一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法。光源经分束器反射后的光束依次经过第三反射镜和左聚焦透镜后在针孔处聚焦后再依次经过右聚焦透镜、第一和第二反射镜后形成对射光束中的第一光束；光源经分束器透射后的光束依次经第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜后在针孔处聚焦后再依次经左聚焦透镜、第三反射镜和分束器后形成对射光束中的第二光束。调节针孔和第一反射镜位置以调节对准距离误差，在分束器和第二反射镜之间设置半透光片，调节第二反射镜位置以调节对准角度误差，交替重复上述两个步骤，使得两对射光束焦点的对准距离和对准角度误差同时达到最小。本发明专利技术提高了光镊中对射光束焦点的对准精度，具有实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法
本专利技术涉及光镊光路调节装置及方法，尤其是涉及了一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法。
技术介绍
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20um的玻璃微球。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(opticaltweezer)。2018年，Ashkin因专利技术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越加诱人的前景。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，即隔绝所有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。例如，耶鲁大学的Fernando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。真空光镊在精密力学量测量和高性能惯性传感器等方面已展现出重要应用价值。理论与实验均表明，对于空气中直径超过1um的二氧化硅微球，激光在功率100mW和聚焦数值孔径0.5条件下，在焦点附近光对微球作用力并不指向焦点，而是沿着光传输方向。要形成指向焦点的作用力需要增大数值孔径。然而高数值孔径需要多片透镜组合以抑制随物方孔径角增大而增大的像差或(和)油浸介质环境，显著增加了光镊系统的体积与成本，并且油浸不适用空气或真空光镊应用。因此聚焦数值孔径的增加受到限制。综合来说，仅使用单束强聚焦光束而不依赖重力等其他因素无法稳定捕获直径超过1um微球。另一方面，在高真空环境中，微球最小可测量加速度值与微球直径的2.5次方成反比。更高灵敏度的加速度测量需要更大直径的微球。两束强聚焦光束对射以捕获直径超过1um微球是一种可行的光路替代方案。该方案中要求两光束聚焦焦点重合，两光束光轴重合，重合程度直接影响微球的被捕获稳定性。定义两光束聚焦焦点的轴向偏离误差与径向偏离误差之和为对准距离误差，定义两光束光轴之间的夹角为对准角度误差。要稳定捕获直径超过1um微球，对射光束两聚焦的对准距离误差一般要求小于0.1um，对准角度误差一般要求小于0.1mrad。聚焦焦点的轴向偏离减小了对射光束对微球的作用力；聚焦焦点的径向偏离在焦点附近产生漩涡力场，使得微球转动加剧；两光束光轴之间均在夹角时，微球在夹角外侧所受的作用力随夹角的增大而减小，以上三种误差均使得微球更容易逃逸出捕获稳定位置。稳定捕获微球是实现有效冷却抑制布朗运动和探测微球位置信息的基本条件。因此研究光镊中对射光束焦点对准的方法对光镊系统的捕获、冷却和测量等性能具有重要意义。
技术实现思路
针对目前光镊研究中，现有对射光束焦点对准的距离误差和角度误差不能同时有效抑制，对准总体精度无法保证通过光路调节达到最优的现状，本专利技术提出了一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法。本专利技术所采用的具体技术方案如下：一、一种光镊中对射光束焦点对准的装置本专利技术装置包括光源、分束器、第三反射镜、左聚焦透镜、针孔、三维位移调节台、右聚焦透镜、第一反射镜、第二反射镜，光源、分束器和第二反射镜沿直线依次水平间隔排布，第三反射镜和第一反射镜分别位于分束器和第二反射镜的正下方，第三反射镜和第一反射镜之间设有聚集组件，聚集组件包括依次共轴水平排列的左聚焦透镜、针孔和右聚焦透镜；左聚焦透镜靠近第三反射镜布置，右聚焦透镜靠近第一反射镜布置。半透光片布置在分束器和第二反射镜之间或者不布置在在装置中；光功率计布置在第三反射镜和左聚焦透镜之间或者布置在右聚焦透镜和第一反射镜之间或者不布置在装置中；光源发出的平行光束经分束器分为光束a和光束b，经分束器反射后的光束a依次经过第三反射镜和左聚焦透镜后在针孔处聚焦，聚焦后的光束a再依次经过右聚焦透镜、第一反射镜和第二反射镜后形成对射光束中的第一光束；经分束器透射后的光束b依次经过第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜后在针孔处聚焦，聚焦后的光束b再依次经过左聚焦透镜、第三反射镜和分束器后形成对射光束中的第二光束。所述的针孔安装在三维位移调节台上，针孔的位置通过三维位移调节台进行调节；第一反射镜和第二反射镜均安装在二维调节架上，第一反射镜和第二反射镜的位置通过二维调节架进行调节，光源、分束器、左聚焦透镜和右聚焦透镜的位置固定，不进行调节。对第一反射镜和第二反射镜的位置调节包括位移调节和角度调节。优选的，针孔为圆柱型，针孔的直径与光束聚焦处束腰直径相吻合，在0.1um到100um之间；针孔的轴向长度与光束聚焦处瑞利距离相吻合，在0.1um至100um之间。优选的，光源为激光光源，所述的第三反射镜、第二反射镜和第一反射镜均为平面反射镜。优选的，半透光片为感光片或毛玻璃片，半透光片在透过光束的同时在半透光片上形成光斑。如图7或图2所示，若半透光片两侧均有光照射，则半透光片的两个侧面上均形成一个散射光斑，并且在任意一侧可以观察到两个光斑。二、一种光镊中对射光束焦点对准方法，包括以下步骤：如图1所示，步骤1)光路中不放置半透光片，将光功率计放在右聚焦透镜和第一反射镜之间，并使光功率计的接收面朝向右聚焦透镜，通过三维位移调节台调节针孔的位置，使得光功率计接收面接收到的自光源依次经分束器、第三反射镜、左聚焦透镜、针孔和右聚焦透镜的光束a的光功率最大；如图2所示，步骤2)将光功率计从光路中移开，将半透光片放在分束器和第二反射镜之间，光束a和光束b分别从半透光片的两侧对射到半透光片上形成对射光束，具体为：光源发出的平行光束依次经分束器、第三反射镜、左聚焦透镜、针孔、右聚焦透镜、第一反射镜和第二反射镜后入射到半透光片的一侧形成对射光束中的第一光束，第一光束在半透光片上形成一个光斑，光源发出的平行光束依次经分束器、第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜、针孔、左聚焦透镜、第三反射镜和分束器后入射到半透光片的另一侧形成对射光束中的第二光束，第二光束在半透光片上形成又一个光斑，因此对射光束在半透光片上形成两个光斑，通过二维调节架调节第二反射镜的位置，使得所述的两个光斑中心通过目视判断为重合；如图3所示，步骤3)将半透光片从光路中移开，将光功率计放在第三反射镜和左聚焦透镜之间，并使光功率计的接收面朝向左聚焦透镜，通过二维调节架调节第一反射镜的位置，使得光功率计的接收面接收到的自光源依次经分束器、第二反射镜、第一反射镜、右聚焦透镜、针孔和聚焦透镜的光束b的光功率最大；步骤4)重复步骤2)-3)，直至在步骤3)调节第一反射镜的位置之前，用半透光片观察对射光束形成的两个光斑，对射光束在半透光片上形成的两个光斑通过目视判断为重合。通过目视判断为重合，是指两光斑中心接近重合，以至于从半透光片任意一侧均无法用人眼分辨出一个光斑中心相对于另外一个光斑中心的偏离方向。光束a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：包括光源(1)、分束器(2)、第三反射镜(3)、左聚焦透镜(4)、针孔(5)、三维位移调节台(6)、右聚焦透镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)，光源(1)、分束器(2)和第二反射镜(9)沿直线依次水平间隔排布，第三反射镜(3)和第一反射镜(8)分别位于分束器(2)和第二反射镜(9)的正下方，第三反射镜(3)和第一反射镜(8)之间设有聚集组件，聚集组件包括依次共轴水平排列的左聚焦透镜(4)、针孔(5)和右聚焦透镜(7)；半透光片(11)布置在分束器(2)和第二反射镜(9)之间或者不布置在在装置中；光功率计(10)布置在第三反射镜(3)和左聚焦透镜(4)之间或者布置在右聚焦透镜(7)和第一反射镜(8)之间或者不布置在装置中；光源(1)发出的平行光束经分束器(2)分为光束a和光束b，经分束器(2)反射后的光束a依次经过第三反射镜(3)和左聚焦透镜(4)后在针孔(5)处聚焦，聚焦后的光束a再依次经过右聚焦透镜(7)、第一反射镜(8)和第二反射镜(9)后形成对射光束中的第一光束；经分束器(2)透射后的光束b依次经过第二反射镜(9)、第一反射镜(8)、右聚焦透镜(7)后在针孔(5)处聚焦，聚焦后的光束b再依次经过左聚焦透镜(4)、第三反射镜(3)和分束器(2)后形成对射光束中的第二光束。...

【技术特征摘要】
1.一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：包括光源(1)、分束器(2)、第三反射镜(3)、左聚焦透镜(4)、针孔(5)、三维位移调节台(6)、右聚焦透镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)，光源(1)、分束器(2)和第二反射镜(9)沿直线依次水平间隔排布，第三反射镜(3)和第一反射镜(8)分别位于分束器(2)和第二反射镜(9)的正下方，第三反射镜(3)和第一反射镜(8)之间设有聚集组件，聚集组件包括依次共轴水平排列的左聚焦透镜(4)、针孔(5)和右聚焦透镜(7)；半透光片(11)布置在分束器(2)和第二反射镜(9)之间或者不布置在在装置中；光功率计(10)布置在第三反射镜(3)和左聚焦透镜(4)之间或者布置在右聚焦透镜(7)和第一反射镜(8)之间或者不布置在装置中；光源(1)发出的平行光束经分束器(2)分为光束a和光束b，经分束器(2)反射后的光束a依次经过第三反射镜(3)和左聚焦透镜(4)后在针孔(5)处聚焦，聚焦后的光束a再依次经过右聚焦透镜(7)、第一反射镜(8)和第二反射镜(9)后形成对射光束中的第一光束；经分束器(2)透射后的光束b依次经过第二反射镜(9)、第一反射镜(8)、右聚焦透镜(7)后在针孔(5)处聚焦，聚焦后的光束b再依次经过左聚焦透镜(4)、第三反射镜(3)和分束器(2)后形成对射光束中的第二光束。2.根据权利要求1所述的一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：所述的针孔(5)安装在三维位移调节台(6)上，针孔(5)的位置通过三维位移调节台(6)进行调节；第一反射镜(8)和第二反射镜(9)均安装在二维调节架上，第一反射镜(8)和第二反射镜(9)的位置通过二维调节架进行调节，光源(1)、分束器(2)、左聚焦透镜(4)和右聚焦透镜(7)的位置固定。3.根据权利要求1所述的权利要求1所述的一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于：所述的针孔(5)为圆柱型，针孔(5)的直径与光束聚焦处束腰直径相吻合，在0.1um到100um之间；针孔(5)的轴向长度与光束聚焦处瑞利距离相吻合，在0.1um至100um之间。4.根据权利要求1所述的权利要求1所述的一种光镊中对射光束焦点对准的装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝训敏，李楠，胡慧珠，刘承，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33