[发明专利]光捕获颗粒的控制装置及方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种光捕获颗粒的控制装置及方法。

背景技术

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年光镊的发明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。

发明内容

本发明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，本发明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；