一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法，利用紧聚焦光阱的偏振依赖特性，提出通过一维的电场标定装置实现对微粒的三轴电场力标定。本发明专利技术的方法使得微粒电场力标定系统与微粒投送、微粒检测系统兼容；简化了装置的复杂度，减弱标定复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法
本专利技术涉及传感标定领域，具体涉及一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法。
技术介绍
光镊技术自上世纪七十年代由阿瑟·阿什金开创以来，作为捕获和操纵中性粒子的通用工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。光镊技术通过激光束悬浮微粒可以简谐振子模型理解，相比传统的振子模型，光镊技术无接触机械耗散；进一步地，与液体或空气介质中的光镊系统不同，在真空中运作的光镊系统可实现悬浮单元与环境的完全隔离。基于上述优势，真空光镊技术在基础物理学如热力学、量子物理和传感领域应用物理学领域科学家对真空光镊开展了大量研究。基于真空光阱技术的精密传感的基础物理研究，往往需要建立微粒光电信号与微粒的实际运动信息（位移量）的对应关系，也即建立光电压信号与微粒位移的转换关系,这种关系的建立往往需要精确的动力学模型实现。常用的标定方法有两种：（1）根据微球在光阱中的热平衡运动位置进行标定；（2）利用微球易带电的特点，通过对微球施加电场进行电场力标定。热平衡位置标定利用真空光捕获小球在热平衡时的能力均分定理，运动状态的统计性质来实现光镊的校准。由于高真空下热平衡校准困难，现在热平衡校准标定往往是在1mbar以上的真空度进行的，其标定结果应用于高真空度时可能引入误差。电场力标定方法也可以不受真空度的影响进行标定校准，但是现有的对微粒三轴运动信号标定的技术是在微球周围的六个截面加载电极板实现，这样构成的三维电场装置导致微粒投送、光学监控变得困难。>
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法，具体技术方案如下：一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置，该装置包括激光器、分束器、偏振调节器、真空腔、物镜、平行电场施加单元、电场量控制单元、第一光电探测器、第二光电探测器、数据处理器；所述分束器、偏振调节器、物镜、平行电场施加单元和第一光电探测器依次布置在所述激光器的出射光路上，且所述物镜、平行电场施加单元均位于所述真空腔中，所述平行电场施加单元外接所述电场量控制单元；所述第二光电探测器位于所述分束器的反射回路上，且所述第一光电探测器和第二光电探测器均与所述数据处理器连接。进一步地，所述偏振调节器为λ/2玻片。一种基于电场量标定的多维度光镊校准方法，该方法基于上述的装置来实现；所述激光器出射捕获激光，所述捕获激光依次经所述分束器、偏振调节器后进入位于所述真空腔中的物镜，由所述物镜汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒悬浮在所述光学势阱中，所述球形纳米微粒在所述光学势阱中的散射光被所述第一光电探测器收集，所述分束器分束出来的参考光被第二光电探测器收集；所述数据处理器计算球形纳米微粒在光阱中三维运动造成散射光变化引发的电信号变化；定义光镊参考坐标系，所述光学势阱中光线传输方向为Z方向，光偏振方向为X方向，与X和Z垂直的方向为Y方向；定义校准过程的参考坐标系，光学势阱中光线传输方向为Z1方向，初始的光偏振方向为X1方向，与X1和Z1垂直的方向为Y1方向。当调节所述平行电场施加单元，使其电场方向沿着X1方向时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊X方向的校准系数；当保持电场方向沿着X1方向，调节所述偏振调节器，使入射光的偏振方向旋转90°，即变为X1和Y方向平行时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Y方向的校准系数；保持初始的光偏振方向为X1方向或调节入射光的偏振方向与Y1方向平行，以所述球形纳米微粒的位置为中心旋转所述平行电场施加单元，使电场在Z1方向有分量，通过测量所述球形纳米微粒在电场作用下在光阱Z1方向位置移动产生的差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Z方向的校准系数。进一步地，所述激光器的出射光的波长为1064nm或1550nm。进一步地，所述球形纳米微粒为二氧化硅颗粒。本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术的基于电场量标定的多维度光镊校准装置，电极装置的引入不影响微粒向光阱中的投送，同时，该装置支持在标定过程中通过侧向散射光对微粒的亮度、运动状态进行监测。（2）现有的校准装置只能在低气压下进行光阱校准，本专利技术通过电场量的校准方法将校准范围拓展到高真空，应用范围更广。（3）本专利技术的方法所有装置简单，标定难度低，为其他多维场测量应用研究提供参考和借鉴。附图说明图1为本专利技术的实施例的装置的示意图。图2为光镊系统输出的微球在光阱中三维运动谱图。图3为光学势阱焦平面上的光强分布图。图4为本专利技术的标定方法的流程图。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术的基于电场量标定的多维度光镊校准装置，包括激光器1、分束器2、偏振调节器3、真空腔4、物镜5、平行电场施加单元7、电场量控制单元8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、数据处理器11；分束器2、偏振调节器3、物镜5、平行电场施加单元7和第一光电探测器9依次布置在激光器1的出射光路上，且所述物镜5、平行电场施加单元7均位于真空腔4中，平行电场施加单元7外接电场量控制单元8；第二光电探测器10位于分束器2的反射回路上，且第一光电探测器9和第二光电探测器10均与数据处理器11连接。偏振调节器3优选λ/2玻片，方便的实现入射光场偏振调节。激光器1出射捕获激光，捕获激光依次经所述分束器2、偏振调节器3后进入位于真空腔4中的物镜5，由物镜5汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒6悬浮在光学势阱中，球形纳米微粒6在光学势阱中的散射光被第一光电探测器9收集，分束器2分束出来的参考光被第二光电探测器10收集；数据处理器11计算球形纳米微粒在光阱中三维运动造成散射光变化引发的电信号变化。根据本领域的常识，一个质量为m的球形纳米颗粒在光势阱中受到的三种最主要的外力：光力、阻尼力和随机力。以球形纳米微粒在一维x方向的运动为例，球形纳米微粒在一维光阱中的运动方程可以表示为：其中，Γ0表示阻尼系数，对应阻尼力的作用；Ω0是光阱的本征频率，对应光力作用；表示随机力的作用，kB表示玻尔兹曼常数，T表示温度，表示半径为R的球形纳米微粒斯托克斯摩擦系数，η表示流体粘滞系数。对应的球形纳米微粒运动功率谱为其中，ω表示频率值。对于光阱系统，由于球形纳米微粒运动信号都是通过光信号转化为电信号间接测量得到的，测试系统实际测得的功率谱信号是电压功率谱，本专利技术的标定方法就是标定与位移功率谱的关系：，也即求出校准系数cx。假设球形纳米微粒的带电量为q，当微粒在x方向受到一个振幅为E0、圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置，其特征在于，该装置包括激光器（1）、分束器（2）、偏振调节器（3）、真空腔（4）、物镜（5）、平行电场施加单元（7）、电场量控制单元（8）、第一光电探测器（9）、第二光电探测器（10）、数据处理器（11）；/n所述分束器（2）、偏振调节器（3）、物镜（5）、平行电场施加单元（7）和第一光电探测器（9）依次布置在所述激光器（1）的出射光路上，且所述物镜（5）、平行电场施加单元（7）均位于所述真空腔（4）中，所述平行电场施加单元（7）外接所述电场量控制单元（8）；所述第二光电探测器（10）位于所述分束器（2）的反射回路上，且所述第一光电探测器（9）和第二光电探测器（10）均与所述数据处理器（11）连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置，其特征在于，该装置包括激光器（1）、分束器（2）、偏振调节器（3）、真空腔（4）、物镜（5）、平行电场施加单元（7）、电场量控制单元（8）、第一光电探测器（9）、第二光电探测器（10）、数据处理器（11）；
所述分束器（2）、偏振调节器（3）、物镜（5）、平行电场施加单元（7）和第一光电探测器（9）依次布置在所述激光器（1）的出射光路上，且所述物镜（5）、平行电场施加单元（7）均位于所述真空腔（4）中，所述平行电场施加单元（7）外接所述电场量控制单元（8）；所述第二光电探测器（10）位于所述分束器（2）的反射回路上，且所述第一光电探测器（9）和第二光电探测器（10）均与所述数据处理器（11）连接。


2.根据权利要求1所述的基于电场量标定的多维度光镊校准装置，其特征在于，所述偏振调节器（3）为λ/2玻片。


3.一种基于电场量标定的多维度光镊校准方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的装置来实现；
所述激光器（1）出射捕获激光，所述捕获激光依次经所述分束器（2）、偏振调节器（3）后进入位于所述真空腔（4）中的物镜（5），由所述物镜（5）汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒悬浮在所述光学势阱中，所述球形纳米微粒在所述光学势阱中的散射光被所述第一光电探测器（9）收集，所述分束器（2）分束出来的参考光被第二光电探测器（10）收集；所述数据处理器（11）计算球形纳米微粒在光阱中三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翠红，陈志明，蒋静，高晓文，傅振海，胡慧珠，
申请(专利权)人：之江实验室，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33