[发明专利]一种高灵敏度光阱测量装置及其测量方法

说明书

本发明公开了一种高灵敏度光阱测量装置及其测量方法。它包括样品池模块、初始捕获光阱模块、悬浮测量光阱模块、位置探测模块。首先利用初始捕获光将微粒捕获在光阱平衡点处并快速稳定，再打开悬浮测量光、同时撤去初始捕获光，使微粒稳定在悬浮测量光形成的光阱平衡点处，然后进行位移、加速度信号的高灵敏度测量。该方法在空气或真空等低阻尼条件下，可有效提高捕获效率，并使微粒快速稳定，避免了低刚度光阱捕获微粒后长时间振荡而影响测量应用的缺陷。本发明消除了一般光阱测量装置的缺点，既能高效捕获和快速稳定微粒，又对位移、加速度信号具有高的测量灵敏度。

技术领域

本发明涉及应用于光学工程领域的光阱测量装置，尤其是利用光学悬浮进行精密测量的光阱测量装置及其测量方法。

背景技术

根据量子理论，光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子。当光子入射到介质表面发生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化。由动量守恒定律就可以推出，当光束入射微粒，光子的动量变化量就是微粒的动量变化量。所以光束对微粒存在力的作用，称为光辐射压。光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力。在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，即令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。

刚度在物理上的定义是指物体抵抗形变的能力，光阱测量装置的刚度（即光阱线性系数）可以理解为在光阱某一位置处，对微粒的束缚能力。刚度越大，对微粒的束缚能力越大；刚度越小，对微粒的束缚能力越小。也就是说，要使微粒被快速稳定捕获，需要使用刚度较大的光阱，那么外界扰动将不易对微粒位置产生影响，导致光阱测量装置的灵敏度变小；若要提高装置的灵敏度，则需减小光阱刚度，这又不利于微粒的捕获和快速稳定。

光阱测量装置可以用在很多领域，如光阱加速度计（陈晶,胡慧珠,白剑,舒晓武,刘承.利用双光束悬浮光阱测量加速度的装置，CN 101320049 A）。

一般情况下，加速度测量的灵敏度指的是能够测量的最小加速度值。在不考虑硬件设备限制的前提下，系统的灵敏度最终是由相同加速度下微粒的位移变化大小决定的。假设只要微粒能对加速度做出位移上的变化，位置探测器就能探测到相应的量。

普通的光阱测量装置，若要实现对微粒的快速稳定捕获，则需使用刚度较大的光阱，这样必然导致相同加速度下测得的微粒的位移变化小，导致其灵敏度降低；若想要提高灵敏度，就需要提高减小光阱刚度，那么就会降低对微粒的捕获效率，增加微球被稳定捕获的时间。

发明内容

本发明的目的是针对现有光阱测量装置的不足，提出了一种高灵敏度光阱测量装置及其测量方法，既能高效捕获和快速稳定微粒，又对位移、加速度信号具有高的测量灵敏度。

一种高灵敏度光阱测量装置，包括四个模块：样品池模块、初始捕获光阱模块、悬浮测量光阱模块、位置探测模块；

样品池模块设有样品池和微粒；

初始捕获光阱模块用来将微粒首次稳定捕获在光阱平衡点处，由一束激光经过准直扩束和聚焦后形成强梯度力光阱模块，使得样品池中的微粒被捕获和稳定；

悬浮测量光阱模块用来在撤去初始捕获光阱模块的光路的同时，利用悬浮光形成的光阱再次将微粒稳定捕获在光阱平衡点处，是由另一束共光路的高斯光束进入样品池形成的低刚度光阱模块，用于对位移、加速度信号的高灵敏度测量；

位置探测模块用来观察微粒的捕获效果和探测微粒的位移信号。

所述的初始捕获光阱模块包括激光器、隔离器、准直透镜L1、反射镜M1、反射镜M2、透镜L2、透镜L3、反射镜M3、物镜OBJ、分色镜D；激光器发出激光，即初始捕获光束，经准直透镜L1准直，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L2、透镜L3扩束，经反射镜M3反射，进入物镜OBJ后，通过分色镜D在样品池内高效捕获微粒。