[发明专利]一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法。光源出射的光经分束器分为两束捕获光，一束捕获光经透镜聚焦作为探测光，另一束捕获光经过光功率调制器、光束方向调节模块后再被透镜聚焦参与捕获，捕获同时用以反馈冷却捕获的微粒；微粒位移探测模块接收通过光阱后的捕获光，提取位移信息并发送给信号处理模块，信号处理模块接收分析后通过光束方向调节模块和光功率调制器调节，使微粒回到平衡位置，抑制微粒的运动，达到冷却微粒的目的。本发明首次提出利用单台激光器实现大尺寸微粒的捕获、探测、冷却的方法，大大简化了双光束光阱中冷却微粒的光路结构，避免了复杂结构对探测带来的额外噪声影响，缩减了系统体积，具有实际应用价值。

技术领域

本发明涉及光镊中反馈冷却微粒的装置及方法，尤其是涉及了一种应用于双光束光阱中反馈冷却微粒的装置及方法。

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 Moorex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，加速度测量系统中，能探测到的最小加速度值与微粒的尺寸正相关，因此更高灵敏度的加速度测量需要各大尺寸的微粒。

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，即双光束光阱结构。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。大多数基于光阱的探测传感系统都首先依赖于对光阱中微粒的位移探测，再通过微粒的位移信息提取出想要探测的物理量。但由于光阱中的被捕获的微粒会做无规则热运动，而当需要探测的物理量导致微粒的位移与微粒无规则热运动的位移幅度相近时，微粒探测系统就无法分辨微粒热运动的导致的微粒位移与所测物理量导致的微粒位移。因此微粒无规则热运动的幅度，即微粒的质心温度，限制了探测系统所能测量的物理量精度。

对微粒进行反馈冷却是一种抑制微粒热运动的有效方法。但要实施微粒反馈冷却会增加系统的复杂度。若实施反馈冷却所增加的元器件太多，会增大系统的体积，加大系统调制复杂度，同时也容易给探测带来额外的噪声及干扰。

因此研究一种结构简单，功能完善的双光束光阱中反馈冷却微粒的装置与方法对双光束光阱探测系统的探测精度、系统复杂等具有重要意义。

发明内容