单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量装置和方法与流程

本发明涉及精密测量领域，尤其涉及一种单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量装置和方法。

背景技术：

1、极弱力的测量促进了磁共振力显微镜、物质波干涉测量、近距离引力物理测试、惯性传感等领域的应用，且我国最新的《计量发展规划(2021-2035年)》中提出了皮牛级微小力值计量与质量单位的量子化变革复现等技术需求。光学悬浮机械系统在高真空中的良好环境解耦可以在室温下实现极弱力测量，在真空光镊技术中，利用光和微纳粒子之间的动量交换，使微纳粒子能够稳定地被限制和操纵在光学陷阱中。根据微纳粒子在光阱中的受力可以分为散射力与梯度力，其中，散射力沿光线传播方向，梯度力指向光势能降低方向。不考虑重力作用，当微粒在某一位置受到的散射力与梯度力的合力为零时，将被囚禁在这个受力平衡位置，也就是光阱中心处。极弱力的测量的基本原理是根据波动-耗散定理主要受到布朗运动的限制，功率谱密度(power spectral density，psd)表示为sf＝4kbt0mω0/q，其中，kb是玻尔兹曼常数，t0是环境温度，m是微纳粒子的质量，ω0是振荡频率，q是品质因子，那么在温度t0时可测量的极弱力为其中，γ0是阻尼率，b是测量带宽。在测量极弱力的基础上，采用竖直向上的光阱极弱力测量装置，当光阱中微纳粒子处于平衡时，微纳粒子受重力和光散射力，通过在微纳粒子附近施加电场力，减弱光散射力，最终通过电场力实现微纳粒子平衡，此时有g＝f，其中g为测量重力值，f为已知的施加电场力，即mg＝f，其中m为小球质量，g为重力加速度，那么可获得m＝f/g。

2、现有的真空光镊技术，极弱力计量的方法一般采用空间光路系统，采用1064nm波长光通过汇聚透镜将微纳粒子捕获，通过系统的热噪声极限、静电力检测、施加交变电场、电场力等方式来实现极弱力计量。

3、文章three-dimensional force-field microscopy with optically levitatedmicrospheres公开了一种基于真空光镊的极弱力测量系统装置，主要包括：1064nm波长光作为捕获微纳粒子光，532nm波长光作为探测信号光，并需要透镜、反射镜、偏振分束镜、振镜、隔离器、四象限探测器等大量空间光元件对系统光路进行搭建，从而实现极弱力测量。但是有以下问题需要解决：

4、(1)系统装置采用大量的空间光元件搭建光路系统限制了系统集成化、小型化的应用需求。文章中系统的要求使用大量的空间光元件搭建光路系统，空间光元器件对焦距的均有要求，使得系统装置需要较大空间，移动时也不便利，这在很大程度上影响需要对极弱力测量系统进行集成化、小型化的应用。

5、(2)系统装置中采用532nm作为探测光限制了系统集成化、小型化的应用需求。文章中的要求使用532nm作为探测光源，需要532nm的激光器以及大量的空间光元件，使得系统装置需要较大空间，移动时也不便利，这在很大程度上影响需要对极弱力测量系统进行集成化、小型化的应用，增加系统额外成本。

6、综上所述，现有技术在实际应用中，为了达到高灵敏度的极弱力测量和精准的极弱力计量，所采用的空间光路系统存在体积大、光路复杂、移动不便利、受外界复杂环境变化影响等问题，使得基于真空光镊系统的极弱力测量装置难以走出实验室，制约着系统的小型化、集成化、工程化和应用化。为克服这一缺陷，现有技术中通过不断简化空间光路系统的方法来掩盖这一技术缺陷，但这一技术缺陷始终制约着基于真空光镊的极弱力测量装置小型化、应用化的问题，有待解决。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量装置和方法。

2、具体技术方案如下：

3、一种单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量装置，包括：光纤激光器、光纤分束器、光纤声光调制器、1064nm光纤准直器、二向色镜、真空腔、ppln波导倍频模块、光纤电光调制器、532nm光纤准直器、四象限探测器、控制端；

4、所述光纤激光器发射1064nm的光，所述光纤激光器、光纤声光调制器、第一个光纤分束器通过光纤顺序连接，第一个光纤分束器的一个输出端通过光纤与1064nm光纤准直器连接，输出光束a；另一个输出端通过光纤与第二个光纤分束器连接；第二个光纤分束器的一个输出端输出参考光束，并通过光纤与四象限探测器连接；另一个输出端通过光纤依次与ppln波导倍频模块、第三个光纤分束器连接，ppln波导倍频模块用于将1064nm波长光倍频到532nm；第三个光纤分束器的一个输出端通过光纤与光纤电光调制器、532nm光纤准直器顺序连接，输出光束b；另一个输出端通过光纤与第四个光纤分束器连接；第四个光纤分束器的一个输出端通过光纤与光纤电光调制器、532nm光纤准直器顺序连接，输出光束c；另一个输出端通过光纤与光纤电光调制器、532nm光纤准直器顺序连接，输出光束d；

5、所述光束a经过二向色镜透射后进入真空腔中；所述真空腔内布置：透镜、真空反射镜、电极板、微纳粒子；光束a经过透镜聚焦后在真空反射镜作用下转向90°，电极板布置在光束a转向后的光路上，微纳粒子位于两电极板之间并能被光束a捕获；光束a通过微纳粒子后沿原方向继续传播，此刻光束a带有微纳粒子状态信息，经过另一面真空反射镜再次转向90°，经透镜收集完整带有微纳粒子状态信息后离开真空腔，耦合到真空腔外的四象限探测器中，所述四象限探测器进行信号采集并输送至控制端；令光束a射入真空腔时的光轴方向为z轴，依据右手法则，将与z轴垂直的两个方向分别定为x轴和y轴；所述光束b、光束c分别沿y方向或x方向进入真空腔中作用到微纳粒子上进行冷却，且光束b、光束c进入真空腔的方向不同；所述光束d经过二向色镜反射后，与光束a一起沿z方向进入真空腔中作用到微纳粒子上进行冷却。

6、进一步地，所述光纤激光器的光功率为0-5w，光纤声光调制器的调制光功率为1-5w。

7、进一步地，所述透镜焦距为75-300mm，两电极板的间距为20-50mm，微纳粒子的直径为2-30μm。

8、进一步地，所述光纤电光调制器调制光功率为1w。

9、进一步地，所述光束a、光束b、光束c、光束d通过真空腔上的真空腔面镜进入所述真空腔。

10、进一步地，所述二向色镜在1064nm波长下接近完全透射，在532nm波长下接近完全反射。

11、一种单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量方法，基于所述的单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量装置实现，具体如下：

12、所述光纤激光器发射波长为1064nm的激光，依次沿光纤经过光纤声光调制器和第一个光纤分束器，分成的其中一束光沿光纤经过1064nm光纤准直器转为空间光光束a，再经过二向色镜透射，沿水平方向进入真空腔，经过透镜形成聚焦光束，经过一面真空反射镜后光束a由水平状态变为垂直状态，穿过电极板作用到微纳粒子上进行捕获；同时光束b、光束c、光束d分别x方向、y方向、z方向进入真空腔中，对微纳粒子进行三轴冷却；

13、当微纳粒子被捕获时，真空腔开始工作，对腔内进行抽真空；当真空度达到阈值时，通过四象探测器采集信号传输至控制端进行数据分析，对微纳粒子信号结果进行冷却反馈，即通过光纤电光调制器调制光束b、光束c、光束d的光强，使微纳粒子处于捕获稳定状态；此时对所述电极板施加电压，形成电场力，随着电场力的增强减小光束a的光强，最终达到电场力与重力平衡状态将微纳粒子捕获，将此刻平衡状态下的电场力作为微纳粒子的重力的计量值；

14、经过微纳粒子后，光束携带微纳粒子此时状态沿垂直方向继续传播，经过反射镜后光束由垂直状态再次变为水平状态，再经过透镜收集完整带有微纳粒子状态信息后离开真空腔，耦合到四象限探测器中，进行信号采集并输送至控制端，控制端获得带有微纳粒子此时状态的信号，从而实现极弱力精准计量。

15、进一步地，所述微纳粒子通过压电陶瓷起支方式，从光束a的上方掉落，在光束a焦点所在的光阱捕获区被捕获。

16、进一步地，所述真空腔内的真空度的阈值为1x10-6mbar。

17、进一步地，当微纳粒子在光冷却高真空环境下处于平衡状态时，微纳粒子的质量其中q为电荷所带电量，e为电场强度，g为重力加速度。

18、本发明的有益效果是：

19、(1)本发明采用了波分复用的方法，用1064nm光源波分复用倍频至532nm实现三轴冷却，并用1064nm光作为捕获光和探测光，仅使用一个光源即可实现三轴冷却、捕获和探测的功能。

20、(2)本发明提出了一种单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量装置，采用光纤元件代替大量空间光学元器件，比现有技术的系统体积更小、更加集成化和小型化，在移动和应用方面更加便利，在精密测量领域内的极弱力计量应用具有更优越的优势。