標定雙光束光阱系統中微粒位置探測器的裝置和方法與流程

本發明涉及一種在雙光束光阱系統中利用光束失準引起的微粒振動，來標定位置探測器的裝置和方法，屬于光學工程領域和精密測量技術領域。

背景技術：

兩束相向傳播的高斯激光束，可以形成能束縛微米尺度粒子的雙光束光學勢阱，簡稱雙光束光阱。雙光束光阱可以實現光學囚禁、光學牽引、光學拉伸和光致旋轉等多種功能，具有廣泛的應用前景。

微粒位置的探測是光阱系統應用時需解決的關鍵問題，目前常用方法之一是利用位置探測器完成對光阱中被捕獲微粒位置的探測。微粒的散射光通過光學系統進入位置探測器。收集了散射光后，位置探測器可直接產生與微粒位移相對應的電壓信號，但光學結構的改變會對位置探測器電壓信號造成影響。因此，要通過位置探測器獲得微粒的位移，需要在當前的光學系統結構下對位置探測器進行標定，目前主要有兩種標定方法：一是利用電動位移臺產生周期性的位移信號對探測器進行標定；二是利用微流控系統使被捕獲微粒產生固定的位移來標定探測器。這些標定方法都需要利用精密的電動位移臺或者帶有注射泵的微流控系統主動使被捕獲粒子產生位移，裝置復雜，系統造價高體積大，無法在小型化探測系統中應用。

雙光束光阱中，捕獲光束對準度對捕獲穩定性有顯著影響，當捕獲光束完全對準時，微粒被穩定囚禁于某一位置；當捕獲光束不完全對準即失準時，微粒將在一定范圍內來回振動。雙光束光阱中，利用捕獲光束失準引起的微粒振動來標定位置探測器的裝置和方法，目前還未見報道。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，本發明提出了一種雙光束光阱中，利用捕獲光束的失準引起的微粒振動來標定微粒位置探測器的裝置和方法，具有結構簡單，測量精度高、實用性強等優點。

本發明基于以下原理：兩束相向傳播的高斯激光束，將形成能束縛微米尺度粒子的雙光束光阱。這兩束高斯激光束稱為捕獲激光。當兩束捕獲激光完全對準時，微粒被穩定囚禁于某一位置；當兩束捕獲激光在一定范圍內不完全對準即失準時，微粒依然被捕獲，但并非被囚禁在某一位置，而是在一定范圍內來回振動。在雙光束光阱系統中，當微粒來回振動時，借助圖像傳感器可測得微粒的位移變化，利用位置探測器可獲得微粒位移引起的電壓信號變化。將微粒位移變化與位置探測器電壓變化進行特征匹配，則可獲得微粒位移與位置探測器電壓的對應關系，求得標定系數，完成位置探測器的標定。

本發明采用的技術方案如下：一種標定雙光束光阱系統中微粒位置探測器的裝置，由照明光源、光分束器、圖像傳感器和位置探測器組成，兩束相向傳播的激光形成光阱捕獲微粒，所述照明光源為圖像傳感器提供光照，所述光分束器將光路一分為二：一路光進入圖像傳感器，用于微粒位置的實時監測；另一路光進入位置探測器，用于散射光電壓信號的實時監測。令兩束捕獲激光失準，微粒將在一定范圍內來回振動，此時第一路光信號通過圖像傳感器傳輸至計算機進行處理后，得到微粒的位移-時間曲線；第二路光信號通過位置探測器轉化成電壓信號。將微粒位移-時間曲線和位置探測器的電壓信號進行特征匹配，可求得標定系數，從而完成位置探測器的標定。

本發明的有益效果是：

本發明利用捕獲光束失準引起的微粒來回振動獲得微粒位移與位置探測器電壓信號的對應關系，求得標定系數，完成位置探測器的標定，具有結構簡單、重復性好和實用性強等優點。此外，本發明不局限于微粒種類和樣品室結構，適用范圍非常廣。

附圖說明

圖1為本發明裝置的結構示意圖；

圖2為本發明的實施案例；

圖3a為微粒位移變化曲線，圖3b為位置探測器電壓信號變化曲線，圖3c為標定后的微粒位移與位置探測器電壓信號

圖中1為照明光源，2為光分束器，3為圖像傳感器，4為位置探測器，5為包含散射激光的照明光束，6為微粒，7為第一束捕獲激光，8為第二束捕獲激光，9為一號激光器，10為二號激光器，11為樣品室，12為一號光隔離器，13為二號光隔離器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的一個實施案例作詳細的說明，但不應因此限制本發明的保護范圍。

如圖1所示，一種雙光束光阱中利用光束失準標定微粒位置探測器的裝置，由照明光源1、光分束器2、圖像傳感器3和位置探測器4組成，捕獲激光7和捕獲激光8相向傳播形成光阱捕獲微粒6，所述光分束器2將包含散射激光的照明光束5一分為二：一路光進入圖像傳感器3，用于微粒位置的實時監測；另一路光進入位置探測器4，用于散射光電壓信號的實時監測。令捕獲激光7和捕獲激光8失準，待捕獲微粒6將在一定范圍內振動。利用圖像傳感器3拍攝微粒6在某段時間內的運動過程，同時記錄位置探測器4在該段時間內的電壓信號變化。通過圖像處理方法對所錄制圖像進行分析，提取出微粒的位移信號，將微粒位移變化和位置探測器電壓變化進行特征匹配，求得標定系數，即可完成位置探測器4的標定。

本發明的一個具體實施例如圖2所示，光源選用兩個激光器：一號激光器9和二號激光器10，從一號激光器9和二號激光器10出射的兩束捕獲激光：捕獲激光7和捕獲激光8，相向傳播入射樣品室11。所述一號激光器9和二號激光器10的輸出功率設置為相等的數值，以保證入射樣品室11的捕獲激光7和捕獲激光8功率相等。一號激光器9與一號光隔離器12相連，二號激光器10與二號光隔離器13相連，均用于隔離反射光，保護激光器。使用三維位移臺等輔助工具，以保證兩束捕獲激光完全對準后入射樣品室11，達到穩定捕獲微粒6的目的。

光分束器2將包含散射激光的照明光束5一分為二：一路光進入圖像傳感器3，用于微粒位置的實時監測；另一路光進入位置探測器4，用于散射光電壓信號的實時監測。微調三維位移臺等輔助工具使捕獲激光7和捕獲激光8失準，待捕獲微粒6將在一定范圍內振動，此時圖像傳感器3測得微粒5的位移變化，位置探測器4測得微粒5位移引起的電壓變化，將微粒位移和位置探測器電壓信號進行特征匹配，求得標定系數，完成位置探測器4的標定。

本發明的具體工作過程如下：

往樣品室11中注入微粒6，打開一號激光器9和二號激光器10，將二者的輸出功率設置為相等的數值。一號激光器9和二號激光器10出射的兩束激光相向照射到樣品室11，形成雙光束光阱，捕獲微粒6。令第一束捕獲激光7和第二束捕獲激光8失準，此時微粒6發生來回振動，圖像傳感器3采集到微粒6在某段時間內的運動過程，通過圖像處理方法對所錄制圖像進行分析，提取出微球的位移-時間曲線，如圖3a所示。與此同時，記錄位置探測器4在該段時間內的電壓信號變化，如圖3b所示。將兩種信號時間尺度調整至相同后，一一對應，計算出電壓-位移系數，即可完成位置探測器的標定。圖3c為標定后微粒位移與位置探測器電壓信號，二者變化一致。標定后的位置探測器，可用于無成像系統條件下微粒位置的探測，探測精度可達納米量級。