阅读说明：本技术 一种用于真空光镊系统的微粒多次起支实验装置及方法 (Particle repeated supporting experimental device and method for vacuum optical tweezers system ) 是由 李楠 祝训敏 舒晓武 胡慧珠 刘承 于 2020-03-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于真空光镊系统的微粒多次起支实验装置及方法。电动平移台上面安装有超声波换能器,超声波换能器上固定有基板；电动平移台侧方设有金属箱,金属箱内安装有可移动底板,可移动底板底面和金属箱内底面之间连接有弹簧,可移动底板顶面之上的金属箱上部腔内充满有微粒；聚焦光束在真空腔内,聚焦光束的焦点在超声波换能器侧方和金属箱之间且位于基板和金属箱之间的正下方；基板靠近金属箱的一端作为吸附端,吸附端加工成削尖的尖头形态,金属箱在靠近正对基板吸附端的侧壁开设有槽口。本发明将真空光镊系统中的微粒起支次数从数十次提高至数千次,进一步保证了整体实验系统的稳定性,具有实际应用价值。(The invention discloses a device and a method for a particle multi-support experiment of a vacuum optical tweezers system. An ultrasonic transducer is arranged on the electric translation table, and a substrate is fixed on the ultrasonic transducer; a metal box is arranged at the side of the electric translation table, a movable bottom plate is arranged in the metal box, a spring is connected between the bottom surface of the movable bottom plate and the inner bottom surface of the metal box, and a cavity at the upper part of the metal box above the top surface of the movable bottom plate is filled with particles; the focused light beam is in the vacuum cavity, and the focus of the focused light beam is between the side of the ultrasonic transducer and the metal box and is positioned right below the space between the substrate and the metal box; one end of the base plate close to the metal box is used as an adsorption end, the adsorption end is processed into a pointed tip shape, and a notch is formed in the side wall of the metal box close to the adsorption end opposite to the base plate. The invention improves the supporting times of the particles in the vacuum optical tweezers system from dozens of times to thousands of times, further ensures the stability of the whole experiment system and has practical application value.)

一种用于真空光镊系统的微粒多次起支实验装置及方法

技术领域

本发明涉及光镊中微粒起支装置及方法，尤其是涉及了一种用于真空光镊 系统的微粒多次起支实验装置及方法。

背景技术

1971年，美国物理学家Ashkin等人使用一个透镜弱聚焦一束竖直向上传播 的激光，首次用光学方法稳定悬浮直径20um的玻璃微粒。1986年，他又发现 将单束激光强聚焦后，不依赖重力也可以将微粒稳定捕获，这种技术被命名为 光镊(optical tweezers)。2018年，Ashkin因发明光镊技术荣获诺贝尔物理学奖。 光镊的原理是强聚焦激光光束对介质微粒产生了一个始终指向焦点的作用力， 其大小与电场梯度成正比，故称为梯度力，该力使得介质微粒被三维囚禁在焦 点附近。光镊提供了一种可控制和测量微米至亚微米尺度物体特性的非接触、 无损的和高空间时间分辨率的优良手段，在生物学、高灵敏度传感和量子物理 等方面有着广泛的应用和诱人的前景。

Ashkin在首次实现真空中微粒悬浮时就曾经预言：“如果(空气的)粘滞 阻尼进一步减小，(真空光镊)将有可能用于实现陀螺仪和加速度计等惯性传 感器。”近年来，人们已经发现，若使捕获的介质微粒处在真空环境中，即隔 绝外部热力学噪声的影响，将带来远超过目前常规手段的测量精度。例如，耶 鲁大学的David Moore小组，在2017年已经实现了ng级的加速度测量灵敏度， 比目前室温下机械力学传感器可达到的探测灵敏度高3个数量级。真空光镊在 精密力学量测量和高性能惯性传感器等方面已展现出重要应用价值。

理论与实验均表明，对于空气中直径超过1um的二氧化硅微粒，激光在功 率100mW和聚焦数值孔径0.5条件下，在焦点附近光对微粒作用合力并不指向 焦点，而是沿着光传输方向。要形成指向焦点的作用力需要增大数值孔径。然 而高数值孔径需要多片透镜组合以抑制随物方孔径角增大而增大的像差或(和) 油浸介质环境，显著增加了光镊系统的体积与成本，并且油浸不适用空气或真 空光镊应用。因此聚焦数值孔径的增加受到限制。综合来说，在空气和真空环 境中仅使用单束强聚焦光束而不依赖重力等其他因素无法稳定捕获直径超过 1um微粒。另一方面，在高真空环境中，微粒最小可测量加速度值与√m(m是微粒质量)成反比，更高灵敏度的加速度测量需要更大质量的微粒。

两束强聚焦光束对射以捕获直径超过1um微粒是一种可行的光路替代方案。 该方案中要求两光束聚焦焦点重合，两光束光轴重合，重合程度直接影响微粒 的被捕获稳定性。由于激光器等器件很难兼容真空，一般会有部分光学元件放 置在真空腔外。将微粒从真空腔外送入腔内起支的方法被称为腔外起支。腔外 起支的缺点在于起支后需要封闭真空腔，在封闭真空腔的过程中会导致真空腔 内外光学元件发生相对位移，从而破坏两对射光束聚焦焦点的重合程度，影响 微粒的被捕获稳定性。

将微粒在真空腔内起支的腔内起支方法是一种避免上述光路破坏的替代方 案。但腔内起支次数受限于基板上能装载的微粒数量。通常单个基板上的剩余 微粒数量随已起支次数的增加呈指数下降趋势，每当该基板上的微粒震落耗尽， 就必须打开真空腔补充微粒，同时又破坏了对准光路。因此现有的腔内起支总 次数一般在十次量级。在实际工程应用中，微粒一旦脱离光镊焦点位置，光镊 仪器即停止工作，必须尽快起支微粒。因此多次腔内起支，有利于提高光镊仪 器的可维护性，延长光镊仪器的单次连续测量寿命。

另一方面，现有真空腔内直接起支微粒的方法中，由于需要借助重力和避 免使用光路调节困难的向上传播光束，基板不可避免在竖直向下传播的聚焦光 束的光路上。现有的基板选取透明材料方法，会因为基板及其上附着微粒在竖 直聚焦光束中产生像差而影响光镊系统测量精度；基板挖孔方法降低了起支微 粒时光束焦点上方附近的微粒面密度，减小了光束捕获微球的成功率。

因此研究一种真空腔内多次、高成功率起支微粒且不影响光镊系统测量精 度的装置及方法对提高整个光镊系统的运行稳定性、测量连续性和测量精度等 具有重要意义。

发明内容

针对目前光镊研究中，现有空腔内直接起支方法起支总次数一般在十次量 级，起支次数少，光镊系统的微粒捕获稳定性、测量连续性和测量精度等性能 不足的现状，本发明提出了一种用于真空光镊系统的微粒多次起支实验装置及 方法，能够实现将真空光镊系统中的微粒起支次数从数十次提高至数千次，进 一步保证了整体实验系统的稳定性，具有实际应用价值。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一、一种用于真空光镊系统的微粒多次起支实验装置：

装置包括真空腔以及位于真空腔内的聚焦光束、基板、超声波换能器、电 动平移台、金属箱、可移动底板和弹簧；电动平移台上面安装有超声波换能器， 超声波换能器上固定有基板；电动平移台侧方设有金属箱，金属箱内安装有可 移动底板，可移动底板底面和金属箱内底面之间连接有弹簧，可移动底板顶面 之上的金属箱上部腔内充满有微粒；聚焦光束在真空腔内，聚焦光束的焦点在 超声波换能器侧方和金属箱之间且位于基板和金属箱之间的正下方；基板靠近 金属箱的一端作为吸附端，吸附端加工成削尖的尖头形态，金属箱在靠近正对 基板吸附端的侧壁开设有槽口。

所述的微粒形状包括但不限于球状、棒状和哑铃状。

所述的微粒在空间三个维度上的径向尺寸在数纳米至数百微米之间。

所述的金属箱在靠近正对基板吸附端的侧壁开设有槽口的大小使得基板吸 附端恰好能插入。

所述的聚焦光束是由真空腔外的光源产生并入射到真空腔内的激光，但不 限于激光

还包括有超声波驱动器和平移台驱动器，超声波驱动器和平移台驱动器位 于真空腔外，超声波换能器经过导线连接超声波驱动器，电动平移台经过导线 连接平移台驱动器，分别由超声波驱动器和平移台驱动器控制超声波换能器和 电动平移台工作。

所述的聚焦光束的光轴方向包括但不限于平行于或垂直于电动平移台和金 属箱之间的连线方向，也包括但不限于水平方向和竖直方向。

所述基板材质包括但不限于陶瓷、玻璃和金属。

所述的超声波换能器是指将电能转化为振动动能的元件，包括但不限于压 电陶瓷、旋转永磁电机。

所述的电动平移台是指将电能转化为平移动能的元件，包括但不限于压电 致动器、直线永磁电机。

所述的基板吸附端的三维尺寸在毫米数量级。

二、一种真空光镊微粒多次起支实验方法：

步骤1)：装载微粒：电动平移台向靠近金属箱方向移动使基板吸附端插入 金属箱槽口，使得基板吸附端下表面通过吸附附着上一批微粒；

步骤2)：捕获微粒：电动平移台向远离金属箱方向移动使得基板吸附端位 于聚焦光束焦点正上方，超声波换能器工作振动带动基板振落若干微粒，微粒 重力下落经过聚焦光束焦点处时其中一颗被光辐射压力捕获；

步骤3)：电动平移台再向远离金属箱方向移动使得基板前端移出光束聚焦 处正上方，使得聚焦光束的焦点处正上方处在无遮挡状态，即使得被捕获的微 粒正上方处在无遮挡状态；

步骤4)：针对被捕获的微粒进行光镊实验；

步骤5)：实验过程中，若聚焦光束的焦点处的微粒丢失后，且基板吸附端 下表面还附着有微粒，则重复步骤2)-4)再次起支微粒，继续进行实验；

若聚焦光束的焦点处的微粒丢失后，且基板吸附端下表面未附着有微粒但 金属箱内还存在微粒，则重复步骤1)-4)再次起支微粒，继续进行实验；

否则，打开真空腔，向金属箱内补充微粒，再重复步骤1)-4)再次起支微粒， 继续进行实验。

步骤2)中基板吸附端抽出金属箱槽口时，基板吸附端下表面附着上了微粒， 金属箱中微粒数量减少，内腔体积也减小，处于压缩状态的弹簧向上推动可移 动底板压缩内腔空间，使得微粒始终处于充满压紧状态，使得下一次重复步骤 1)时，基板吸附端能充分与微粒接触，增加附着面密度。

所述步骤2)中基板下表面附着的微粒数量相比于金属箱内的微粒数量至 少低两个数量级，而基板下表面附着的微粒供重复起支多次。

本发明上述这样装置和起支方法能保证数千次量级的起支次数，相对传统 在真空腔外在基板下表面装载微粒的起支方法性能可提高两个数量级。

步骤1)、2)、3)中聚焦光束的焦点束腰尺寸在十分之一微米至数十微米之间， 所述的电动平移台的行程范围只要能保证，后移可使得基板移出聚焦光束焦点 正上方，从而使得处在焦点附近的被捕获微粒正上方处在无遮挡状态，为后续 观测保留空间。

基板插入深度比聚焦光束的焦点束腰尺寸高一到两个数量级即可。因此所 述的电动平移台的行程范围不超过数毫米量级，该设计有利于减小整体装置体 积。

本发明在步骤3)中焦点附近的被捕获微粒正上方处在无遮挡状态，为后续 观测保留空间，相对于基板选取透明材料，该方法有利于避免基板及其上附着 微粒在竖直光路中产生的像差。这样相对于在聚焦光束焦点正上方的基板位置 挖孔，该方法提高了起支微粒时光束焦点上方附近的微粒面密度，大大增加了 光束捕获微球的成功率。

本发明的有益效果是：

本发明避免了腔内起支后关闭真空腔破坏光路，影响光镊系统微粒捕获稳 定性和测量精度；通过设置腔内加载微球至基板上的平移台和金属箱等元件， 将现有腔内起支次数从典型的数十次量级提高到数千次量级，并相对现有基板 选取透明材料和基板挖孔方法避免了竖直聚焦光束光路像差并增加了光束捕获 微球的成功率。

因此本发明具有实际应用价值，能够提高整个光镊系统的捕获稳定性、测 量连续性和测量精度。

附图说明

图1为本装置的元件结构示意图；

图2为实施例一中步骤1)的元件结构示意图；

图3为实施例一中步骤2)的元件结构示意图；

图4为不同初速度下，微球速度达到平衡速度时已经下落的距离曲线图；

图5为实施例一中步骤3)的元件结构示意图。

图中，1、聚焦光束，2、基板，3、超声波换能器，4、电动平移台，5、微粒，6、金属箱、7、可移动底板，8、弹簧，9、真空腔、10、超声波驱动器，11、平移台驱动器。图中各元件尺寸并不代表元件实物尺寸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施装置包括真空腔9以及位于真空腔9内的 聚焦光束1、基板2、超声波换能器3、电动平移台4、金属箱6、可移动底板7 和弹簧8；电动平移台4上面安装有超声波换能器3，超声波换能器3上固定有 基板2；电动平移台4侧方设有金属箱6，微粒5、可移动底板7和弹簧8均装 在金属箱6内，金属箱6内安装有可移动底板7，可移动底板7底面和金属箱6 内底面之间连接有弹簧8，可移动底板7顶面之上的金属箱6上部腔内充满有微 粒5。可移动底板7在微粒下方位置，弹簧8始终处于压缩状态，元件3至元件 8均属于真空兼容元件。

聚焦光束1在真空腔9内，聚焦光束1是由真空腔9内的光源产生发射出 的激光，但不限于激光。聚焦光束1的焦点在超声波换能器3侧方和金属箱6 之间且位于基板2和金属箱6之间的正下方；基板2靠近金属箱6的一端作为 吸附端，吸附端加工成削尖的尖头形态，金属箱6在靠近正对基板2吸附端的 侧壁开设有槽口。

电动平移台4带动超声波换能器3水平移动进而带动基板2水平移动，使 得基板2的吸附端水平插入到金属箱6的槽口中。金属箱6在靠近正对基板2 吸附端的侧壁开设有槽口的大小使得基板2吸附端恰好能插入。电动平移台4 行程范围内，向远离金属箱6方向移动使得基板2移出聚焦光束1焦点正上方， 从而使得处在焦点附近的被捕获微粒正上方处在无遮挡状态，向靠近金属箱6 方向移动使得基板2吸附端插入金属箱6槽口。

具体实施还包括有超声波驱动器10和平移台驱动器11，超声波驱动器10 和平移台驱动器11位于真空腔9外，超声波换能器3经过导线连接超声波驱动 器10，电动平移台4经过导线连接平移台驱动器11，分别由超声波驱动器10 和平移台驱动器11控制超声波换能器3和电动平移台4工作。

本发明的实施例及其实施过程如下：

步骤1)：

如图2所示，电动平移台前移使基板前端尖部插入金属箱槽口，使基板前 端尖部与微球接触。在干燥环境下，微粒受到粘附力主要来源于玻璃基板表面 的范德华尔斯力。在干燥的电中性环境中，粘附力的大小可通过 Derjaguin-Muler-Toporov模型得到：

F_sphere-flat＝4πrγ (1)

公式(1)中r为微粒的半径，γ为微粒与基板表面之间的有效表面能。假设微 粒是直径2r＝10μm，密度ρ＝1.05g/cm³的聚苯乙烯微球，有效表面能典型值 γ＝0.014J/m²利用上式可以估算出微粒脱离基板表面所需的加速度为：

计算得需要提供a₀≈1.6×10⁶m/s²的加速度，m为微球质量。该加速度远大 于重力加速度a≈9.8m/s²，说明微球将附着在基板前端表面而不会因重力脱落， 待基板抽出时会随基板一同离开金属箱。

步骤2)：

如图3所示，电动平移台后移使得基板前端在水平聚焦光束焦点正上方。 超声波换能器带动基板振动。假设超声波换能器使用压电陶瓷，压电系数为 d₃₃＝100nm/V，超声波驱动器对超声波换能器施加频率f＝300kHz，幅度 V_A＝150V的正弦波形电压，则压电陶瓷振动加速度幅度为：

a₁＝(2πf)²V_Ad₃₃ (3)

计算得可提供a₁≈5.3×10⁷m/s²的加速度，即换能器能够提供的加速度是振 落微球所需加速度的33倍，基板振动足够振落微球，微球将在重力作用下竖直 下落。

微球的空气阻尼系数为：

公式(4)中η为空气的动力粘度。K_n＝l/r 是克努森数，l为气体分子的平均自由程，与环境气压成反比。假设常温常压下， 则根据上式微球的空气阻尼系数约为3×10³kg·m^-1·s^-1。以向下为正方向，微球 下落的运动方程为：

ma＝mg-Γ₀v,v(0)＝v₀,x(0)＝0 (5)

公式(5)为一阶常微分方程，v₀是微球脱离基板时的初速度，g为重力加速 度。解得微球位移方程：

x＝ρgt-ρ(ρg-v₀)(1-e^-t/ρ) (6)

公式(6)中ρ＝1/Γ₀。可知微球在下落过程中逐渐接近重力与空气阻力平 衡的状态，之后匀速下落，力平衡时微球速度为v₁＝g/Γ₀。图4给出了不同初 速度v₀下，微球速度达到平衡速度v₁的95％至105％以内(称为准平衡)时已 经下落的距离d_eq。图4中3.0＜v₀＜3.5mm·s^-1时因为该初速度范围即在平衡速 度v₁的95％至105％以内，所以d_eq始终为零，在图4双对数图中未能显示。受正 弦波形电压，换能器振动可近似为简谐运动，在基板向上运动时，微球与基板 之间的范德华力不足以提供微球随基板向上的加速度时，微球便会脱落。基板 在最低处其加速度最大，速度为零，此时微球最有可能脱离，且脱离后下降初 速度为零，由图4可知下降2μm后速度即达到平衡速度v₁的95％。另一方面， 即使微球在经过基板平衡位置时脱落，此时初速度向上，值为：

v₂＝2πfV_Ad₃₃ (7)

计算得v₂＝2.8m·s^-1，由于空气阻力，微球上抛后下落回到基板平衡位置时 的速度v₂'＜2.8m·s^-1，由图4可得，该情况下微球速度达到平衡速度v₁的95％至 105％范围已下落的距离d_eq≤1mm。综上所述，当基板下表面与水平聚焦光束焦 点距离d_base≥1mm时，微球到达水平聚焦光束焦点上侧束腰位置处的速度将始终 在平衡速度v₁的95％至105％范围内。

微球在重力作用下竖直下落经过水平聚焦光束焦点。假设水平聚焦光束为 数值孔径NA₁＝0.5，波长λ＝1.064μm的高斯光束，则其束腰半径为：

公式(8)中n_medium表示微球周围环境的折射率，假设环境为空气，n_medium＝1。 计算得ω₀≈0.6μm。根据广义米氏理论模型，直径2r＝10μm，密度ρ＝2.3g/cm³的二氧化硅微球在水平聚焦光束焦点附近，受到垂直于光轴方向始终指向光轴 的光辐射压力，。其由于水平聚焦光束的轴对称性，光辐射压力关于光轴对称。 一般竖直聚焦光束的数值孔径远小于水平聚焦光束，其产生的光辐射压力可忽 略不计。又先忽略空气阻力，微球降落至水平聚焦光束焦点下侧束腰位置处的 速度满足：

计算得v₂≈5.8mm·s^-1。此时微球受到向上的光辐射压力而减速。在束腰半 径处收到的光辐射压力约为F_opt＝100pN。减速为零前已走的距离d_stop为：

计算得d_stop≈0.03μm＜＜ω₀，因此微球在减速至停止后仍受到同等量级方向 向上的光辐射力，将向上运动返回焦点。以上忽略了空气阻力影响。在空气阻 力作用下，微球从飞掠水平光束焦点到到停止运动的距离会小于d_stop，接着在 焦点处上下跳动，直到耗尽阻力和重力相平衡时的动能mv₁ ²/2而被水平聚焦光 束捕获。

综上所述，当基板下表面与水平聚焦光束焦点距离d_base≥1mm时，若从基板 脱落的微球在水平聚焦光束焦点的正上方，且脱离速度方向刚好指向或背向焦 点，则该微球必定被水平聚焦光束捕获在焦点附近。上述量化分析过程论证了 本发明装置起支微球的可行性。

步骤3)：

如图5所示，电动平移台后移使得基板前端移出光束聚焦处正上方，使得 竖直聚焦光束不被基板遮挡而能直接聚焦在微粒上。设竖直聚焦光束的数值孔 径NA₂＝0.005，基板下表面与水平聚焦光束焦点距离d_base＝1mm，则在基板下 表面竖直聚焦光束的束腰半径ω₂为：

ω₂＝d_basetan(asin(NA₁/n_medium)) (11)

计算得ω₂＝5μm，说明电动平移台至少需要后移10μm才能移出光束聚焦处 正上方，使得竖直聚焦光束不被基板遮挡而能直接聚焦在微粒上。

步骤4)：

若金属箱内还存在微粒，则直接重复步骤1)、2)、3)再次起支微粒。否 则，打开真空腔，向金属箱内补充微粒，再重复步骤1)、2)、3)。假设基板 上下表面微球覆盖形状为正三角形，边长a为水平聚焦光束焦点处束腰直径2ω₀的100倍，以使得脱落微球群充分包围水平聚焦光束的焦点，提高微球被捕获 的成功率。则电动平移台在步骤2)和步骤3)中一共需要后移的距离d_move为：

公式(12)中max{}表示对大括号里面的项目取最大值，计算得 d_move＝207μm。综上所述，上述结构下本发明中电动位移台的行程范围只需不 超过207μm。

另一方面，考察在上述结构下本发明中微球能够起支的次数。假设基板上 下表面均单层覆盖微球50层，即微球层总厚度0.5mm，忽略基板侧面附着的微 球，则基板上所有附着微球的总体积V_base为：

计算得V_base＝2.7×10^-11m³。假设金属箱的尺寸为V_box＝1cm³＝10^-6m³，每次 抽出基板时，基板附着微球数占抽出微球数的1/100，其它微球都掉落至金属箱 外别处。附着在基板上的微球平均可起支10次。则总可起支次数N_lanuch为：

计算得N_lanuch≈3704。综上所述，上述结构下本发明中微球的起支次数可达 数千次量级，相比于现有的腔内方法能提供数十次起支，起支次数提高了两个 数量级。

综上上述可见，本发明的装置和方法，避免了腔内起支后关闭真空腔破坏 光路，影响光镊系统微粒捕获稳定性和测量精度；通过设置腔内加载微球至基 板上的平移装置，将现有腔内起支次数从典型的数十次量级提高到数千次量级。 因此本发明具有实际应用价值，能够提高整个光镊系统的捕获稳定性、测量连 续性和测量精度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本 发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落 入本发明的保护范围。