[发明专利]一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学高精度位移检测和光学微操纵技术领域，具体涉及一种基于光学俘获的原位校准压电平台位移的方法。

背景技术

压电平台在生物显微镜、光镊和原子力显微镜等需要精密控制位移的仪器上有着广泛应用。压电平台有着纳米运动的精度，但在实际使用时，受到环境和固定耦合件等各种因素的影响，驱动所承载固定件或样品运动幅度与仪器驱动标称值会有偏差，这种偏差会导致压电平台作为准确测量仪器用于标定其它信号时会传递较大的误差。对光镊和原子力显微镜系统，许多参数的校准都依赖压电平台精确运动的幅度，因此，压电平台自身运动幅度的偏差导致后续校准参数偏离正常值。

压电平台仪器出厂时有各种检测方法，最常用的光学干涉法校准压电陶瓷的运动信号具有很高精度。但在实际使用中，用该方法校准压电平台上样品室的运动幅度存在一定困难，如压电平台的运动幅度受到运动过程和运动方向的影响。采用粘底微粒检测运动幅度的图像法，检测精度依赖微粒位置的精度，难以分析较高频率下微粒的运动。

本发明基于光学俘获提出在实际工作环境中检测压电平台特性的方法，即原位校准压电平台位移法，将待测压电平台和样品室安装在带有光电探测位移的光镊系统上，通过本发明提出的一套标准操作流程和数据分析，即实现对压电平台位移的高精度检测。

发明内容

本发明的目的提供一种原位检测压电平台位移的方法，该方法对平台位移特性的检测具有普实性，适用于进行微小位移的精密测量系统。该方法还适合利用平台提供的高精度位移测量提升单分子检测中力谱的精度。

本发明的原理在于：

本发明利用光镊检测压电平台真实运动幅度和频率流程，见图1。利用压电平台驱动样品室运动，利用光镊检测被捕获微粒的受限布朗运动，根据流体力学法校准位置探测器的电压比例系数，反过来用校准的比例系数分析在压电平台驱动下受限微粒运动信号的功率谱，获得真实运动幅度。

本发明采用的技术方案为：该方法的步骤如下：

步骤1、构建光镊系统包括激光器1、第一透镜2、第二透镜3、第一全反射平面镜4、第二全反射平面镜5、第三透镜6、45度半反半透平面镜7、第四透镜8、高倍显微物镜9、待测压电平台10、样品室11、第五透镜12、低通滤波镜片13、第六透镜14、位置敏感探测器15和照明光源16；将激光器1发射的光束经过第一透镜2和第二透镜3扩束成平行光入射到第一全反射平面镜4，经第一全反射平面镜4反射后入射到第二全反射平面镜5，经第二全反射平面镜5反射后再依次经过第三透镜6、45度半反半透平面镜7和第四透镜8后入射到高倍显微物镜9后瞳的光斑大约6mm，第三透镜6和第四透镜8用于扩束，45度半反半透平面镜7用于反射光束，样品室11放置在待测压电平台10上，样品室内充满聚苯乙烯微球悬浮液，通过物镜9聚焦的光束捕获微粒，经微粒散射的激光由第五透镜12重新会聚，会聚的激光经过低通滤波镜片13折返对准位置敏感探测器15靶面，低通滤波镜片13为反射激光透过照明光的低通滤波镜片，第六透镜14将第五透镜12后焦面的光斑共轭成像投影在位置敏感探测器15靶面上，照明光源16(的照明光)经过第五透镜12聚焦对样品照明，由视频监控相机17成像并通过计算机视屏实时显示；

步骤2、使用未经修正的三角波运动驱动样品室周期性运动，根据视频监控相机17和位置敏感探测器15同时监控被光阱捕获微粒的位置，测定在位置敏感探测器15上电压转换为位移的比例系数β；

步骤3、发送特定振幅A和频率f_d的正弦波驱动待测的压电平台10，用位置敏感探测器15测量阱中微粒的位置信号，其功率谱P(f)与频率f满足，P(f)＝P_thermal(f)+P_force(f)，其中受限热运动的功率谱f_c为颗粒在光阱中的特征频率；受迫运动的功率谱δ为脉冲函数；P(f)＝β²P^volt(f)，β为探测器的电压比例系数，P^volt(f)为探测器实测的电压信号的功率谱；根据洛仑兹线型拟合为B为拟合参数，获得实际运动幅度其中

其中，该方法可以校准电动平台的位移。

其中，该方法通过校准的压电平台位移参数，运用该原理发送特定频率和振幅的运动信号，可原位标定光阱俘获不同大小微粒时位置探测器件的比例系数β、微粒半径和光阱刚度κ＝2πk_BTf_c/D。

本发明的优点和积极效果为：