以是液体、空气或真空，最后用盖玻片密封以阻隔气流扰动引 入误差。

所述的位置探测模块依次包括成像透镜L4、CCD。CCD输出的微粒被捕获的图像信 号可以通过计算机进行观察。

实验时利用初始捕获光阱模块将微粒首次稳定捕获在光阱平衡点处，再打开悬浮 测量光阱光路、同时撤去初始捕获光阱光路，利用悬浮光形成的光阱再次稳定捕获微粒，用 位置探测模块来观察微粒的捕获效果和探测微粒的位移信号（通过计算机观察CCD输出的 微粒被捕获的图像信号）。

假设位移量为x，线性系数为k，微粒的质量为m，由于光阱力在一定范围内是线性 的，系统加速度可以表示为：

由于加速度计的输出为微粒的位移，可以得出加速度计的灵敏度是由系统所能检测到 的最小位移决定的。由上式可看出，微粒的位移与光阱线性范围内的线性系数k成反比，这 就是说，同一个加速度下，光阱线性系数越小（即光阱的刚度越小），微粒位移越大，加速度 计的灵敏度越高；光阱线性系数越大（即光阱的刚度越大），微粒位移越小，加速度计的灵敏 度越低。

综上所述，由于初始捕获光的刚度较大，悬浮光的刚度较小，这样既能实现微粒快 速稳定捕获，而且基于LFA原理，又具有较高的测量灵敏度。并且在空气或真空等低阻尼条 件下，这种装置在提高捕获效率的同时，可以使微粒位置快速稳定，避免了低刚度光阱捕获 后微粒位置长时间振荡的现象，有益于测量应用。

所述的微粒为尺寸在um到mm量级的光学均匀透明微粒，满足在相应环境中被捕获 光稳定捕获，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

所述的样品池是光学均匀介质，激光器发出的激光能均匀通过。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。