[發明專利]結合磁阱和光阱實現高真空環境懸浮微球的裝置及方法

有效

• 申請號: 202210449550.6
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114910662B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 李楠;項千漪;祝訓敏;陳杏藩;劉承;胡慧珠
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01P15/00
• 分類號: G01P15/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種結合磁阱和光阱實現高真空環境懸浮微球的裝置及方法。包括形成真空環境的真空腔、產生磁阱捕獲微球的磁阱組件、產生光阱捕獲微球的光阱組件、初始固定并釋放微球的起支組件；利用基于抗磁懸浮原理的磁阱捕獲微球，抽高真空后打開激光光源，調整雙光束的對準聚焦使得微球處于雙光束光阱中心，待微球穩定懸浮后，驅動三軸電控位移臺使得磁阱遠離光阱中心，此時微球完全依靠雙光束光阱穩定懸浮。本發明結合兩種勢阱各自的優勢，可以在不借助復雜質心運動冷卻系統的前提下實現大質量微球在高真空環境的穩定懸浮。

技術領域

本發明涉及微球捕獲懸浮系統的裝置及方法，尤其是涉及了一種結合磁阱和光阱實現高真空環境懸浮微球的裝置及方法。

背景技術

1971年，美國物理學家Ashkin等人使用一個透鏡弱聚焦一束豎直向上照射的激光，首次用光學方法穩定懸浮直徑20um的玻璃微球。1986年，他又發現將單束激光強聚焦后，不依賴重力也可以將微球穩定捕獲，這種技術被命名為光鑷(optical?tweezers)。2018年，Ashkin因發明光鑷技術榮獲諾貝爾物理學獎。光鑷的原理是強聚焦激光光束對介質微球產生了一個始終指向焦點的作用力，其大小與電場梯度成正比，故稱為梯度力，該力使得介質微球被三維囚禁在焦點附近。光鑷提供了一種可控制和測量微米至亞微米尺度物體特性的非接觸、無損的和高空間時間分辨率的優良手段，在生物學、高靈敏度傳感和量子物理等方面有著廣泛的應用和誘人的前景。

近年來，人們已經發現，若使捕獲的介質微球處在真空環境中，即隔絕外部熱力學噪聲的影響，將帶來遠超過目前常規手段的測量精度。例如，耶魯大學的David?Moore小組，在2017年已經實現了ng級的加速度測量靈敏度，比目前室溫下機械力學傳感器可達到的探測靈敏度高3個數量級。真空光鑷在精密力學量測量、高性能慣性傳感器、非牛頓引力探索、宏觀量子態制備等領域已展現出重要應用價值與廣闊的發展前景。

對于加速度傳感，微球質量越大，加速度測量精度越高。但是微米量級以上的微球由于對激光的吸熱效應更為顯著，極易在真空環境中逃逸，使得在高真空環境的穩定捕獲困難重重，往往需要借助外部復雜的微球運動抑制(質心運動冷卻)系統來幫助穩定捕獲懸浮。加熱效應的來源有兩方面：

第一，微球材料對光的吸收。雖然針對不同波長可以選擇吸收系數非常低的微球材料，但吸收系數不可能為零，為克服微球重力，只能用較大激光功率，那么即使很小的吸收系數也會存在無法忽視的光熱效應；

第二，真空環境下，空氣分子平均自由程較大，無法形成有效熱耗散，使微球絕對溫度急劇升高，又作用于外部空氣分子，形成劇烈的局部分子運動，二者互相影響，最終使微球逃逸。另外一方面，研究表明真空度越高，最小可探測量越小，測量精度越高。以加速度傳感為例，最小可測加速度的值與P1/2成正比。所以說，真空光鑷系統中能達到的真空度直接制約了極限測量精度，這對應了真空光鑷系統中關鍵的技術難點。如何實現利用光阱在更高真空度的穩定捕獲和靈敏探測微球，是值得深入研究的科學問題。

與此同時，基于抗磁性的抗磁懸浮磁阱在不斷發展。抗磁性材料的主要宏觀特性就是它們會被磁場排斥，基于這個性質，抗磁性物質能夠自由穩定地懸浮于非均勻的磁場中。物質的抗磁性在1778年首次由邁克爾·法拉第發現，而抗磁懸浮想法最早在1847年由威廉·湯姆孫提出，其典型實驗成果可見1997年實現的懸浮青蛙、1999年通過手指穩定懸浮NdFeB永磁體。發展至今，抗磁懸浮微球也被應用在精密測量領域，擁有無加熱效應、低耗散率、低冷卻溫度、被動懸浮、可懸浮大質量介質等優點，但是相對光阱而言，其構成的勢阱諧振頻率低2～3個數量級，諧振子傳感帶寬更小。

發明內容

針對目前光阱系統中，存在抽高真空時系統難以穩定捕獲微球的問題，本發明提出了一種結合磁阱和光阱實現高真空環境懸浮微球的裝置及方法。本發明結合兩種勢阱各自的優勢，可以在不借助復雜質心運動冷卻系統的前提下實現微球在高真空環境的穩定懸浮。

本發明所采用的具體技術方案如下：