1.本发明涉及光学工程领域的光阱测量装置，尤其是涉及了一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置。
背景技术：2.当光子入射到介质表面发生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化，由动量守恒定律就可以推出，当光束入射微球，光子的动量变化量就是微球的动量变化量，所以光束对微球存在力的作用，称为光辐射压，光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力，在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微球进行捕捉，即令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。
3.光阱测量装置可以用在很多领域，如极弱力测量、光阱加速度计。这种装置工作在真空环境中时，会极大的降低热噪声，获得更高的测量灵敏度，是近几年的研究热点。
4.真空光阱系统中一大技术难点是微粒逃逸问题。由于微粒在光阱中的热效应，其在抽真空的过程中很容易逃逸，普遍认为这种现象是由于光热效应产生的光泳力引起的。在这一技术难点的牵引下，磁阱技术得到广泛关注，对于磁阱来说，不引入光路控制，不受吸热导致的光泳力影响，因此可以直接从大气压抽到高真空，但是磁阱的带宽较窄，不利于提高探测灵敏度。
5.一般情况下，由于微球存在缺陷和杂质，会吸收部分捕获光，这部分能量则会转化成热。若气体压强较小，气体分子与微球相互作用不足，微球吸收的能量耗散不掉，微球就会处于热非平衡的状态。单侧光照射微球时，微球表面会产生温度梯度，该方向上气体分子与微球动量交换不平衡，形成光泳力(图1所示)。当真空腔中的气压降到几毫巴以下时，不引入冷却的情况下，微球极易从光阱中逃逸，而冷却系统需要三轴可调制光路，增加了整个装置复杂度，且引入其他误差，影响真空光阱系统这一极具超灵敏传感潜力的装置走向实用化。
技术实现要素：6.本发明的目的是针对现有真空光阱实验效率不高的问题，提出了一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置，提高抽真空过程中微球稳定性。
7.本发明的技术方案如下：
8.本发明包括激光器、准直扩束模块、光致旋转模块、反射模块和光挡；
9.激光器、准直扩束模块、光致旋转模块和反射模块沿光轴依次布置，光挡布置在光致旋转模块的侧面，光致旋转模块和反射模块之间的光轴上设置有微球，微球被捕获光束捕获，光致旋转模块中出射的圆偏光的光轴与捕获光束的光轴垂直；激光器中出射的光经准直扩束模块和光致旋转模块后从光致旋转模块中出射的圆偏光，圆偏光使微球绕圆偏光的光轴发生转动，反射模块和光挡对微球的位置进行平衡。
10.所述的准直扩束模块包括第一透镜l1和第二透镜l2；第一透镜l1和第二透镜l2沿
光轴依次布置，第一透镜l1靠近激光器布置，第二透镜l2靠近光致旋转模块布置。
11.所述的光致旋转模块包括偏振分束器pbs、1/4波片和第三透镜l3；偏振分束器pbs、1/4波片和第三透镜l3沿光轴依次布置，偏振分束器pbs靠近准直扩束模块布置，偏振分束器pbs的侧面布置有光挡，第三透镜l3与反射模块之间的光轴上设置有微球。
12.所述的反射模块为第四透镜l4和反射镜m1；第四透镜l4和反射镜m1沿光轴依次布置，光致旋转模块与第四透镜l4之间的光轴上设置有微球。
13.所述的微球为尺寸在μm量级的光学均匀透明微球。
14.所述微球的材料是聚苯乙烯或二氧化硅。
15.本发明的有益效果为：
16.本发明在光阱中捕获微球后，利用垂直于捕获光束光轴的圆偏振光，使得微球在平衡点实现旋转，旋转的微球会被捕获光均匀加热，避免了对于光场能量的非对称吸收，消除捕获光对微球的不对称加热，克服光泳力对微球运动的影响，抑制真空中微球的逃逸。本发明在不影响微球在光阱中平衡位置的情况下，提高真空悬浮系统降低压强过程中微球维持稳定的概率，提高了抽真空过程中微球捕获的稳定性。
附图说明
17.图1是光泳力原理示意图。
18.图2是本发明抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置的一个结构示意图光路图。
19.图3是本发明抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置实现的一个光路图。
具体实施方式
20.参照图1，当激光从单侧照射微球时，微球在被激光照一侧会吸收更多的热量，被光照射面相较背光面具有更高的温度，进而在微球内部形成温度梯度，导致微球两侧与周围空气分子作用强度的不同，被光照射一侧与空气分子作用力更强，从而产生沿着温度梯度方向的光泳力。
21.如图2和3所示，本发明包括激光器、准直扩束模块、光致旋转模块、反射模块和光挡；激光器、准直扩束模块、光致旋转模块和反射模块沿光轴依次布置，光挡布置在光致旋转模块的侧面，光致旋转模块和反射模块之间的光轴上设置有微球，微球被捕获光束捕获，光致旋转模块中出射的圆偏光的光轴与捕获光束的光轴垂直；激光器中出射的光经准直扩束模块和光致旋转模块后从光致旋转模块中出射的圆偏光，圆偏光使微球绕圆偏光的光轴发生转动，消除捕获光对微球的不对称加热，规避光泳现象，抑制微球逃逸；反射模块和光挡对微球的位置进行平衡。
22.准直扩束模块用来保证光路中平行光的平行度，并保证后面透镜的聚焦效果，提高入射光利用效率；光致旋转模块用来产生圆偏光，圆偏光携带轨道角动量传递给真空光阱中悬浮的微球，从而使微球沿圆偏光光轴发生转动；反射模块用于第一次反射光致旋转模块产生的圆偏光，第一次反射后的圆偏光来抵消微球上所受的散射光，从而消除圆偏光对微球平衡位置的影响。第一次反射后的圆偏光入射至偏振分束器pbs后发生反射，形成第二次反射后的圆偏光，光挡对第二次反射后的圆偏光进行吸收，该束光弃用，保证真空光阱装置的其他光路布置不受影响。
23.准直扩束模块包括第一透镜l1和第二透镜l2；第一透镜l1和第二透镜l2沿光轴依次布置，第一透镜l1靠近激光器布置，第二透镜l2靠近光致旋转模块的偏振分束器pbs布置。
24.光致旋转模块包括偏振分束器pbs、1/4波片和第三透镜l3；偏振分束器pbs、1/4波片和第三透镜l3沿光轴依次布置，偏振分束器pbs靠近准直扩束模块的第二透镜l2布置，偏振分束器pbs的侧面布置有光挡，第三透镜l3与反射模块的第四透镜l4之间的光轴上设置有微球。激光器发出的光经过准直扩束模块后再经偏振分束器pbs得到线偏光，线偏光经过1/4波片后得到圆偏光，由第三透镜l3聚焦到微球上。
25.反射模块为第四透镜l4和反射镜m1；第四透镜l4和反射镜m1沿光轴依次布置，光致旋转模块的第三透镜l3与第四透镜l4之间的光轴上设置有微球。垂直入射的圆偏光经透镜l4准直后，被反射镜m1反射，与l3入射的散射光相抵消，从而在使粒子旋转的情况下，保证其在光阱中稳定点位置不变。此外，经反射镜m1反射的光在偏振分束器pbs上反射，该部分光用光挡挡掉，避免影响其他光路。
26.微球为尺寸在μm量级的光学均匀透明微球，满足在相应环境中被捕获光稳定捕获。微球的材料是聚苯乙烯或二氧化硅。
27.在进行微球旋转前，先要在真空腔中稳定捕获微球。首先将真空腔的压强降到10mbar量级，使用压电陶瓷起振将微球抛至光阱区域，在气体中稳定捕获微球。
28.实验时先在真空腔中稳定捕获微球，然后将圆偏光引入令微球旋转，再进一步进行抽真空，等到压强下降到预定值，将圆偏光挡掉，从而不影响后续的操作及测量。
29.悬浮微球处于密闭真空腔中，光致旋转模块和反射模块出射的光能够垂直于捕获光束入射。
30.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置，其特征在于，包括激光器、准直扩束模块、光致旋转模块、反射模块和光挡；激光器、准直扩束模块、光致旋转模块和反射模块沿光轴依次布置，光挡布置在光致旋转模块的侧面，光致旋转模块和反射模块之间的光轴上设置有微球，微球被捕获光束捕获，光致旋转模块中出射的圆偏光的光轴与捕获光束的光轴垂直；激光器中出射的光经准直扩束模块和光致旋转模块后从光致旋转模块中出射的圆偏光，圆偏光使微球绕圆偏光的光轴发生转动，反射模块和光挡对微球的位置进行平衡。2.根据权利要求1所述的一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置，其特征在于，所述的准直扩束模块包括第一透镜l1和第二透镜l2；第一透镜l1和第二透镜l2沿光轴依次布置，第一透镜l1靠近激光器布置，第二透镜l2靠近光致旋转模块布置。3.根据权利要求1所述的一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置，其特征在于，所述的光致旋转模块包括偏振分束器pbs、1/4波片和第三透镜l3；偏振分束器pbs、1/4波片和第三透镜l3沿光轴依次布置，偏振分束器pbs靠近准直扩束模块布置，偏振分束器pbs的侧面布置有光挡，第三透镜l3与反射模块之间的光轴上设置有微球。4.根据权利要求1所述的一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置，其特征在于，所述的反射模块为第四透镜l4和反射镜m1；第四透镜l4和反射镜m1沿光轴依次布置，光致旋转模块与第四透镜l4之间的光轴上设置有微球。5.根据权利要求1所述的一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置，其特征在于，所述的微球为尺寸在μm量级的光学均匀透明微球。6.根据权利要求1所述的一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸装置，其特征在于，所述微球的材料是聚苯乙烯或二氧化硅。
技术总结本发明公开了一种抑制真空光镊中悬浮微球逃逸的方法。本发明包括激光器、准直扩束模块、光致旋转模块、反射模块和光挡；激光器、准直扩束模块、光致旋转模块和反射模块沿光轴依次布置，光挡布置在光致旋转模块的侧面，光致旋转模块和反射模块之间的光轴上设置有微球，微球被捕获光束捕获，光致旋转模块中出射的圆偏光的光轴与捕获光束的光轴垂直；激光器中出射的光经准直扩束模块和光致旋转模块后获得圆偏光，圆偏光使微球绕圆偏光的光轴发生转动，反射模块和光挡对微球的位置进行平衡。本方法消除了真空光镊中光泳现象对微球运动的影响，提高了抽真空过程中微球捕获的稳定性。提高了抽真空过程中微球捕获的稳定性。提高了抽真空过程中微球捕获的稳定性。
技术研发人员：胡梦珠 李楠 胡慧珠 陈杏藩 刘承
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
