能“自反馈控制”的光镊
发布时间:2020-04-26 16:47:17 编辑:麓帮主 阅读次数:528

 

导读
多年来,国防科技大学前沿交叉学科学院罗晖肖光课题组致力于将真空光镊应用于高性能惯性传感中,在片上光力加速度计、片上光力陀螺研制等方面取得了重要突破。光镊中微粒的位置稳定性是制约光力惯性传感器件性能的根本因素。该课题组与北京邮电大学罗斌教授合作,深入开展内腔光镊中位置稳定性研究,发现了内腔光镊中轴向和径向位置存在耦合的现象,提出了能够有效抑制这种耦合现象的方法,有望进一步提升微粒位置稳定性。相关工作以”Coupling between axial and radial motions of microscopic particle trapped in the intracavity optical tweezers”为题,发表在期刊 Optics Express 上。

 

研究背景

 

 

光镊是20世纪末激光技术领域的重大发明之一,源于1970年美国贝尔实验室Arthur Ashkin开创性地利用激光对悬浮微粒进行俘获和移动。三十多年来,光镊已经成为生物科学、纳米科技领域前沿研究不可或缺的研究工具。2018年,光镊的发明人Ashkin教授因光镊在生命科学研究领域的应用而获得诺贝尔物理学奖。光阱在生命科学中的应用大多是在液体介质中操控微粒,称为液体光阱。2010年,美国科学家采用光镊技术在低真空中测量了微粒的瞬时布朗运动速度。同一年,数位科学家提出了将真空光镊中微粒与光学谐振腔耦合起来的方案,自此开启了真空中悬浮光力学研究的序幕。
光镊中微粒的高稳定囚禁是悬浮光力学基础理论和应用研究的重要前提。反馈控制是提升光镊中微粒位置稳定性的高效方法。自1977年Ashkin首次通过反馈控制提高光镊中悬浮微粒的稳定性以来,国际上光镊的反馈控制技术不断创新发展,推动单分子/单细胞分析、纳米组装、薛定谔猫态制备和微分涨落定理验证等前沿研究不断取得新的重大突破。但这种反馈控制系统往往需要复杂的硬件和软件。2019年意大利科学家提出了内腔光镊的方案,由于其具有位置自反馈特性,无需额外的反馈控制系统,与标准光镊相比,微粒位置稳定性提高2个数量级,是未来悬浮光力学研究的“理想”物理平台。

 

研究内容

 

 

内腔光镊实验系统的结构如图1所示,其实质是将光镊放置在环形谐振腔中,环形光路由光纤部分和空间光部分组成,采用掺镱光纤提供增益,光隔离器保证环形光路中激光单向传输。在沿光传播方向(Z向)上,光力与微粒重力平衡,在径向光梯度力实现对微粒的稳定囚禁。当微粒在径向偏离光轴时,其产生的散射损耗减小,环形谐振腔中的光强将增大,这将导致光梯度力增大,微粒被”拉”回到光轴上,这就实现了微粒位置的“自反馈”。

图1.内腔光镊实验系统结构。
为表示光镊的囚禁能力,定义囚禁效率(\( C_{e} \) ,optical confinement efficiency)为微粒位置均方根的倒数与囚禁功率之比,表达式如下:

\[ S_{r}=\left [\frac{1}{n}\sum_{n}\left (r_{i}-\overline{r} \right )^{2} \right ]^{-1},S_{z}=\left [\frac{1}{n}\sum_{n}\left (z_{i}-\overline{z} \right )^{2} \right ]^{-1} \] \[ C_{er}=S_{r}/I_{t} \]

这里\( p(r,z) \) 为微粒的柱坐标,\( \overline{r} \) \( \overline{z} \) 为径向和轴向位置均值。

通过实验比较了标准光镊与内腔光镊的囚禁效率,如图2所示。

图2.标准光镊与内腔光镊轴向(□, 蓝色)和径向(◊, 红色)不同捕获功率时的囚禁效率对比。

可见,标准光镊的最小捕获功率比内腔光阱高,同时标准光镊的光学囚禁效率与捕获功率无关,而内腔光镊中径向囚禁效率远大于轴向囚禁效率。更为重要的是,径向和轴向光学囚禁效率都随着捕获光率增大而增大。一方面,内腔光阱中轴向平衡位置在焦点之下,随着捕获功率增大,平衡位置会将更靠近焦点,因而产生更大的囚禁效率;另一方面,捕获功率更大时,腔内激光光强与微粒位置之间的非线性反馈强度也将更大,因此产生非线性反馈力也将更大,导致更大的囚禁效率。

通过人为改变内腔光镊中微粒径向位置的方法,研究了轴向和径向位移之间的耦合特征。采用三维纳米位移台将微粒偏离初始平衡位置后释放,记录微粒轴向和径向位置以及腔内激光功率,如图3所示。当微粒偏离初始平衡位置时,腔内激光功率立即增大到43.1 mW,轴向也立即偏离7.3 μm,在1.6s(回复时间)后恢复径向初始平衡位置,在14.2s后恢复轴向初始平衡位置,这就导致了轴向囚禁效率远低于径向囚禁效率。

图3.在径向为微粒施加脉冲序列(振幅5 μm,周期25s),微粒位移(a)和腔内激光功率(b)随时间的变化。

通过仿真研究了透镜NA值、光镊环境介质粘滞系数对轴向偏离和回复时间的影响,研究表明使用更低NA值透镜可以获得更小的轴向偏离和更快的回复时间,同时选择适当的环境介质粘滞系数以平衡更小粘滞阻力和更长阻尼振荡周期(图4),也可以获得更短的回复时间。上述两个方法可以一定程度抑制微粒轴向和径向位置的耦合现象,进一步提高微粒囚禁效率。

图4.不同粘滞系数时轴向和径向位移随时间变化。

 

研究总结

 

 

内腔光镊由于天然具备“自反馈”特性,与标准光镊相比,具有更高的光学囚禁效率,同时无需高NA会聚透镜,是未来真空光镊用于基础物理研究、精密测量的重要平台。文章重点研究了内腔光镊中微粒位置稳定性特征,发现并分析了轴向和径向位置耦合的现象,最后指出采用更小NA值透镜和选择适当的环境介质粘滞系数,可以有效抑制该耦合现象,进一步提高内腔光镊中微粒的囚禁效率。

  

 

论文链接:

 

https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-25-36653

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