[发明专利]基于真空全息光镊的空间分辨压强测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于真空全息光镊的空间分辨压强测量系统及方法。包括真空腔、微纳粒子、光镊装置及反馈冷却装置、驱动电场装置、空间光调制器、偏振控制及检测装置和残余气体分析仪；激光从激光源出来经过第一分光镜入射到第一偏振分光镜发生透射，经空间光调制器反射调制、第一凸透镜透射汇聚后形成捕获光，捕获光照射微纳粒子处形成光阱捕获区域，捕获光经过微纳粒子后经第二凸透镜透射汇聚后入射到第二偏振分光镜发生反射和透射，第二偏振分光镜发生反射的光束入射到第一光电二极管；六个电极布置在光阱捕获区域周围。本发明利用全息光镊的操控灵活性，结合微纳粒子的局域探测手段，可以实现高真空下微纳尺度空间分辨率的压强分布测量。

技术领域

本发明涉及一种用于测量微纳尺度局域压强空间分布的仪器及方法，属于精密测量技术领域，具体是一种基于真空全息光镊的空间分辨压强测量系统及方法。

背景技术

真空计是一种测量真空度或压强的仪器。在科研，工业领域存在广泛的应用。传统的真空测量手段有电离真空计，电容薄膜真空计，磁悬浮转子真空计等，其原理和标定手段各不相同。比如电离真空计是通过加强电场使气体分子电离，尔后测量电导率。电导率的大小取决于周围被电离的气体分子的密度，从而可以推导出压强的大小；电容薄膜真空计则是用薄膜作为电容的极板，当外界压强改变时，薄膜的移动会导致电容的变化，以此来测量压强；磁悬浮转子真空计是通过磁场悬浮一个球体，通过测量周围气体对其转动的阻滞力，就可以得到压强大小。

以上种种方法测量的都是宏观尺度的压强，而在抽真空的过程中，由于存在抽运阻抗等问题，在微观尺度上压强不一定是处处相等的。目前对于局域压强的测量方法还很有限。而真空光镊体系由于其能够将微纳粒子悬浮，天然地具备微纳尺度的局域探测能力。

自1971年美国物理学家Ashkin等人发明光镊以来，该技术被应用于医疗，热力学研究等领域。之后，又发展出了真空光镊技术，使得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，光镊可以用于测量微弱的力，加速度，位移等。真空光镊的捕获光如果使用纯净的线偏振光，那么其对于捕获微纳粒子的转动自由度是没有影响的。且由于悬浮微纳粒子与环境的作用很少，其转动自由度单纯地受到周围气体分子对其的阻滞作用，因此可以用于测量周围的压强。同时，气体分子与微纳粒子的相互作用只能通过碰撞方式，因此微纳粒子所测得的压强是相当于其自身尺寸的局域压强。而且，由于微纳粒子受外界干扰很小，这种测量方法在高真空下仍可以有较高的测量精度。

利用光的干涉特性，光束在空间中的传播方式可以通过对波前的调制来操控。全息光镊就是通过空间光调制器等方式将光束的强度或相位分布调整为特定的形式，从而可以实现在空间中形成多个聚焦位置，或者将聚焦点以预设的轨迹移动。将全息光镊的控制灵活性与真空光镊的局域压强测量手段相结合，得到的真空全息光镊可以实现对空间中压强的分布做微纳尺度分辨率的测量。

传统的压强测量手段对于微纳尺度空间分辨率的压强分布测量，尤其是在高真空下，是很难实现的。运用真空全息光镊技术，将粒子悬浮于空间中不同位置，使其几乎只受到周围气体分子碰撞的影响，极大拓展了压强的测量手段。在工业和学术上，尤其是对真空技术的发展具有重要意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于真空全息光镊的空间分辨压强测量系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种基于真空全息光镊的空间分辨压强测量系统：

所述的真空全息光镊空间分辨压强测量系统包括真空腔VC、微纳粒子MS、光镊装置及反馈冷却装置、驱动电场装置E、空间光调制器SLM、偏振控制及检测装置和残余气体分析仪RGA；