[发明专利]一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置及使用方法

说明书

本发明公开了一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置及使用方法。本发明包括真空腔、微纳粒子、激光源、物镜、偏振控制装置；物镜和微纳粒子放置在真空腔中，激光源、偏振控制装置、物镜和微纳粒子沿光线方向依次设置；偏振控制装置包括第一半波片、偏振分光镜、第二半波片、电光调制器和四分之一波片；第一半波片、偏振分光镜、第二半波片、电光调制器和四分之一波片沿光线方向依次设置。本发明利用电光调制器对光束偏振的调制作用，结合线偏振光与各向异性极化率微纳粒子的相互作用特性，实现在真空光镊系统中操控微纳粒子以设定的频率稳定旋转的功能。

技术领域

本发明涉及一种属于精密测量技术领域的用于实现微纳粒子在真空中稳定旋转装置，具体涉及了一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置及使用方法。

背景技术

上个世纪七十年代美国物理学家Ashkin等人利用物体在光场中会受到辐射力和梯度力的性质，发明了光镊技术，用于捕获微小粒子。该技术被广泛应用于流体力学，热力学等研究领域。之后，又发展出了在真空中用光捕获微粒的真空光镊技术，该方法能够与环境很好地解耦，从而获得非常高的测量精度。比如说，真空光镊可以用于测量非牛顿引力、卡西米尔力等。另外，如果可以控制真空光镊中的微纳粒子的转动，那么又可以应用于如微弱力矩等转动相关的物理量的测量，还可以排除平动自由度的干扰。因此，操控微纳粒子的转动是一个有价值的研究方向。

已有的对真空光镊体系中微纳粒子转动自由度的纯光学操控手段主要是用圆偏振光。这种方法是通过圆偏振光携带非零角动量的特点，利用相互作用将角动量传递给微纳粒子的方法。由于这种角动量传递会给微纳粒子一个持续的角加速度，由于气体的阻滞力会和转动频率成正比地增加，因此最后会达到光施加的力矩和气体的阻滞力矩相平衡。因此若要用这种方法实现微纳粒子的稳定转动，其转速不能任意调节，而是取决于周围气体的阻滞系数。而且用圆偏振光的方法通过光场驱动和气体阻滞的平衡来控制转速，使得其转速容易受到光强、气流等变化时产生的扰动，所以转动频率的线宽较大，也就是不稳定。而驱动真空光镊中微纳粒子以可调节的频率稳定转动对于转动自由度相关的物理量的精密测量有着重要意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置

稳定旋转装置包括激光源LS、偏振控制装置、真空腔VC、物镜OL、微纳粒子MS；物镜OL和微纳粒子MS放置在真空腔VC中，激光源LS、偏振控制装置、物镜OL和微纳粒子MS沿光线方向依次设置；

偏振控制装置包括第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP；第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP沿光线方向依次设置；

激光源LS中出射原始激光，原始激光依次透射经过第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP后入射到真空腔VC内，物镜OL将入射到真空腔VC内的线偏振光聚焦后形成光阱捕获区域，从光阱捕获区域上方释放微纳粒子MS，之后微纳粒子MS在重力作用下向下做自由落体运动，到达光阱捕获区域被捕获。

所述原始激光依次经过第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS和第二半波片HWP2后成为强度可调的线偏振光，强度可调的线偏振光再经过电光调制器EOM的调制和四分之一波片QWP后成为偏振方向以变化频率转动的线偏振光；

其中，第一半波片HWP1的光轴方向绕光线方向旋转用于控制从偏振分光镜PBS中出射的线偏振光的光强，第二半波片HWP2的光轴方向绕光线方向旋转使得从第二半波片HWP2中出射的线偏振光的偏振方向与电光调制器EOM的光轴方向成45°夹角，四分之一波片QWP的光轴方向和第二半波片HWP2出射的线偏振光的偏振方向相同。