[发明专利]一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置及方法

说明书

本发明公开了一种光镊系统中聚焦透镜摆放误差校正装置及方法。光镊系统中的聚焦透镜被安放在笼式安装座中，通过分别调节笼式安装座沿x轴和y轴的倾角来改变聚焦透镜的摆放倾角，不断调节x轴的倾角使x方向的谐振频率达到最大，再不断调节y轴的倾角使y方向的谐振频率达到最大，以此来减小倾角误差。光镊系统中捕获光光源放置在三维调节架上，通过调节三维调节架高度使y方向的谐振频率达到最大，通过调节三维调节架水平位置使x方向的谐振频率达到最大，以此来减小离轴误差。重复上面两项操作，直至x方向的谐振频率和y方向的谐振频率相等。本发明提高了光镊系统中聚焦透镜的摆放精度，具有实际应用价值。

技术领域

本发明涉及真空光镊系统光路调节装置及方法，属于精密测量技术领域，尤其是涉及了一种用于校正单光束真空光镊系统经常出现的聚焦透镜的摆放误差的装置及方法。

背景技术

爱因斯坦于1905年利用光的量子理论解释了光电效应，证明了光的波粒二象性。从此，光束便可以看成是一束有动量的粒子流，根据动量守恒理论，当其照射到物体上时会产生一定的辐射压力，这使得光束具有了操纵微小粒子的可能。1970年，Ashkin首次通过对射双光束实验证明了聚焦激光光束可以用来加速和捕获尺寸为微米量级的透明粒子。1971年，Ashkin 等人又使用一束竖直向上传播的弱聚焦激光首次稳定悬浮直径20 um 的玻璃微球。

Ashkin 用激光悬浮微球的技术被命名为光镊（optical tweezer）。2018 年，Ashkin 因发明光镊技术而获得诺贝尔奖。光镊的基本原理是聚焦的激光光束会产生包含散射力和梯度力的辐射压力。其中，散射力会沿光束传播方向冲击微球，而梯度力会将微球控制在光束焦点附近。当激光被强聚焦时，梯度力在辐射压力中占据主要地位，可以不依赖重力将微球捕获。这种光镊系统在生物技术领域有着广泛的应用。当激光被弱聚焦时，散射力占主导地为，仅靠辐射压力无法稳定捕获微球，因此使用微球本身具有的重力抵消散射力，由剩余的梯度力来完成捕获。该系统被成为单光束光阱系统，其在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。

随着对抽真空技术的不断提高以及光镊系统研究的不断深入，人们发现真空光镊装置可以带来超过目前常规手段的测量精度。这使得Ashkin在首次实现微球悬浮时的预言：“如果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”成为可能的概率越来越高。目前最高精度的探测是由耶鲁大学的Fernando小组做出的，他们在2017年用单光束光阱系统实现了ng级别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。这体现了单光束光阱系统在高性能惯性传感器方面和精密力学量测量的重要应用价值。

理论和实验均表明，微球的尺寸是测量加速度的光镊系统灵敏度的决定性因素之一。微球的尺寸越大，加速度测量的灵敏度就越高。同时，透镜的数值孔径也是影响加速度测量灵敏度的因素之一，一般认为，数值孔径越小，单光束光阱系统测量加速度的灵敏度就越高。因此，用来测加速度的单光束真空光镊系统一般采用弱聚焦透镜和大尺寸微球。

单光束光阱方案是一种可行性较高的方案。该方案要求竖直向上的光阱力与竖直向下的微球重力能相互抵消。即光束的传播方向与重力方向重合，入射光束与聚焦透镜呈正交关系。所以入射光束与聚焦透镜的几何关系会影响捕获稳定性。定义入射光束中心与透镜中心横向垂直误差为离轴误差。定义入射光束传播方向与透镜法线方向的夹角为倾斜误差。要稳定捕获直径超过1 um的微球，一般要求离轴误差应小于0.4 mm，倾斜误差一般要求小于0.3 °。

离轴误差会减弱光阱的刚度，造成光阱平衡位置的偏移，并且会让光阱刚度在正交方向上不再对称，倾斜误差会对不同方向的光阱刚度造成相反的影响，并会导致平衡点和线性区间的改变。以上这些误差均会使得微球更容易逃逸出稳定捕获位置，并使得光阱轴向力的方向与微球重力方向不再重合。稳定捕获微球，轴向力方向与重力方向重合是探测重力加速度，提高探测灵敏度的基本条件。因此研究单光束中透镜摆放误差的校正方法对光镊系统的探测准确度和灵敏度等性能具有重要意义。

发明内容