[发明专利]一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法

说明书

本发明公开一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法，利用紧聚焦光阱的偏振依赖特性，提出通过一维的电场标定装置实现对微粒的三轴电场力标定。本发明的方法使得微粒电场力标定系统与微粒投送、微粒检测系统兼容；简化了装置的复杂度，减弱标定复杂度。

技术领域

本发明涉及传感标定领域，具体涉及一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法。

背景技术

光镊技术自上世纪七十年代由阿瑟·阿什金开创以来，作为捕获和操纵中性粒子的通用工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。光镊技术通过激光束悬浮微粒可以简谐振子模型理解，相比传统的振子模型，光镊技术无接触机械耗散；进一步地，与液体或空气介质中的光镊系统不同，在真空中运作的光镊系统可实现悬浮单元与环境的完全隔离。基于上述优势，真空光镊技术在基础物理学如热力学、量子物理和传感领域应用物理学领域科学家对真空光镊开展了大量研究。

基于真空光阱技术的精密传感的基础物理研究，往往需要建立微粒光电信号与微粒的实际运动信息（位移量）的对应关系，也即建立光电压信号与微粒位移的转换关系,这种关系的建立往往需要精确的动力学模型实现。常用的标定方法有两种：（1）根据微球在光阱中的热平衡运动位置进行标定；（2）利用微球易带电的特点，通过对微球施加电场进行电场力标定。

热平衡位置标定利用真空光捕获小球在热平衡时的能力均分定理，运动状态的统计性质来实现光镊的校准。由于高真空下热平衡校准困难，现在热平衡校准标定往往是在1mbar以上的真空度进行的，其标定结果应用于高真空度时可能引入误差。电场力标定方法也可以不受真空度的影响进行标定校准，但是现有的对微粒三轴运动信号标定的技术是在微球周围的六个截面加载电极板实现，这样构成的三维电场装置导致微粒投送、光学监控变得困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置及方法，具体技术方案如下：

一种基于电场量标定的多维度光镊校准装置，该装置包括激光器、分束器、偏振调节器、真空腔、物镜、平行电场施加单元、电场量控制单元、第一光电探测器、第二光电探测器、数据处理器；

所述分束器、偏振调节器、物镜、平行电场施加单元和第一光电探测器依次布置在所述激光器的出射光路上，且所述物镜、平行电场施加单元均位于所述真空腔中，所述平行电场施加单元外接所述电场量控制单元；所述第二光电探测器位于所述分束器的反射回路上，且所述第一光电探测器和第二光电探测器均与所述数据处理器连接。

进一步地，所述偏振调节器为λ/2玻片。

一种基于电场量标定的多维度光镊校准方法，该方法基于上述的装置来实现；

所述激光器出射捕获激光，所述捕获激光依次经所述分束器、偏振调节器后进入位于所述真空腔中的物镜，由所述物镜汇聚形成光学势阱；将球形纳米微粒悬浮在所述光学势阱中，所述球形纳米微粒在所述光学势阱中的散射光被所述第一光电探测器收集，所述分束器分束出来的参考光被第二光电探测器收集；所述数据处理器计算球形纳米微粒在光阱中三维运动造成散射光变化引发的电信号变化；

定义光镊参考坐标系，所述光学势阱中光线传输方向为Z方向，光偏振方向为X方向，与X和Z垂直的方向为Y方向；定义校准过程的参考坐标系，光学势阱中光线传输方向为Z1方向，初始的光偏振方向为X1方向，与X1和Z1垂直的方向为Y1方向。

当调节所述平行电场施加单元，使其电场方向沿着X1方向时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊X方向的校准系数；

当保持电场方向沿着X1方向，调节所述偏振调节器，使入射光的偏振方向旋转90°，即变为X1和Y方向平行时，通过测量所述球形纳米微粒在电场中运动引起的X1方向差分电信号，进行电压-位移转换关系标定，测量得到所述光镊Y方向的校准系数；