[发明专利]一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(optical tweezer)。2018年，Ashkin因发明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。

发明内容

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，本发明提出了一种光镊中对射光束焦点对准的装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：