[發明專利]一種真空光鑷系統中頻率可調的穩定旋轉裝置及使用方法

有效

• 申請號: 202110468911.7
• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113380436B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 胡慧珠;陳銘;蘇鶴鳴;陳杏藩;高曉文;李楠;劉承
• 申請（專利權）人: 浙江大學;之江實驗室
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種真空光鑷系統中頻率可調的穩定旋轉裝置及使用方法。本發明包括真空腔、微納粒子、激光源、物鏡、偏振控制裝置；物鏡和微納粒子放置在真空腔中，激光源、偏振控制裝置、物鏡和微納粒子沿光線方向依次設置；偏振控制裝置包括第一半波片、偏振分光鏡、第二半波片、電光調制器和四分之一波片；第一半波片、偏振分光鏡、第二半波片、電光調制器和四分之一波片沿光線方向依次設置。本發明利用電光調制器對光束偏振的調制作用，結合線偏振光與各向異性極化率微納粒子的相互作用特性，實現在真空光鑷系統中操控微納粒子以設定的頻率穩定旋轉的功能。

技術領域

本發明涉及一種屬于精密測量技術領域的用于實現微納粒子在真空中穩定旋轉裝置，具體涉及了一種真空光鑷系統中頻率可調的穩定旋轉裝置及使用方法。

背景技術

上個世紀七十年代美國物理學家Ashkin等人利用物體在光場中會受到輻射力和梯度力的性質，發明了光鑷技術，用于捕獲微小粒子。該技術被廣泛應用于流體力學，熱力學等研究領域。之后，又發展出了在真空中用光捕獲微粒的真空光鑷技術，該方法能夠與環境很好地解耦，從而獲得非常高的測量精度。比如說，真空光鑷可以用于測量非牛頓引力、卡西米爾力等。另外，如果可以控制真空光鑷中的微納粒子的轉動，那么又可以應用于如微弱力矩等轉動相關的物理量的測量，還可以排除平動自由度的干擾。因此，操控微納粒子的轉動是一個有價值的研究方向。

已有的對真空光鑷體系中微納粒子轉動自由度的純光學操控手段主要是用圓偏振光。這種方法是通過圓偏振光攜帶非零角動量的特點，利用相互作用將角動量傳遞給微納粒子的方法。由于這種角動量傳遞會給微納粒子一個持續的角加速度，由于氣體的阻滯力會和轉動頻率成正比地增加，因此最后會達到光施加的力矩和氣體的阻滯力矩相平衡。因此若要用這種方法實現微納粒子的穩定轉動，其轉速不能任意調節，而是取決于周圍氣體的阻滯系數。而且用圓偏振光的方法通過光場驅動和氣體阻滯的平衡來控制轉速，使得其轉速容易受到光強、氣流等變化時產生的擾動，所以轉動頻率的線寬較大，也就是不穩定。而驅動真空光鑷中微納粒子以可調節的頻率穩定轉動對于轉動自由度相關的物理量的精密測量有著重要意義。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，本發明提出了一種真空光鑷系統中頻率可調的穩定旋轉裝置。

本發明所采用的技術方案是：

一、一種真空光鑷系統中頻率可調的穩定旋轉裝置

穩定旋轉裝置包括激光源LS、偏振控制裝置、真空腔VC、物鏡OL、微納粒子MS；物鏡OL和微納粒子MS放置在真空腔VC中，激光源LS、偏振控制裝置、物鏡OL和微納粒子MS沿光線方向依次設置；

偏振控制裝置包括第一半波片HWP1、偏振分光鏡PBS、第二半波片HWP2、電光調制器EOM和四分之一波片QWP；第一半波片HWP1、偏振分光鏡PBS、第二半波片HWP2、電光調制器EOM和四分之一波片QWP沿光線方向依次設置；

激光源LS中出射原始激光，原始激光依次透射經過第一半波片HWP1、偏振分光鏡PBS、第二半波片HWP2、電光調制器EOM和四分之一波片QWP后入射到真空腔VC內，物鏡OL將入射到真空腔VC內的線偏振光聚焦后形成光阱捕獲區域，從光阱捕獲區域上方釋放微納粒子MS，之后微納粒子MS在重力作用下向下做自由落體運動，到達光阱捕獲區域被捕獲。

所述原始激光依次經過第一半波片HWP1、偏振分光鏡PBS和第二半波片HWP2后成為強度可調的線偏振光，強度可調的線偏振光再經過電光調制器EOM的調制和四分之一波片QWP后成為偏振方向以變化頻率轉動的線偏振光；

其中，第一半波片HWP1的光軸方向繞光線方向旋轉用于控制從偏振分光鏡PBS中出射的線偏振光的光強，第二半波片HWP2的光軸方向繞光線方向旋轉使得從第二半波片HWP2中出射的線偏振光的偏振方向與電光調制器EOM的光軸方向成45°夾角，四分之一波片QWP的光軸方向和第二半波片HWP2出射的線偏振光的偏振方向相同。