本发明涉及应用于光学工程领域的光阱测量装置，尤其是利用光学悬浮进行精密测量的光阱测量装置及其测量方法。
背景技术：
动力粘度是流体的重要物质性质和技术指标之一。动力粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义，特别是化工、制冷、能源和材料等行业。对于低粘度流体的测量，通常采用毛细管法、扭摆振动法、落球法、旋转柱体法等。这些方法难以得到高压条件下的精确数值，也很难测量气体的粘度，测量的范围较窄，测量精度较低。
光阱技术基于光子动量与微纳尺度介质的相互作用机理，是一种高精度、高灵敏度、非接触式的测量手段。在光阱研究领域，利用微粒在光阱中布朗运动的功率谱测量液体的粘滞系数是一种常规的方法。然而这种方法仅适用于液体样品的检测，而且需要对探测器探测微粒运动信号的电压比例系数进行精确标定。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于光悬浮微粒的动力粘度的测量方法及装置。
一种基于光悬浮微粒的动力粘度的测量方法，首先利用捕获光束将待测样品中的微粒稳定捕获，然后对捕获势阱中的微粒施加一束调制光束，所述的调制光束的光功率受到激励信号的调节，微粒受到调制光束的作用力后，发生响应运动；通过探测捕获光束的散射光的光功率变化得到微粒实时的运动曲线，通过运动曲线的参数拟合得到谐振频率ω0和黏滞阻尼β，从而得到待测样品的动力粘度η。
所述的测量方法，用于实时动态地检测样品在不同温度、气压条件下动力粘度的变化。
所述的测量方法，在未施加调制光束时，捕获光束形成的捕获势阱是谐振系统，被捕获的微粒做简谐振动，其运动方程为：
谐振频率为ω0，黏滞阻尼为β＝γ/m，摩擦系数为γ＝6πrη，微粒布朗运动随机作用力为λξ(t)，其中r为微粒的半径，m为微粒的质量，η为待测样品在温度t下的动力粘度，随机过程ξ(t)的时间平均<ξ(t)>＝0。
所述的激励信号采用方波信号，微粒对调制光束的作用力发生阶跃响应，对时间平均后微粒运动的解析式为：
其中
所述的微粒的半径和质量已知或者获得微粒的半径和质量，根据拟合得到的谐振频率ω0和黏滞阻尼β得到待测样品的动力粘度η。
一种实现所述方法的测量装置，包括样品模块、捕获光阱模块、激励调制模块和运动检测模块；
所述的样品模块包含微粒和待测样品：微粒是光学均匀介质微球，微粒的半径和质量已知，尺寸为nm到um量级；微粒悬浮在待测样品中，储存在封闭腔内；待测样品是液体或者气体；
所述的捕获光阱模块，包含第一激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一汇聚透镜和第二汇聚透镜；
所述的第一激光器出射捕获激光，经过第一准直透镜和第二准直透镜的准直后，被第一分束镜分成两路光束a和b；光束a依次经过第一反射镜、第一汇聚透镜，光束b依次经过第二分束镜、第二反射镜、第三反射镜和第二汇聚透镜，两路光束对向汇聚在同一个焦点，形成双光束捕获光阱；
所述的激励调制模块，包括第二激光器、第三准直透镜、第四准直透镜、声光调制器、第四反射镜、第三汇聚透镜、信号发生器和射频驱动器；
所述的第二激光器出射调制光束，依次经过第三准直透镜、第四准直透镜、声光调制器、第四反射镜和第三汇聚透镜，照射在被稳定捕获的微粒上；
所述的信号发生器发出调制信号，经过射频驱动器驱动声光调制器，对经过声光调制器的调制光束的光功率进行调制；调制信号为已知信号特征的电信号；
所述的待测样品是光学均匀介质，捕获光束和调制光束都能均匀通过；
所述的运动检测模块，包括分光镜，第五反射镜、第四汇聚透镜、第五汇聚透镜和平衡探测器；
微粒对捕获光束a的散射光，依次经过第二汇聚透镜、第三反射镜、第二反射镜、第二分束镜和分光镜；分光镜将散射光分成两束，分别经过第四汇聚透镜、第五反射镜和第五汇聚透镜，入射到平衡探测器的两个探头；
所述的分光镜对散射光的分光方向与散射光的光功率变化方向一致，可检测微粒在调制光束光轴方向上的运动信息。
本发明的有益效果体现在几个方面：
本发明采用光学非接触式的手段，测量精度高，响应速度快，能够实时动态地检测样品在不同温度、气压等条件下动力粘度的变化；
本发明不需要复杂的机械结构，只需要微纳尺寸的标准微粒和少量的待测样品即可准确测量其动力粘度；
本发明无需对探测器探测微粒运动信号的电压比例系数进行精确标定，测量误差项更少，测量精度更高。
附图说明
图1为本发明的装置的一种结构示意图；
图2为调制光束被方波信号调制后的光功率变化曲线；
图3为微球被捕获光束调制时，平衡探测器检测到的差分信号；
图4为多个周期平均之后平衡探测器检测到的阶跃响应曲线。
图中，第一激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一分束镜4、第二分束镜7、第一反射镜5、第二反射镜8、第三反射镜9、第一汇聚透镜6、第二汇聚透镜10、第二激光器11、第三准直透镜12、第四准直透镜13、声光调制器14、第四反射镜15、第三汇聚透镜16、信号发生器17、射频驱动器18、分光镜19，第五反射镜20、第四汇聚透镜21、第五汇聚透镜22、平衡探测器23、封闭腔24。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例。
一种基于光悬浮微粒的动力粘度的测量方法，首先利用捕获光束将待测样品中的微粒稳定捕获，然后对捕获势阱中的微粒施加一束调制光束，所述的调制光束的光功率受到激励信号的调节，微粒受到调制光束的作用力后，发生响应运动；通过探测捕获光束的散射光的光功率变化得到微粒实时的运动曲线，通过运动曲线的参数拟合得到谐振频率ω0和黏滞阻尼β，从而得到待测样品的动力粘度η。
参照图1，一种基于光悬浮微粒的动力粘度的测量装置，包括样品模块、捕获光阱模块、激励调制模块和运动检测模块。
样品模块包含微粒和待测样品：微粒是光悬浮领域常用的二氧化硅均匀介质微球；二氧化硅微球为标准尺寸样品，其半径已知r＝5μm，可结合高倍率显微镜精确标定。待测样品为常温下的空气，充满封闭腔24，封闭腔24为真空腔。
捕获光阱模块包含第一激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一分束镜4、第二分束镜7、第一反射镜5、第二反射镜8、第三反射镜9、第一汇聚透镜6和第二汇聚透镜10；第一激光器1可选用波长为1064nm的nd:yvo4光源；第一激光器1出射的捕获光，经过第一准直透镜2和第二准直透镜3的准直后，被分束比为50:50的第一分束镜4分成两路光束a和b；光束a依次经过第一反射镜5和第一汇聚透镜6，光束b依次经过第二分束镜7、第二反射镜8、第三反射镜9和第二汇聚透镜10，两路光束对向汇聚在同一个焦点，形成双光束捕获光阱；为保证捕获光阱的稳定性，需要调整入射到真空腔内的光束a和光束b光轴平行，对向传输；第一汇聚透镜6和第二汇聚透镜10兼容真空环境，具有较高的数值孔径na＝0.4，保证捕获光束的汇聚效果。
激励调制模块包括第二激光器11、第三准直透镜12、第四准直透镜13、声光调制器14、第四反射镜15、第三汇聚透镜16、信号发生器17和射频驱动器18；第二激光器11可选用波长为532nm的半导体激光器；第二激光器11出射调制光束，依次经过第三准直透镜12、第四准直透镜13、声光调制器14、第四反射镜15和第三汇聚透镜16，照射在被稳定捕获的微球上。
信号发生器17为fpga通讯模块，通过上位机指令，发出占空比为50％，周期为40ms的方波调制信号；方波调制信号的电压峰峰值为0.5v，低于射频驱动器18的最大输入电压1v；声光调制器14由射频驱动器18驱动，对经过声光调制器14的调制光束的光功率进行相应的方波调制；调制光束的光轴方向与捕获光束的光轴方向垂直。
运动检测模块包括分光镜19，第五反射镜20、第四汇聚透镜21、第五汇聚透镜22和平衡探测器23；通过探测微球对捕获光束a的散射光获取微球在调制光束光轴方向上的运动信息；散射光与捕获光束b逆向传播，依次经过第二汇聚透镜10、第三反射镜9、第二反射镜8、第二分束镜7和分光镜19；分光镜19为d形反射镜，将散射光在空间上分成两束，分别经过第四汇聚透镜21、第五反射镜20和第五汇聚透镜22，入射到平衡探测器23的两个探头；分光镜19对散射光的分光方向与散射光的光功率变化方向一致；微粒在调制光束的作用下，沿着调制光束的光轴方向产生响应运动，导致入射到平衡探测器23的两个探头的光功率发生变化。
应用实施例
首先利用捕获光束将真空腔内的微球稳定捕获，此时可在平衡探测器23上检测到微球的简谐运动信号，其运动方程为：
谐振频率为ω0，黏滞阻尼为β＝γ/m，摩擦系数为γ＝6πrη，微球布朗运动随机作用力为λξ(t)，其中r为微球的半径，m为微球的质量，η为待测空气在常温t下的动力粘度，随机过程ξ(t)的时间平均<ξ(t)>＝0；
沿着与捕获光垂直的方向施加调制光束；参照图2，调制光束的光功率的周期为40ms，单个周期内分别以高低功率值p1和p2交替变化；微球受到调制光束的作用力，沿着调制光束的光轴方向发生响应运动，单个周期内产生两次阶跃响应；参照图3，可从平衡探测器23两个探头检测到的差分信号提取微球阶跃响应的运动信息；微球同时受到布朗运动随机作用力，单个周期内的阶跃响应包含随机噪声；将微球多个周期内的阶跃响应信号进行平均，消除随机噪声对测量结果的影响；对时间平均后微粒运动的解析式为：
其中
其中φadd为探测时引入的相位，u0+uoff为阶跃响应后微球在新的稳态时探测器的电压幅值，uoff为偏置电压幅值。参照图4的多个周期平均后的阶跃响应曲线，结合所述的解析式，通过参数拟合可得到谐振频率ω0和黏滞阻尼β；已知微球的半径和质量，根据谐振频率ω0和黏滞阻尼β可以得到待测空气的动力粘度η。
利用真空腔24改变待测空气的压强和温度，根据上述测量方法，可实时动态地检测待测空气在不同压强、温度下动力粘度的变化；类似地，将待测样品更换为其他气体或液体样品，根据上述测量方法，可检测其他样品的动力粘度。
通过检测微粒对已知特征的光激励信号的运动响应，可以实时动态地检测样品在不同温度、气压等条件下动力粘度的变化。相比于传统的动力粘度测量手段，该方法测量精度高，响应速度快，适用范围更广。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。