一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置及使用方法 |
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| 申请号 | CN202110468911.7 | 申请日 | 2021-04-28 | 公开(公告)号 | CN113380436B | 公开(公告)日 | 2022-12-20 |
| 申请人 | 浙江大学; 之江实验室; | 发明人 | 胡慧珠; 陈铭; 苏鹤鸣; 陈杏藩; 高晓文; 李楠; 刘承; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 真空 光镊系统中 频率 可调的稳定旋转装置及使用方法。本发明包括真空腔、微纳粒子、激 光源 、物镜、偏振控制装置；物镜和微纳粒子放置在真空腔中，激光源、偏振控制装置、物镜和微纳粒子沿光线方向依次设置；偏振控制装置包括第一半波片、偏振分光镜、第二半波片、电光 调制器 和四分之一波片；第一半波片、偏振分光镜、第二半波片、电光调制器和四分之一波片沿光线方向依次设置。本发明利用电光调制器对光束偏振的调制作用，结合线偏振光与 各向异性 极化率微纳粒子的相互作用特性，实现在真空光镊系统中操控微纳粒子以设定的频率稳定旋转的功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置，其特征在于：包括激光源LS、偏振控制装置、真空腔VC、物镜OL、微纳粒子MS；物镜OL和微纳粒子MS放置在真空腔VC中，激光源LS、偏振控制装置、物镜OL和微纳粒子MS沿光线方向依次设置； |
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| 说明书全文 | 一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置及使用方法技术领域[0001] 本发明涉及一种属于精密测量技术领域的用于实现微纳粒子在真空中稳定旋转装置，具体涉及了一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置及使用方法。 背景技术[0002] 上个世纪七十年代美国物理学家Ashkin等人利用物体在光场中会受到辐射力和梯度力的性质，发明了光镊技术，用于捕获微小粒子。该技术被广泛应用于流体力学，热力学等研究领域。之后，又发展出了在真空中用光捕获微粒的真空光镊技术，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，真空光镊可以用于测量非牛顿引力、卡西米尔力等。另外，如果可以控制真空光镊中的微纳粒子的转动，那么又可以应用于如微弱力矩等转动相关的物理量的测量，还可以排除平动自由度的干扰。因此，操控微纳粒子的转动是一个有价值的研究方向。 [0003] 已有的对真空光镊体系中微纳粒子转动自由度的纯光学操控手段主要是用圆偏振光。这种方法是通过圆偏振光携带非零角动量的特点，利用相互作用将角动量传递给微纳粒子的方法。由于这种角动量传递会给微纳粒子一个持续的角加速度，由于气体的阻滞力会和转动频率成正比地增加，因此最后会达到光施加的力矩和气体的阻滞力矩相平衡。因此若要用这种方法实现微纳粒子的稳定转动，其转速不能任意调节，而是取决于周围气体的阻滞系数。而且用圆偏振光的方法通过光场驱动和气体阻滞的平衡来控制转速，使得其转速容易受到光强、气流等变化时产生的扰动，所以转动频率的线宽较大，也就是不稳定。而驱动真空光镊中微纳粒子以可调节的频率稳定转动对于转动自由度相关的物理量的精密测量有着重要意义。 发明内容[0004] 为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置。 [0005] 本发明所采用的技术方案是： [0006] 一、一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置 [0007] 稳定旋转装置包括激光源LS、偏振控制装置、真空腔VC、物镜OL、微纳粒子MS；物镜OL和微纳粒子MS放置在真空腔VC中，激光源LS、偏振控制装置、物镜OL和微纳粒子MS沿光线方向依次设置； [0008] 偏振控制装置包括第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP；第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP沿光线方向依次设置； [0009] 激光源LS中出射原始激光，原始激光依次透射经过第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP后入射到真空腔VC内，物镜OL将入射到真空腔VC内的线偏振光聚焦后形成光阱捕获区域，从光阱捕获区域上方释放微纳粒子MS，之后微纳粒子MS在重力作用下向下做自由落体运动，到达光阱捕获区域被捕获。 [0010] 所述原始激光依次经过第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS和第二半波片HWP2后成为强度可调的线偏振光，强度可调的线偏振光再经过电光调制器EOM的调制和四分之一波片QWP后成为偏振方向以变化频率转动的线偏振光； [0011] 其中，第一半波片HWP1的光轴方向绕光线方向旋转用于控制从偏振分光镜PBS中出射的线偏振光的光强，第二半波片HWP2的光轴方向绕光线方向旋转使得从第二半波片HWP2中出射的线偏振光的偏振方向与电光调制器EOM的光轴方向成45°夹角，四分之一波片QWP的光轴方向和第二半波片HWP2出射的线偏振光的偏振方向相同。 [0013] [0014] 其中，Δα是微纳粒子MS的极化率在轴向和与轴向垂直的方向上的分量之差Δα＝α||‑α⊥，α||为轴向上的极化率分量，α⊥为与轴向垂直的方向上的极化率分量，E是照射到微纳粒子MS上的光的电场分量的振幅，γ表示真空腔VC内残余气体的阻滞系数。 [0015] 所述的真空腔VC靠近四分之一波片QWP的腔壁上开有用于光束透过/经过的透光光学窗口。 [0017] 二、一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置的使用方法 [0018] 使用方法包括以下步骤： [0019] 1)开启激光源LS，通过调节第一半波片HWP1的光轴方向绕光线方向的旋转使透射经过偏振分光镜PBS的线偏振光的光强达到预设值； [0020] 2)调节第二半波片HWP2的光轴方向绕光线方向的旋转，使得第二半波片HWP2出射的线偏振光的偏振方向与电光调制器EOM的光轴方向成45°角； [0021] 3)电光调制器EOM的调制电压V设为零伏，将四分之一波片QWP的光轴方向调整为与第二半波片HWP2出射的线偏振光的偏振方向相同，四分之一波片QWP中出射的线偏振光通过物镜OL汇聚形成光阱捕获区域； [0022] 4)从光阱捕获区域上方释放一个微纳粒子，微纳粒子MS在重力作用下向下做自由落体运动，到达光阱捕获区域被捕获； [0023] 5)通过给电光调制器EOM加上一个变化频率ω的正弦调制电压V，使得从偏振控制装置出射线偏振光，偏振控制装置出射的线偏振光的偏振方向以变化频率ω转动并驱动微纳粒子MS稳定旋转。 [0024] 所述的电光调制器EOM是一种折射率可调的双折射晶体，其光轴方向平行于入射面。入射到其中的光可以分解为垂直光轴偏振的线偏振光o1光和平行光轴偏振的线偏振光e1光，通过给其施加不同的调制电压，可以改变其对e1光的折射率。因此，透射经过电光调制器EOM的o1光和e1光之间会增加一个由电压V调制的相位差。 [0025] 四分之一波片QWP是一种双折射晶体，其光轴方向平行于入射面，入射到其中的光可以分解为垂直光轴偏振的o2光和平行光轴偏振的e2光。透射经过四分之一波片QWP的o2光和e2光之间会增加一个四分之一周期也就是 的相位差。 [0026] 将电光调制器EOM和四分之一波片QWP依次放置在光线传播路径上，并使四分之一波片QWP的光轴方向与电光调制器EOM的光轴方向成45°角，再用一束偏振方向与QWP的光轴方向相同的线偏振光入射到EOM中，其中QWP的光轴方向和入射到EOM的光的偏振方向相同，经EOM和QWP的调制后，出射光将是一束椭圆离心率很大的椭圆偏振光，在实际应用中可以认为是线偏振光。出射光的偏振方向与施加在EOM上的电压V有关。通过给EOM施加频率为ω的正弦调制电压，可以得到一偏振方向以ω转动的线偏振光。 [0027] 考虑线偏振光在微纳粒子处的电场 其激发出的电偶极矩 其中 是微纳粒子的极化率张量。对于非对称结构或双折射的微纳粒子，其极化率张量是各向异性的，其激发出的电偶极矩和电场方向不同。光对微纳粒子的力矩τ为 [0028] [0029] 当光束偏振方向的转动频率ω小于临界频率ωc时，微纳粒子会随之以同样的频率ω转动，同时相对光束偏振方向的转动滞后一个相位Δφ。临界频率ωc的定义是： [0030] [0031] 其中Δα是微纳粒子的极化率在轴向和垂直轴向上的分量之差Δα＝α||‑α⊥，E是光的电场分量的振幅，γ表示腔内残余气体的阻滞系数。而滞后的相位Δφ的定义是： [0032] [0033] 当光束偏振方向的转动频率大于临界频率ωc时，微纳粒子不能以稳定的转速转动，因此在使用此装置时要保证光束偏振方向的转动频率ω＜ωc。 [0034] 本发明中，通过激光源输出原始激光，经过偏振控制装置将出射的线偏振光的偏振方向以设定的频率旋转，通过物镜在真空腔内形成光阱捕获区域，利用偏振方向以设定频率转动的线偏振光来捕获微纳粒子和驱动微纳粒子的旋转。 [0035] 本发明提出了一种真空光镊系统中频率可调的稳定旋转装置，利用电光调制器对光的偏振态的易操控性，通过线偏振光对各向异性极化率的微纳粒子的相互作用来驱动真空光镊系统中微纳粒子的稳定旋转。 [0036] 本发明具有的有益效果是： [0037] 本发明首次提出了在真空光镊系统中，利用电光调制器对光电偏振的调制以及线偏振光对各向异性极化率的微纳粒子的相互作用驱动微纳粒子以设定的频率稳定转动的方法。 [0038] 由于电光调制器是通过施加在其上的调制电压来进行调控的。因此可以利用成熟的电路技术，精准、快速地调控光的偏振。 [0039] 又由于利用偏振方向以一定频率旋转的线偏振光来驱动微纳粒子的旋转，可以准确地控制微纳粒子的转动频率。 [0041] 图1是本发明的装置示意图； [0042] 图2是本发明的使用流程图； [0043] 图3是本发明的偏振控制装置偏振调控示意图； [0044] 图4是本发明的微纳粒子旋转驱动示意图。 具体实施方式[0045] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明： [0046] 如图1所示，本发明包括激光源LS、偏振控制装置、真空腔VC、物镜OL、微纳粒子MS；物镜OL和微纳粒子MS放置在真空腔VC中，激光源LS、偏振控制装置、物镜OL和微纳粒子MS沿光线方向依次设置；光线方向即光线传播方向。激光源LS提供激光，用于捕获和驱动粒子旋转。偏振控制装置是用于控制光束的偏振状态。真空腔VC为微纳粒子提供接近真空的测量环境，真空腔VC靠近四分之一波片QWP的腔壁上开有用于光束透过/经过的透光光学窗口。 物镜OL用于汇聚光束，微纳粒子MS是被驱动旋转的介质。 [0047] 偏振控制装置包括第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP；第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP沿光线方向依次设置； [0048] 激光源LS中出射原始激光，原始激光依次透射经过第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS、第二半波片HWP2、电光调制器EOM和四分之一波片QWP后入射到真空腔VC内，物镜OL将入射到真空腔VC内的线偏振光聚焦后形成光阱捕获区域，从光阱捕获区域上方释放微纳粒子MS，之后微纳粒子MS在重力作用下向下做自由落体运动，到达光阱捕获区域被捕获。 [0049] 原始激光依次经过第一半波片HWP1、偏振分光镜PBS和第二半波片HWP2后成为强度可调的线偏振光，强度可调的线偏振光再经过电光调制器EOM的调制和四分之一波片QWP后成为偏振方向以变化频率转动的线偏振光； [0050] 其中，第一半波片HWP1的光轴方向绕光线方向按需求旋转用于控制从偏振分光镜PBS中出射的线偏振光的光强，第二半波片HWP2的光轴方向绕光线方向旋转使得从第二半波片HWP2中出射的线偏振光的偏振方向与电光调制器EOM的光轴方向成45°夹角，四分之一波片QWP的光轴方向和第二半波片HWP2出射的线偏振光的偏振方向相同。第一半波片HWP1、第二半波片HWP2、四分之一波片QWP和电光调制器EOM的光轴方向均为自身的固有方向。第一半波片HWP1、第二半波片HWP2、四分之一波片QWP或电光调制器EOM中，光线方向垂直于偏振方向和光轴方向所在的平面。 [0051] 电光调制器EOM上施加的调制电压V的变化频率ω满足ω＜ωc，ωc为临界频率，电光调制器EOM上施加的调制电压V的变化频率ω进行调节，从偏振控制装置中出射的线偏振光的偏振方向以变化频率ω进行转动；临界频率ωc通过以下公式进行设置： [0052] [0053] 其中，Δα是微纳粒子MS的极化率在轴向和与轴向垂直的方向上的分量之差Δα＝α||‑α⊥，α||为轴向上的极化率分量，α⊥为与轴向垂直的方向上的极化率分量，E是照射到微纳粒子MS上的光的电场分量的振幅，γ表示真空腔VC内残余气体的阻滞系数。 [0054] 微纳粒子MS的极化率张量 满足各向异性条件，即微纳粒子MS的极化率在轴向和与轴向垂直的方向上的分量不相等；具体为，微纳粒子MS为由双折射晶体构成，或者是由非球形的普通材料构成。普通材料为二氧化硅或硅，非球形为圆柱形、椭球形等。 [0055] 如图2所示，使用方法包括以下步骤： [0056] 1)开启激光源LS，激光源LS出射的原始激光的光强稳定且大于预设值，原始激光的波长不变，通过调节第一半波片HWP1的光轴方向绕光线方向的旋转使透射经过偏振分光镜PBS的线偏振光的光强达到预设值，预设值为能捕获微纳粒子的光强，其值取决于微纳粒子的尺寸、物镜的孔径等具体实验参数； [0057] 2)调节第二半波片HWP2的光轴方向绕光线方向的旋转，使得第二半波片HWP2出射的线偏振光的偏振方向与电光调制器EOM的光轴方向成45°角； [0058] 3)电光调制器EOM的调制电压V设为零伏，将四分之一波片QWP的光轴方向调整为与第二半波片HWP2出射的线偏振光的偏振方向相同，四分之一波片QWP中出射的线偏振光通过物镜OL汇聚形成光阱捕获区域； [0059] 4)从光阱捕获区域上方释放一个微纳粒子，微纳粒子MS在重力作用下向下做自由落体运动，到达光阱捕获区域被捕获； [0060] 5)通过给电光调制器EOM加上一个变化频率ω的正弦调制电压V，使得从偏振控制装置出射线偏振光，偏振控制装置出射的线偏振光的偏振方向以变化频率ω转动并驱动微纳粒子MS稳定旋转。 [0061] 本发明中所涉及的电光调制器EOM是一种折射率可调的双折射晶体，其光轴方向平行于入射面。入射到其中的光可以分解为垂直光轴偏振的线偏振光o1光和平行光轴偏振的线偏振光e1光，通过给其施加不同的调制电压，可以改变其对e1光的折射率。因此，透射经过电光调制器EOM的o1光和e1光之间会增加一个由电压V调制的相位差。 [0062] 四分之一波片QWP是一种双折射晶体，其光轴方向平行于入射面，入射到其中的光可以分解为垂直光轴偏振的o2光和平行光轴偏振的e2光。透射经过四分之一波片QWP的o2光和e2光之间会增加一个四分之一周期也就是 的相位差。 [0063] 将EOM和QWP的光轴方向成45°角放置，再用一束偏振方向与EOM的光轴方向成45°角的线偏振光入射到EOM中，其中QWP的光轴方向和入射到EOM的光的偏振方向相同，如图3所示，经EOM和QWP的调制后，出射光将是一束椭圆离心率很大的椭圆偏振光，在实际应用中可以认为是线偏振光。出射光的偏振方向与施加在EOM上的电压V有关。通过给EOM施加频率为ω的正弦调制电压，可以得到一偏振方向以ω转动的线偏振光。如图3所示，左边一列是入射到EOM中的光的偏振情况，中间一列是从EOM出射的光的偏振情况，右边一列是从QWP中出射的光的偏振情况。其中a)表示给EOM施加的调制电压处于正弦周期中的0相位，b)表示给EOM施加的调制电压处于正弦周期中的 相位，c)表示给EOM施加的调制电压处于正弦周期中的π相位，d)表示给EOM施加的调制电压处于正弦周期中的 相位，当EOM的调制电压处于正弦周期中的2π相位，即下一个周期的0相位时，光束的偏振状态又会回到a)中所示的状态。从图中可以看出，入射到EOM的光是线偏振光，经过EOM和QWP的调制之后出射的光也是线偏振光，但是其偏振方向会以一定的频率旋转。 [0064] 如图4所示，考虑线偏振光在微纳粒子处的电场 其激发出的电偶极矩其中 是微纳粒子的极化率张量，α||和α⊥是其在轴向和垂直 轴向上的分量，而E||和E⊥则是电场在这两个方向上的分量。对于各向异性极化率的微纳粒子，其激发出的电偶极矩 和电场 方向不同。光对微纳粒子的力矩τ为 [0065] [0066] 当光束偏振方向的转动频率ω小于临界频率ωc时，微纳粒子会随之以同样的频率ω转动，同时相对光束偏振方向的转动滞后一个相位Δφ。临界频率ωc的定义是： [0067] [0068] 其中Δα是微纳粒子的极化率在轴向和垂直轴向上的分量之差Δα＝α||‑α⊥，E是光的电场分量的振幅，γ表示腔内残余气体的阻滞系数。而滞后的相位Δφ的定义是： [0069] [0070] 当光束偏振方向的转动频率大于临界频率ωc时，微纳粒子不能以稳定的转速转动，因此在使用此装置时要保证光束偏振方向的转动频率ω＜ωc。 [0071] 由此实施可见，本发明利用电光调制器对光的偏振态的易操控性，通过线偏振光对各向异性极化率的微纳粒子的相互作用，可以实现驱动真空光镊中微纳粒子以设定的频率的稳定旋转。 |
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