申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

申请日：2021-05-11

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN113257451B

主分类号：G21K1/00

分类号：G21K1/00;G01B11/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2021.08.31#实质审查的生效;2021.08.13#公开

摘要：本发明属于光学微操控技术领域，涉及一种稳定双光束光阱中被捕获微球位置的方法。该方法包括：步骤一，建立直角坐标系O‑XYZ，引入探测光束；步骤二，标定第一条件下被捕获微球的光阱刚度；步骤三，标定第二条件下被捕获微球的光阱刚度；步骤四，计算第二条件下被捕获微球的角谐振频率Ωi2和光阱刚度的比值βi；步骤五，抽真空，并根据被捕获微球的位移状态反馈控制探测光束的功率。本发明采用一束弱功率光束同时作为位置探测光束和反馈冷却光束，并根据被捕获微球的位移状态反馈控制其功率，可在真空环境中显著提升被捕获微球位置的稳定性，同时使得系统结构更加简单，有利于系统集成化和实用化，具有良好的应用前景。

主权项：1.一种稳定双光束光阱中被捕获微球位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立直角坐标系O-XYZ，引入探测光束：在空气环境功率相同、相向传输的双基模高斯激光束形成的双光束光阱中，被捕获微球只存在单个稳定平衡点，以双光束中心平衡位置为原点O，双光束轴向为Z轴，双光束横向为X轴和Y轴，建立直角坐标系O-XYZ；在X轴或Y轴上采用另一准直型基模高斯激光束，使其汇聚到微球捕获区域作为被捕获微球位置的探测光束；记所述双光束光阱中微球半径为r，所述双光束光阱的单侧捕获激光，其功率为P0，其束腰半径为ω01，且满足1.5r≤ω01≤5r，所述探测光束束腰半径为ω02，且满足1.1ω01≤ω02≤1.5ω01；步骤二，标定第一条件下被捕获微球的光阱刚度：调节所述探测光束，使其功率P1≤P0100，记此条件为第一条件；测量和记录第一条件下被捕获微球在布朗运动影响下的三维位置波动序列{xn1,yn1,zn1}，其中xn1、yn1、zn1分别是所述第一条件下被捕获微球在第n个时刻tn时的位置坐标，且所述序列{xn1,yn1,zn1}总长度N1≥1000；根据所述序列{xn1,yn1,zn1}，标定和记录第一条件下被捕获微球在三个坐标轴方向上的光阱刚度kx1、ky1、kz1；步骤三，标定第二条件下被捕获微球的光阱刚度：调节所述探测光束，使其功率P1≈P010，记此条件为第二条件；测量和记录第二条件下被捕获微球在布朗运动影响下的三维位置波动序列{xn2,yn2,zn2}，其中xn2、yn2、zn2分别是第二条件下被捕获微球在第n个时刻tn时的位置坐标，且所述序列{xn2,yn2,zn2}总长度N2≥1000；根据所述序列{xn2,yn2,zn2}，标定和记录第二条件下被捕获微球在三个坐标轴方向上的光阱刚度kx2、ky2、kz2；步骤四，计算第二条件下被捕获微球的角谐振频率Ωi2和光阱刚度的比值βi：第二条件下被捕获微球的角谐振频率Ωi2=ki2m12，其中，i=x、y、z，m是被捕获微球的质量；第二条件下被捕获微球的光阱刚度的比值βi=ki3ki1，其中，i=x、y、z，ki3为第二条件下探测光束所引入的光阱刚度，且ki3=ki2-ki1；步骤五，抽真空，并根据被捕获微球的位移状态反馈控制探测光束的功率：实时监测微球的捕获状态，若微球不在被捕获状态，返回步骤一；若微球在被捕获状态，对所述双光束光阱的样品池抽真空，直至达到所需的真空气压环境；抽真空的同时，测量被捕获微球的位移xn3,yn3,zn3，其中xn3、yn3、zn3分别是被捕获微球在第n个时刻tn时的位置坐标；从n≥2时开始三个坐标轴方向位移的判定，以X轴方向位移为例，若xn3·xn3-xn-13≥0，则X轴方向上探测光束功率增大∆P1x，反之则X轴方向探测光束功率减小∆P1x，且ΔP1x=αx·P1，其中，αx为探测光束功率X轴方向改变系数，其范围为0.001βx~0.02βx；实际上微球有三个方向的位移，将三个坐标轴位移信号所对应的光束功率改变量相加，得到探测光束的功率改变量，其中，αy和αz的范围分别为0.001βy~0.02βy和0.001βz~0.02βz，si则按照三个坐标轴方向位移的判定情况取值，若功率增大则为1，反之则为-1，且i=x、y、z；探测光束功率的反馈控制信号与位移信号{xn3,yn3,zn3,tn}的相位同步，即对探测光束的功率控制信号补偿相位φ=2π-Ωx2tdelay，其中tdelay为所述位移测量到探测光束的功率改变所产生的时间延迟。

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权利要求：

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