基于回音壁谐振模式测量光阱捕获微粒半径的方法及装置与流程

1.本发明涉及一种基于回音壁谐振模式测量光阱捕获微粒半径的方法及装置。


背景技术：

2.随着微加工技术的发展，微米、纳米颗粒在精密测量、近场光学、生化检测等领域发挥着越来越重要的作用。然而，由于工艺问题，制备的微纳颗粒存在均一性问题，微粒实际上并非完美的球形，并且每次使用的微粒尺寸和形貌都不尽相同，因此在应用精密测量前的关键一步就是对微粒尺寸进行精确的表征，即对半径以及偏心度进行精准测量。由于微粒尺寸小，光学显微镜的分辨率不足以精确测量，而使用电子束扫描或原子力显微镜的样品不能再次使用，无法实现微纳颗粒在实际应用中的原位检测。幸运的是，使用光阱捕获微粒，可以实现微粒半径的原位检测和物理量的精密测量。光阱传感系统又称为光镊，自上世纪七十年代问世以来，是一种捕获和操纵中性粒子的通用工具。光镊技术通过激光束悬浮微粒，可以理解为简谐振子模型；相比传统的振子模型，光镊技术无接触机械耗散；在真空中运作的光镊系统（真空光镊）可实现悬浮单元与环境的完全隔离。基于上述优势，真空光镊技术在基础物理学如热力学、量子物理和精密传感、应用物理学等领域得到了广泛的研究和应用。
3.当前基于真空光镊技术的精密传感、基础物理研究采用的敏感单元通常为单个微米或纳米颗粒。对于极弱加速度的测量应用，敏感单元通常选用较大的微米颗粒。首先真空光镊需要在常压或者真空环境下实现敏感单元的初始悬浮，即将微粒投送至光阱捕获区域附近并使其成功捕获。对于微米级颗粒的投送，现有的起支方案常用微米球振动脱附法，通过压电陶瓷高频振动使干粉状的微粒脱离基板表面，从而进入光阱的捕获区域。
4.目前应用在真空光镊系统中的微粒半径检测方案是：将光阱的真空度抽到10 mbar附近，并对微粒在光阱中的位移信号功率谱进行探测，测量其在光阱中的阻尼率、谐振频率，进而根据热力学相关公式推算出粒子的尺寸来判断其是否满足要求。这种测量方法存在较大的局限性，首先其需要在热平衡的条件下进行拟合，无法在高真空度的环境中使用；其次，该方法的测量结果太过依赖于洛伦兹曲线的拟合效果，对空气分子半径、真空度、阻尼率、光阱束腰尺寸等准确度要求颇高。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的是提出基于回音壁谐振模式测量光阱捕获微粒半径的方法及装置。技术方案如下：一种基于回音壁谐振模式测量光阱捕获微粒半径的方法，1）利用光阱捕获并悬浮真空腔中的微粒；2）将锥形光纤的束腰部分靠近该微粒，利用倏逝场将入射光耦合进入捕获的微粒，调整入射光的波长，使微粒达到回音壁谐振模式；3）根据光学回音壁谐振模式的形成条件公式，计算得到谐振腔的半径r；
4）根据透射光谱的模式劈裂，计算出微粒的偏心率
ɛ
。
6.所述的微粒为光学均匀介质球，微粒的半径为10 μm，形状为球型，材料是二氧化硅。
7.步骤1）中，悬浮真空腔中的微粒的方式包括光悬浮、磁悬浮或者电悬浮。
8.所述的锥形光纤中间的锥腰部分直径为1 μm，能够通过对耦合位置的精细调整，改变倏逝场的重叠度。
9.所述的方法，当谐振腔的半径远大于光的波长时，回音壁模式的形成条件为：，其中r为微球谐振腔的半径，λ为入射光的波长，n为模式有效折射率，l为干涉阶数，是正整数。
10.所述的方法，干涉阶数l可通过相邻的谐振模式波长计算：，其中λ1、λ2为相邻的回音壁谐振模式的波长，l1、l1分别为该模式对应的干涉阶数。
11.所述的方法，通过回音壁谐振模式的劈裂，计算偏心率，其中v和λ是谐振的频率和波长，和分别是相邻模式之间的频率间隔和波长间隔。
12.一种根据所述的方法利用回音壁谐振模式测量光阱捕获微粒半径的装置，包括捕获光激光器、可调谐激光器、锥形光纤、真空腔、聚焦物镜、三轴位移台、收集透镜、光谱仪；所述的捕获光激光器出射捕获激光，经过物镜进行聚焦形成捕获光场，在真空腔中捕获微粒；捕获光场经过微粒形成的散射光，经过收集透镜出射至探测光路部分；可调谐激光器的出射光经过与之相连的锥形光纤，与捕获的微粒进行耦合，锥形光纤的束腰部分固定在三轴位移台上，并将出射光送至光谱仪，光谱仪的输出信号可获得透射光谱，并解算出微粒的半径和偏心率信息。
13.所述的装置，检测步骤如下：1）利用光阱捕获并悬浮微粒，进行适当的冷却；2）调整锥形光纤束腰与微粒之间的距离，通过倏逝场将入射光耦合至微粒内部；3）调整光纤入射光的波长，记录光谱仪输出的透射率信号，获得透射光谱；4） 通过透射光谱获得形成回音壁谐振模式的波长值λ以及相邻模式的波长间隔（自由光谱范围），计算出该模式相应的干涉阶数l；5）根据形成回音壁谐振条件的公式，计算出微粒谐振腔的半径r；根据透射光谱的模式劈裂，计算出微粒谐振腔的偏心率
ɛ
。
14.本发明的有益效果使用真空光镊技术进行极弱物理量检测时，精确地获取光悬浮微粒的尺寸信息至关重要。利用回音壁谐振腔的原理及形成条件，通过已知波长的入射光能够反推出谐振腔
的半径，通过透射光谱的模式间隔能够获取微粒的偏心率，能够作为微粒球形度的一种判据。光学回音壁谐振腔具有很高的品质因子和较小的模式体积，本发明通过光学回音壁谐振腔与真空光镊技术的结合，提供了一种原位、无损、非接触式、高精度的光悬浮微粒半径的检测方法和装置。
15.本发明在真空光镊装置的基础上，增加了可调谐激光器和锥形光纤，能够在不改变原有悬浮微粒的状态下形成回音壁谐振模式，实现了真空光阱悬浮颗粒半径的原位检测。
16.本发明采用回音壁谐振模式的透射光谱来计算微粒的尺寸信息，克服了光学显微镜分辨率不够的缺点，也不依赖于传统方法的位移功率谱洛伦兹曲线拟合效果，简化了微粒尺寸检测的步骤，并且结果更加准确可靠。
附图说明
17.图1为本发明所述的方法流程图。
18.图2为光阱中悬浮的微米球的振动信号。
19.图3为光纤束腰与回音壁谐振腔耦合距离为90 nm时的透射光谱。
20.图4为非完美球型谐振腔的透射光谱。
21.图5为本发明的测量光阱捕获微粒半径的一种装置示意图。
22.图中，可调谐激光器1、真空腔2、捕获光激光器3、物镜4、锥形光纤5、微粒6、三轴位移台7、收集透镜8、光谱仪9。
具体实施方式
23.以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
24.如图１所示，一种基于回音壁谐振模式的测量光阱捕获微粒半径的方法，1）利用光阱捕获并悬浮真空腔中的微粒；2）将一段锥形光纤靠近该悬浮微粒，调整光纤束腰部分的位置，利用倏逝场将入射光耦合进悬浮微粒中；3）观察透射光谱，调整入射光的波长，使微粒内的光形成回音壁谐振模式；4）根据光学回音壁谐振模式的形成条件公式，能够计算得到谐振腔（即捕获的微粒）的半径r；5）对于非完美球型的谐振腔，透射光谱会出现模式劈裂，根据相邻模式的波长或频率间隔计算出微粒的偏心率，能够表征微粒的形貌均一性。
25.所述的微粒为光学均匀介质球，微粒的直径为数十微米，形状为球型，材料是二氧化硅。
26.在0.2 mbar真空度下，所述微米颗粒在光阱中做简谐运动的位移幅度小于20 nm，如图2所示。在高真空度下，微粒简谐运动的幅度会增加，对微粒施加反馈冷却，可以有效降低其振动幅度。
27.所述的锥形光纤通常采用标准单模光纤熔融拉锥制成，其两端可自然连接到单模光纤，中间的锥腰部分直径在1 μm左右，能够形成很强的倏逝场，利于实现高耦合效率。通过对耦合位置的精细调整，可以改变倏逝场的重叠度。光纤束腰与谐振腔之间的耦合距离
在90 nm以内即可获得很高的耦合效率（如图3所示），而微米球在光阱中的振动幅度仅为十几nm，能够成功耦合。
28.所述的方法，当光从光密介质向光疏介质入射且入射角足够大时, 能够在两种介质表面发生全反射, 因此在弯曲的高折射率介质界面能够形成光学回音壁模式。在闭合腔体的边界内，光沿着边界内壁传播时会发生连续的全反射，能够一直被囚禁在腔体内部保持稳定的行波传输模式。若光束绕腔体的内壁行走一圈的光程满足波长的整数倍时，会产生干涉加强现象，光会继续沿谐振腔内壁传播，从而形成回音壁模式。当谐振腔的半径远大于光的波长时，光线的路径与圆形非常接近，因此回音壁模式产生的条件为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ（1）其中r为谐振腔的半径，为入射光的波长，n为模式有效折射率，l为干涉阶数，是正整数。
29.干涉阶数l的计算过程如下：为已知的相邻谐振模式的波长（），其对应的干涉阶数分别为，则：能够得到的计算公式分别为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）根据公式（1）和（2）即可计算出微球谐振腔的半径。
30.若微球谐振腔不是完美的球形，则回音壁谐振模式会产生劈裂，在透射光谱上表现为在一个自由光谱范围（fsr）内存在多个极小值，如图4所示。基于透射光谱的模式劈裂，可以用下式计算偏心率ε：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，v和λ是谐振的频率和波长，和分别是相邻模式之间的频率间隔和波长间隔。
31.偏心率的数值越小，微球的球形度越好。
32.如图2所示，在0.2 mbar真空度下，光阱中半径10 μm的悬浮微粒的位移信号，其振动幅度小于20 nm。
33.如图3所示，光纤束腰与谐振腔之间的耦合距离为90 nm，透射光谱出现周期性极
小值，说明成功形成回音壁谐振模式；极小值接近0，说明90nm的耦合距离能够获得很高的耦合效率；透射率极小值对应的波长间隔即为自由光谱范围。
34.根据图2、图3所示的信息，光阱中捕获的悬浮微粒的振动幅值处于有效的耦合距离范围，因此可以通过将锥形光纤靠近微粒的方式进行耦合；回音壁谐振模式的形成对应透射率出现极小值，可根据该模式的波长计算出微粒的半径。
35.如图4所示，非完美球型的谐振腔会发生模式劈裂，根据模式劈裂的频率间隔可以计算出微粒的偏心率。
36.如图5所示，利用回音壁谐振模式测量光阱捕获微粒半径的装置的一种结构如下：捕获光激光器3出射捕获激光，经过物镜4进行聚焦形成捕获光场，在真空腔2中捕获微粒6。捕获光场经过微粒6形成的散射光，经过收集透镜8出射至探测光路部分。可调谐激光器1的出射光经过与之相连的锥形光纤5，与捕获的微粒6进行耦合，锥形光纤5的束腰部分固定在三轴位移台7上，并将出射光送至光谱仪9，光谱仪9的输出信号可获得透射光谱，并解算出微粒的半径和偏心率信息。
37.应用实施例一下面给出一个具体的实施例对本发明的方法予以说明。
38.捕获光激光器3可采用1064 nm单模激光器，可调谐激光器1可采用波长可调范围在300~800 nm的可调谐激光器。
39.选用标称半径为10 μm的二氧化硅微球样品6作为待捕获的微粒。通过回音壁谐振模式测量捕获微粒半径的实施步骤如下：1）打开1064 nm捕获光激光器3，使样真空腔2中形成稳定的捕获光场，将微米球6送入真空腔；2）待光阱捕获并悬浮微粒6后，打开可调谐激光器1，调整三轴位移台7，使锥形光纤5中的光耦合进悬浮微粒6；3）调整可调谐激光器1出射光波长，记录光谱仪9的信号，获得透射率vs波长的透射光谱；4）根据透射光谱，确定形成回音壁谐振模式处的波长值λ与自由光谱范围，根据公式（2）计算出对应的干涉阶数l，根据公式（1）计算出微粒的半径。
40.如图3所示，520 nm~540 nm范围的透射光谱形成了多个回音壁谐振模式，各谐振模式的波长可从透射光谱直接读出，并根据公式（2）计算出相应的干涉阶数。透射光谱范围内多个谐振模式的波长λ（523.3 nm、526.45 nm、529.6 nm、532.8 nm、536 nm）与其对应的干涉阶数l（168、167、166、165、164）已标注于图中，相邻模式的波长间隔（自由光谱范围）约为3.2 nm，二氧化硅的折射率为1.4，根据，多个谐振模式计算出的微粒半径分别为9.9943 μm、9.9946 μm、9.9942 μm、9.9940 μm、9.9931 μm，最终得到微粒谐振腔的半径平均值为9.9941
±
0.0005 μm。
41.如图4所示，单个自由光谱范围内的模式劈裂间隔约为=50 pm，根据公式
（3）计算出偏心率。
42.应用实施例二本发明所述的测量悬浮微粒半径的方法能够用于磁悬浮谐振子系统。
43.磁悬浮谐振子的磁力阱通常由两个sm-co永磁体和四个铁钴合金磁极构成，可创建一个三维势阱以稳定地捕获抗磁性粒子。磁悬浮谐振系统的装置结构与图5基本相同，在真空腔2中增加上述磁力阱装置用以捕获悬浮微粒，原本的捕获光路（包括捕获光激光器3、物镜4、收集透镜8）可用于微粒质心运动的冷却。
44.选用标称半径为15 μm的二氧化硅微球样品6作为待捕获的微粒。通过回音壁谐振模式测量捕获微粒半径的实施步骤如下：1）将微米球6送入真空腔2中的磁力阱；2）待磁力阱捕获并悬浮微粒6后，打开可调谐激光器1，调整三轴位移台7，使锥形光纤5中的光耦合进悬浮微粒6；3）调整可调谐激光器1出射光波长，记录光谱仪9的信号，获得透射率vs波长的透射光谱；4）根据透射光谱，确定形成回音壁谐振模式处的波长值λ与自由光谱范围，根据公式（2）计算出对应的干涉阶数l，根据公式（1）计算出微粒的半径。
45.透射光谱范围内多个谐振模式的波长λ分别为589.8 nm、592.4 nm、595.1 nm、597.7 nm、600.4 nm，其对应的干涉阶数l为225、224、223、222、221，相邻模式的波长间隔（自由光谱范围）约为2.6 nm，二氧化硅的折射率为1.4，根据，多个谐振模式计算出的微粒半径分别为15.0862 μm、15.0853 μm、15.0865 μm、15.0844 μm、15.0843 μm，最终得到微粒谐振腔的半径平均值为15.0853
±
0.0098 μm。
46.单个自由光谱范围内的模式劈裂间隔约为=78 pm，根据公式（3）计算出偏心率。
47.应用实施例三本发明所述的测量悬浮微粒半径的方法能够进行多维度的半径测量。
48.设微球的质心为空间坐标系原点，捕获光的传播方向即光轴方向为z方向，与光轴垂直的水平方向为x方向，与光轴垂直的竖直方向为y方向。通过回音壁谐振模式测量捕获微粒的多维度半径，实施步骤如下：1）将微米球6送入光阱或磁力阱；2）待光阱或磁力阱捕获并悬浮微粒6后，打开可调谐激光器1，调整三轴位移台7，使锥形光纤5与y轴平行并位于x-y平面内，沿着z方向调整距离，使光纤中的光耦合进悬浮微粒6；3）调整可调谐激光器1出射光波长，记录光谱仪9的信号，获得透射率vs波长的透射光谱；
4）根据透射光谱，确定形成回音壁谐振模式处的波长值λ与自由光谱范围，根据公式（2）计算出对应的干涉阶数l，根据公式（1）计算出x-z平面的微粒半径r
x-y
；5）调整三轴位移台7，使锥形光纤5与y轴平行并位于y-z平面内，沿着z方向调整距离，使光纤中的光耦合进悬浮微粒6；6）重复步骤3）和4），根据公式（1）计算出y-z平面的微粒半径r
y-z
；经过上述步骤，能够得到微球谐振腔在两个垂直方向上的半径信息，这对于更加精准地测量悬浮微粒的尺寸具有重要意义。值得注意的是，以上的步骤仅阐述了两个方向上的测量半径，事实上，移动光纤束腰使其在悬浮微粒的不同位置进行耦合，重复步骤3）和4）即可得到该方向上的半径信息。通过此方法可以测量多个维度的半径，获取微球更加全面的尺寸信息，有利于重建微球的三维形貌，对使用悬浮微粒作为传感单元的应用领域具有重要意义。
49.最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。