[发明专利]一种用于真空光镊系统的微粒多次起支实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于真空光镊系统的微粒多次起支实验装置及方法。电动平移台上面安装有超声波换能器，超声波换能器上固定有基板；电动平移台侧方设有金属箱，金属箱内安装有可移动底板，可移动底板底面和金属箱内底面之间连接有弹簧，可移动底板顶面之上的金属箱上部腔内充满有微粒；聚焦光束在真空腔内，聚焦光束的焦点在超声波换能器侧方和金属箱之间且位于基板和金属箱之间的正下方；基板靠近金属箱的一端作为吸附端，吸附端加工成削尖的尖头形态，金属箱在靠近正对基板吸附端的侧壁开设有槽口。本发明将真空光镊系统中的微粒起支次数从数十次提高至数千次，进一步保证了整体实验系统的稳定性，具有实际应用价值。

技术领域

本发明涉及光镊中微粒起支装置及方法，尤其是涉及了一种用于真空光镊 系统的微粒多次起支实验装置及方法。

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传播 的激光，首次用光学方法稳定悬浮直径20um的玻璃微粒。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 tweezers)。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David Moore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的二氧化硅微粒，激光在功 率100mW和聚焦数值孔径0.5条件下，在焦点附近光对微粒作用合力并不指向 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，在空气和真空环 境中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微粒。另一方面，在高真空环境中，微粒最小可测量加速度值与√m(m是微粒质量)成反比，更高灵敏度的加速度测量需要更大质量的微粒。

两束强聚焦光束对射以捕获直径超过1um微粒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粒 的被捕获稳定性。由于激光器等器件很难兼容真空，一般会有部分光学元件放 置在真空腔外。将微粒从真空腔外送入腔内起支的方法被称为腔外起支。腔外 起支的缺点在于起支后需要封闭真空腔，在封闭真空腔的过程中会导致真空腔 内外光学元件发生相对位移，从而破坏两对射光束聚焦焦点的重合程度，影响 微粒的被捕获稳定性。

将微粒在真空腔内起支的腔内起支方法是一种避免上述光路破坏的替代方 案。但腔内起支次数受限于基板上能装载的微粒数量。通常单个基板上的剩余 微粒数量随已起支次数的增加呈指数下降趋势，每当该基板上的微粒震落耗尽， 就必须打开真空腔补充微粒，同时又破坏了对准光路。因此现有的腔内起支总 次数一般在十次量级。在实际工程应用中，微粒一旦脱离光镊焦点位置，光镊 仪器即停止工作，必须尽快起支微粒。因此多次腔内起支，有利于提高光镊仪 器的可维护性，延长光镊仪器的单次连续测量寿命。