[发明专利]一种基于圆形艾里光束的全息真空光镊装置

说明书

本发明公开了一种基于圆形艾里光束的全息真空光镊装置。本发明的调制光束生成组件产生调制光束，经4F系统后入射至分光镜，经分光镜的透射光束再经第一反射镜的反射后入射至真空腔内，然后经第三凸透镜会聚后形成第一圆形艾里光束；经分光镜的反射光束依次经第二反射镜的反射和第三反射镜的反射后入射至真空腔内，然后经第四凸透镜会聚后形成第二圆形艾里光束，第一圆形艾里光束和第二圆形艾里光束在真空腔内对射布置并形成光阱捕获区域，微纳粒子在光阱捕获区域内被捕获并在高真空环境下稳定悬浮。本发明提高了光镊在高真空度环境下捕获微纳粒子的稳定性，可实现更大质量微纳粒子的捕获，有利于进一步提高真空光镊系统的真空度和加速度测量精度。

技术领域

本发明涉及了一种全息真空光镊装置，尤其是涉及了一种基于圆形艾里光束的全息真空光镊装置。

背景技术

1970年，Ashkin等人首次观察到激光与微米尺寸的物体的相互作用，利用两束对向传播的光束，在溶液中束缚住了小球，由此奠定了光镊技术的基础。而到了1986年，Ashkin利用单光束实现了不同尺寸的微球在三维空间中的稳定捕获，这种被称为光镊的技术由此诞生，而Ashkin也由于在光镊方面的贡献获得了2018年的诺贝尔物理学奖。与机械镊子直接夹取物体并移动不同，光镊通常是利用强聚焦光束产生光强梯度力来捕获与操控物体。光镊具有非接触、无损伤、高精度的特点，可以产生小至数皮牛的力，也可以对微米乃至纳米尺度的物体实施捕获与操纵，目前已成为捕获与操控介观物体的重要工具，被广泛应用于冷原子、生物大分子以及细胞等微小物体的捕获与操纵等领域。

作为光镊技术新的发展方向之一，真空光镊技术通过在真空环境中悬浮微纳粒子，减弱了其与环境分子碰撞产生的热噪声，这使得真空光镊系统可以被应用于微弱力、加速度以及扭矩等力学量的精密测量中；此外，真空光镊还可以被应用于宏观量子态研究、反常引力测量等前沿基础性研究。通常，真空光镊系统需要通过探测被捕获粒子的位移来完成对力学量的超高灵敏度传感，因此能够达到的真空度越高，环境热噪声越小，则测量精度越高；如果要实现在更高真空度中对粒子的稳定捕获，需要利用更小的光功率来产生足够的梯度力，以避免在高真空环境下，粒子由于受到大功率光束的加热效应而逃逸；此外，在微粒周围气压不变的情况下，理论表明，加速度测量灵敏度(单位时间内最小可测量的加速度)和粒子质量成反比，因此采用质量更大的大尺寸粒子可以测得更小的加速度，获得更高的加速度测量精度。但是，当粒子的尺寸增大到微米量级，激光对粒子的加热效应会更加显著，导致大尺寸粒子极易在真空中逃逸。因此，需要在限制捕获光功率的同时，尽可能提高光阱的刚度。

为了解决高斯光束光镊捕获强度有限和粒子操控灵活性不足的问题，采用全息技术对光场进行调控，以获得更加优异的微粒捕获性能与操控特性。全息光镊利用加载在光学超表面器件或者液晶空间光调制器等器件上的计算全息图，对入射光场的振幅、相位和偏振态分布进行调制，可以产生动态多光阱阵列或者特殊光束光镊。

2010年，Efremidis等人提出了一种被称为圆形艾里光束的特殊光束，这种光束在入射平面上的场分布可以表示为：上式中r表示半径，r₀表示光束主环的半径，Airy为艾里函数，w₀为比例系数，a为衰减系数。

圆形艾里光束可以由空间光调制器产生，且具有突然自聚焦的特性：光束在传播一段距离后会自行汇聚至中心，同时光强在自聚焦焦点处突然增大而达到最大值。这意味着圆形艾里光束可以产生更大的光强梯度力，产生刚度更大的光阱，此外，圆形艾里光束的自聚焦效应还可以通过引入其他变量来增强。因此，当使用圆形艾里光束作为捕获光束时，只需要更小的光功率就可以达到与高斯光束同等的光阱刚度，从而减小加热效应与粒子逃逸的概率，以达到在更高真空度下捕获微纳粒子以及提高系统测量精度的目的；当捕获光功率相同时，使用圆形艾里光束有助于获得更强的光阱刚度，从而捕获质量更大的粒子，提高测量精度。研究表明，圆形艾里光束对粒子产生的轴向散射力通常大于梯度力，因此必须采用双光束对射等方式抵消光束的轴向散射力，以实现在真空环境下对粒子的三维捕获。

发明内容