光捕获颗粒的控制装置及方法制造方法及图纸

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被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。本发明专利技术还公开了一种光捕获颗粒的控制方法，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。

Control Device and Method of Light Capturing Particles

【技术实现步骤摘要】
光捕获颗粒的控制装置及方法
本专利技术涉及光电
，尤其涉及一种光捕获颗粒的控制装置及方法。
技术介绍
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年光镊的专利技术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。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种光捕获颗粒的控制装置及方法，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，本专利技术实施例第一方面提供一种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；所述光捕获单元，用于测量被捕获微纳颗粒的三维位置信号，并将所述三维位置信号传输给所述数字反馈控制单元和上位机；所述上位机，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所述数字反馈控制单元；所述数字反馈控制单元，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，生成反馈控制信号对所述光捕获单元，以对所述光捕获单元进行反馈控制。进一步地，所述光捕获单元包括：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；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。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、单轴反馈信号生成模块36、信号合成模块37、输出模块38；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；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。本专利技术实施例第二方面提供一种光捕获颗粒的控制方法，包括：用粒子投送器11将待捕获的微纳颗粒26投送到显微物镜10的焦点附近；通过上位机25观测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的信号输出，等到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有稳定的被捕获的微纳颗粒26的位置信号输出时，确认微纳颗粒26已经被光捕获；从真空腔14中取出粒子投送器11，闭锁真空腔14，打开真空泵15，将真空腔14内的气压抽至预设真空度；调整可调光圈6的大小、第一D形镜19、第二D形镜20的位置使得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输出信号的噪声最小；根据微纳颗粒26在X、Y、Z轴方向上不同的振动频率，通过上位机25分别设定FPGA模块28中数字带通滤波器31的带通频率，以保留X、Y、Z轴方向上的振动信号，抑制其它频率的噪声信号；设置第一延时模块32、第二延时模块33的延时参数，以使X、Y、Z轴方向上的第一延本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，包括：光捕获单元、数字反馈控制单元和上位机；所述光捕获单元，用于测量被捕获微纳颗粒的三维位置信号，并将所述三维位置信号传输给所述数字反馈控制单元和上位机；所述上位机，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所述数字反馈控制单元；所述数字反馈控制单元，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所述光捕获单元，以对所述光捕获单元进行反馈控制。

【技术特征摘要】
1.一种光捕获颗粒的控制装置，其特征在于，包括：光捕获单元、数字反馈控制单元和上位机；所述光捕获单元，用于测量被捕获微纳颗粒的三维位置信号，并将所述三维位置信号传输给所述数字反馈控制单元和上位机；所述上位机，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所述数字反馈控制单元；所述数字反馈控制单元，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所述光捕获单元，以对所述光捕获单元进行反馈控制。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，所述光捕获单元包括：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；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，以改变被光捕获微纳颗粒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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑瑜，孙方稳，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34