【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精密测量领域，尤其涉及一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置及方法。
技术介绍
1、极弱力的测量促进了磁共振力显微镜、物质波干涉测量、近距离引力物理测试、惯性传感等领域的应用，且我国最新的《计量发展规划(2021-2035年)》中提出了皮牛级微小力值计量与质量单位的量子化变革复现等技术需求。光学悬浮机械系统在高真空中的良好环境解耦可以在室温下实现极弱力测量，在真空光镊技术中，利用光和微纳粒子之间的动量交换，使微纳粒子能够稳定地被限制和操纵在光学陷阱中。根据微纳粒子在光阱中的受力可以分为散射力与梯度力，其中，散射力沿光线传播方向，梯度力指向光势能降低方向。不考虑重力作用，当微粒在某一位置受到的散射力与梯度力的合力为零时，将被囚禁在这个受力平衡位置，也就是光阱中心处。极弱力的测量的基本原理是根据波动-耗散定理主要受到布朗运动的限制，功率谱密度(power spectral density，psd)表示为sf＝4kbt0mω0/q，其中，kb是玻尔兹曼常数，t0是环境温度，m是微纳粒子的质量，ω0是振荡频率，q是品质因子，那么在温度t0时可测量的极弱力为其中，γ0是阻尼率，b是测量带宽。在测量极弱力的基础上，采用竖直向上的光阱极弱力测量装置，当光阱中微纳粒子处于平衡时，微纳粒子受重力和光散射力，通过在微纳粒子附近施加电场力，减弱光散射力，最终通过电场力实现微纳粒子平衡，此时有g＝f，其中g为测量重力值，f为已知的施加电场力，即mg＝f，其中m为小球质量，g为重力加速度，那么可获得m＝f/g。
2、现有的真空
3、文章optical levitation of 10-ng spheres with nano-g accelerationsensitivity公开了一种基于真空光镊的极弱力测量系统装置，采用透镜、反射镜、偏振分束镜、振镜、隔离器、四象限探测器等大量空间光元件对系统光路进行搭建，从而实现极弱力测量。但是有以下问题需要解决：
4、(1)系统装置采用大量的空间光元件搭建光路系统限制了系统集成化、小型化的应用需求。文章中系统的要求使用大量的空间光元件搭建光路系统，空间光元器件对焦距的均有要求，使得系统装置需要较大空间，移动时也不便利，这在很大程度上影响需要对极弱力测量系统进行集成化、小型化的应用。
5、(2)系统装置中采用532nm作为探测光限制了系统集成化、小型化的应用需求。文章中的要求使用532nm作为探测光源，需要532nm的激光器以及大量的空间光元件，使得系统装置需要较大空间，移动时也不便利，这在很大程度上影响需要对极弱力测量系统进行集成化、小型化的应用，增加系统额外成本。
6、综上所述，现有技术在实际应用中，为了达到高灵敏度的极弱力测量和精准的极弱力计量，所采用的空间光路系统存在体积大、光路复杂、移动不便利、受外界复杂环境变化影响等问题，使得基于真空光镊系统的极弱力测量装置难以走出实验室，制约着系统的小型化、集成化、工程化和应用化。为克服这一缺陷，现有技术中通过不断简化空间光路系统的方法来掩盖这一技术缺陷，但这一技术缺陷始终制约着基于真空光镊的极弱力测量装置小型化、应用化的问题，有待解决。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提出一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置及方法。
2、具体技术方案如下：
3、一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，包括：光纤激光器、光纤分束器、光纤声光调制器、光纤准直器、振镜、真空腔、透镜、真空反射镜、电极板、微纳粒子、四象限探测器、控制端；
4、所述光纤激光器发射1064nm的光，所述光纤激光器、光纤声光调制器、光纤分束器通过光纤顺序连接，光纤分束器的一个输出端通过光纤与四象限探测器连接，该输出端输出的光束作为参考光束；另一个输出端通过光纤与光纤准直器连接，光束经过光纤准直器后转为空间光光束a，光束a被耦合到同光轴布置的振镜，光束a经振镜反射进入到真空腔中；
5、所述真空腔内布置：透镜、真空反射镜、电极板、微纳粒子；光束a经过透镜聚焦后在真空反射镜作用下转向90°，电极板布置在光束a转向后的光路上，微纳粒子布置在两电极板之间并能被光束a捕获；光束a通过微纳粒子后沿原方向继续传播，此时光束a带有微纳粒子信息，经过另一面真空反射镜再次转向90°，带有微纳粒子信息的光束a经透镜收集后离开真空腔，耦合到真空腔外的四象限探测器中，所述四象限探测器进行信号采集并输送至控制端。
6、进一步地，所述光纤激光器的光功率为0-5w，光纤声光调制器的调制光功率为1-5w。
7、进一步地，所述透镜焦距为75-300mm，两电极板的间距为20-50mm，微纳粒子的直径为2-30μm。
8、进一步地，所述光纤电光调制器调制光功率为1w。
9、进一步地，所述光束a通过真空腔上的真空腔面镜进入所述真空腔。
10、进一步地，所述光纤准直器出射光斑为3mm-6mm。
11、一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量方法，基于所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置实现，具体方法如下：
12、所述光纤激光器发射波长为1064nm的激光，依次沿光纤经过光纤声光调制器和光纤分束器，分成的其中一束光沿光纤射入四象限探测器中作为参考光束；另一束光沿光纤经过光纤准直器转为空间光光束a，再经过振镜反射，水平射入真空腔中，经过透镜形成聚焦光束，经过一面真空反射镜后光束a由水平状态变为垂直状态，穿过电极板作用到微纳粒子上进行捕获；将光束a经过微纳粒子时的传播方向作为z轴，依据右手法则，将与z轴垂直的两个方向分别定为x轴和y轴；
13、当微纳粒子被捕获时，真空腔开始工作，对腔内进行抽真空；当真空度达到阈值时，通过四象探测器采集信号传输至控制端进行数据分析，根据数据结果对微纳粒子进行冷却，即通过光纤声光调制器调制光束a在传播方向上的光强，使其与重力平衡，实现对微纳粒子在z方向上的冷却；通过振镜改变微纳粒子在x方向和y方向上的光的位置，从而实现对微纳粒子在x方向和y方向上的冷却；通过光纤声光调制器和振镜的共同调制作用，实现对微纳粒子的三轴冷却，从而使微纳粒子处于捕获稳定的状态；此时对所述电极板施加电压，形成电场力，随着电场力的增强减小光束a的光强，最终达到电场力与重力平衡状态将微纳粒子捕获，将此刻平衡状态下的电场力作为微纳粒子的重力的计量值；
14、经过微纳粒子后，光束携带微纳粒子此时状态沿垂直方向继续传播，经过反射镜后光束由垂直状态再次变为水平状态，再经过透镜收集光束后离开真空腔，耦合到四象限探测器中，进行信号采集并输送至控制端，控制端获得带有微纳粒子此时状态的信号，从而实现极弱力精准计量。
15、进一步地，所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，包括：光纤激光器、光纤分束器、光纤声光调制器、光纤准直器、振镜、真空腔、透镜、真空反射镜、电极板、微纳粒子、四象限探测器、控制端；
2.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述光纤激光器的光功率为0-5W，光纤声光调制器的调制光功率为1-5W。
3.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述透镜焦距为75-300mm，两电极板的间距为20-50mm，微纳粒子的直径为2-30μm。
4.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述光纤电光调制器调制光功率为1W。
5.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述光束A通过真空腔上的真空腔面镜进入所述真空腔。
6.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述光纤准直器出射光斑为3mm-6mm。
7.一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量方法，基于权利要求1
8.根据权利要求7所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量方法，其特征在于，所述微纳粒子通过压电陶瓷起支方式，从光束A的上方掉落，在光束A焦点所在的光阱捕获区被捕获。
9.根据权利要求7所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量方法，其特征在于，所述真空腔内的真空度的阈值为1x10-6mbar。
10.根据权利要求7所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量方法，其特征在于，当微纳粒子在高真空环境下处于光冷却下的平衡状态时，微纳粒子的质量其中q为电荷所带电量，E为电场强度，g为重力加速度。
...【技术特征摘要】
1.一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，包括：光纤激光器、光纤分束器、光纤声光调制器、光纤准直器、振镜、真空腔、透镜、真空反射镜、电极板、微纳粒子、四象限探测器、控制端；
2.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述光纤激光器的光功率为0-5w，光纤声光调制器的调制光功率为1-5w。
3.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述透镜焦距为75-300mm，两电极板的间距为20-50mm，微纳粒子的直径为2-30μm。
4.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述光纤电光调制器调制光功率为1w。
5.根据权利要求1所述的单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置，其特征在于，所述光束a通过真空腔上的真空腔面镜进入所述真空腔。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：石云杰，刘瑞，胡慧珠，傅振海，郑毅，郭磊磊，章逸舟，高晓文，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。