本發明公開一種基于電場量標定的多維度光鑷校準裝置及方法，利用緊聚焦光阱的偏振依賴特性，提出通過一維的電場標定裝置實現對微粒的三軸電場力標定。本發明的方法使得微粒電場力標定系統與微粒投送、微粒檢測系統兼容；簡化了裝置的復雜度，減弱標定復雜度。

技術領域

本發明涉及傳感標定領域，具體涉及一種基于電場量標定的多維度光鑷校準裝置及方法。

背景技術

光鑷技術自上世紀七十年代由阿瑟·阿什金開創以來，作為捕獲和操縱中性粒子的通用工具，已在分子生物學、納米技術和實驗物理學等領域得到廣泛研究和應用。光鑷技術通過激光束懸浮微粒可以簡諧振子模型理解，相比傳統的振子模型，光鑷技術無接觸機械耗散；進一步地，與液體或空氣介質中的光鑷系統不同，在真空中運作的光鑷系統可實現懸浮單元與環境的完全隔離。基于上述優勢，真空光鑷技術在基礎物理學如熱力學、量子物理和傳感領域應用物理學領域科學家對真空光鑷開展了大量研究。

基于真空光阱技術的精密傳感的基礎物理研究，往往需要建立微粒光電信號與微粒的實際運動信息（位移量）的對應關系，也即建立光電壓信號與微粒位移的轉換關系,這種關系的建立往往需要精確的動力學模型實現。常用的標定方法有兩種：（1）根據微球在光阱中的熱平衡運動位置進行標定；（2）利用微球易帶電的特點，通過對微球施加電場進行電場力標定。

熱平衡位置標定利用真空光捕獲小球在熱平衡時的能力均分定理，運動狀態的統計性質來實現光鑷的校準。由于高真空下熱平衡校準困難，現在熱平衡校準標定往往是在1mbar以上的真空度進行的，其標定結果應用于高真空度時可能引入誤差。電場力標定方法也可以不受真空度的影響進行標定校準，但是現有的對微粒三軸運動信號標定的技術是在微球周圍的六個截面加載電極板實現，這樣構成的三維電場裝置導致微粒投送、光學監控變得困難。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出一種基于電場量標定的多維度光鑷校準裝置及方法，具體技術方案如下：

一種基于電場量標定的多維度光鑷校準裝置，該裝置包括激光器、分束器、偏振調節器、真空腔、物鏡、平行電場施加單元、電場量控制單元、第一光電探測器、第二光電探測器、數據處理器；

所述分束器、偏振調節器、物鏡、平行電場施加單元和第一光電探測器依次布置在所述激光器的出射光路上，且所述物鏡、平行電場施加單元均位于所述真空腔中，所述平行電場施加單元外接所述電場量控制單元；所述第二光電探測器位于所述分束器的反射回路上，且所述第一光電探測器和第二光電探測器均與所述數據處理器連接。

進一步地，所述偏振調節器為λ/2玻片。

一種基于電場量標定的多維度光鑷校準方法，該方法基于上述的裝置來實現；

所述激光器出射捕獲激光，所述捕獲激光依次經所述分束器、偏振調節器后進入位于所述真空腔中的物鏡，由所述物鏡匯聚形成光學勢阱；將球形納米微粒懸浮在所述光學勢阱中，所述球形納米微粒在所述光學勢阱中的散射光被所述第一光電探測器收集，所述分束器分束出來的參考光被第二光電探測器收集；所述數據處理器計算球形納米微粒在光阱中三維運動造成散射光變化引發的電信號變化；

定義光鑷參考坐標系，所述光學勢阱中光線傳輸方向為Z方向，光偏振方向為X方向，與X和Z垂直的方向為Y方向；定義校準過程的參考坐標系，光學勢阱中光線傳輸方向為Z1方向，初始的光偏振方向為X1方向，與X1和Z1垂直的方向為Y1方向。

當調節所述平行電場施加單元，使其電場方向沿著X1方向時，通過測量所述球形納米微粒在電場中運動引起的X1方向差分電信號，進行電壓-位移轉換關系標定，測量得到所述光鑷X方向的校準系數；

當保持電場方向沿著X1方向，調節所述偏振調節器，使入射光的偏振方向旋轉90°，即變為X1和Y方向平行時，通過測量所述球形納米微粒在電場中運動引起的X1方向差分電信號，進行電壓-位移轉換關系標定，測量得到所述光鑷Y方向的校準系數；