[发明专利]一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的系统及方法

说明书

本发明公开一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的系统及方法。包括真空腔、微纳粒子、起支装置、光镊装置和探测反馈装置；微纳粒子附着于起支装置上，附着有微纳粒子的起支装置设置于真空腔内，光镊装置和探测反馈装置进行光路连接；光镊装置产生捕获光，用于捕获真空腔内的光阱捕获区中的微纳粒子；探测反馈装置产生冷却光，用于冷却消耗微纳粒子的质心运动能量，从而稳定微纳粒子。方法用于实现系统稳定捕获微纳粒子。本发明利用反馈冷却的手段，可以实现在高真空条件下直接用光镊捕获微纳粒子。

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域的一种在真空条件下用光镊捕获粒子的系统及方法，具体涉及了一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的系统及方法。

背景技术

真空光镊是一种可以应用于精密传感和基础物理探索的技术手段。它可以用于测量极弱力学量，包括力、加速度、力矩等。也可以用于探究诸如宏观量子效应、非牛顿引力、卡西米尔力等基础物理问题。由于真空光镊体系中的悬浮微纳粒子与外界环境没有机械接触，因此可以很好地隔绝环境噪声，从而达到很高的测量精度。

为了达到精密测量和基础物理探索所需的测量精度，需要在高真空的条件下进行测量，但是光镊的保守阱属性使得捕获粒子的过程必须存在耗散力，因此现有的技术手段需要在大气环境或低真空度的条件下，利用空气阻尼带来的耗散力才能捕获粒子，然后一边保持粒子的捕获，一边降低气压，以达到测量所需的高真空条件。粒子在抽真空过程中受各种噪声的影响，极易逃逸出光镊的光阱捕获区，一旦逃逸，又必须重复低真空捕获再抽真空的过程。这样频繁地改变测量区域的压强是基于真空光镊系统的精密测量装置走向实际应用必须解决的关卡。因此，有必要发展一种新的捕获手段，能够在高真空的条件下直接捕获微纳粒子，使得真空光镊在应用过程中的捕获过程和测量过程能在同样的气压下进行。

但是现有的技术手段是依靠低真空度下气体分子与微纳粒子的随机碰撞概率很高，从而使得微纳粒子的质心运动能量得到耗散，能够比较容易地被光镊束缚住。而在高真空下气体分子与微纳粒子的随机碰撞的概率很低，因此现有的技术无法在高真空条件下实现粒子的捕获。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的系统

系统包括包括真空腔VC、微纳粒子MS、起支装置LP、光镊装置和探测反馈装置；

微纳粒子MS附着于起支装置LP上，附着有微纳粒子MS的起支装置LP设置于真空腔VC内，光镊装置和探测反馈装置进行光路连接；光镊装置产生捕获光，用于捕获真空腔VC内的光阱捕获区中的微纳粒子MS；探测反馈装置产生冷却光，用于冷却消耗微纳粒子MS的质心运动能量，从而稳定微纳粒子MS。

所述光镊装置包含捕获光源LS、半波片HWP、第一偏振分光镜PBS1、第一反射镜M1、二向色镜DM、第一凸透镜L1、第二反射镜M2、第一分光镜BS1、第三反射镜M3、第二偏振分光镜PBS2和第二凸透镜L2；

捕获光源LS产生捕获光，捕获光经半波片HWP后入射到第一偏振分光镜PBS1发生反射和透射，经第一偏振分光镜PBS1透射的p偏振捕获光依次经第一反射镜M1和二向色镜DM反射后从真空腔VC的左侧入射到真空腔VC内；

经第一偏振分光镜PBS1反射的s偏振捕获光依次经第二反射镜M2反射、第一分光镜BS1透射、第三反射镜M3反射和第二偏振分光镜PBS2透射后从真空腔VC的右侧入射到真空腔VC内；

第一凸透镜L1和第二凸透镜L2均设置在真空腔VC内；入射到真空腔VC内的p偏振捕获光和s偏振捕获光分别经第一凸透镜L1和第二凸透镜L2聚焦后在真空腔VC内形成光阱捕获区；