一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的装置及方法与流程

1.本发明属于光场强度分布测量领域，具体涉及一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的装置及方法。


背景技术：

2.随着激光技术的发展，其广泛应用于工业、农业、军事、天文等领域中，而对于激光技术而言，影响其应用的核心指标之一为光场强度分布，传统的光场强度分布测量方法一般为ccd成像法，利用面阵ccd探测器可对可见光和近红外激光光场进行光场强度分布测量，即使选用高性能高分辨率的ccd探测器，但其测量的空间分辨率由于受探测器的像元限制，目前最高为微米量级。对于尺寸在亚微米至纳米量级的光场分布测量，现有的手段尚且无法准确实现高空间分辨率的测量。


技术实现要素：

3.为克服现有技术针对激光光场强度分布测量中空间分辨率的不足，本发明提供一种新的光场强度分布测量手段，并提供更高的空间分辨率。
4.一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的方法，包括以下步骤：
5.1)标定：利用光镊悬浮纳米微粒，将纳米微粒置于光场中，对纳米微粒施加电场，标定纳米微粒参数，并且通过调控电场力大小得到电场力大小对应纳米微粒偏离光镊光阱中心位置位移的关系；
6.2)测量：将纳米微粒置于待测光场中，由于纳米微粒尺寸远小于待测光场的波长，置于待测光场时纳米微粒会发生瑞利散射，其散射光光强与纳米微粒所在待测光场位置处的光强成正比，利用光电探测器采集纳米微粒的散射光信号，计算得到该位置的光场强度；施加不同方向和大小的电场改变纳米微粒在待测光场中的位置，采集不同位置的散射光信号，通过解算即可实现待测光场的光场强度分布测量。
7.上述技术方案中，进一步地，所述的步骤1)具体为：
8.利用激光观察卡确定光镊光阱和待测光场的位置，将光镊光阱区域置于待测光场中，光镊光阱捕获纳米微粒且稳定后，施加一个确定大小的直流电压，纳米微粒受到直流电压形成的电场力的作用在光镊光阱区域产生位移。施加不同电场力对纳米微粒产生的位移不同，施加直流电压大小与固定电荷量的纳米微粒的位移之间的线性关系可在实验之前标定。探测纳米微粒施加一定大小电场力后的位移信号的变化，解算确定粒子的带电量，以及施加直流电压(v)与该纳米微粒偏离光镊光阱中心位置位移(d)之间的关系式d(v)。
9.更进一步地，所述的步骤2)具体包括以下步骤：
10.21)将直流电压源设置为0，记录纳米微粒的初始位置l0，并且收集纳米微粒散射光，记录散射光强度s0；改变施加直流电压大小，v1、v2、v3
…
vn(n表示电压改变次数)，将电压代入施加电压与纳米微粒偏离光镊光阱中心位置位移关系式d(v)，依次记录纳米微粒位置l1、l2、l3
…
ln，同时记录纳米微粒散射光强度s1、s2、s3
…
sn，完成该直线方向扫描后，将
直流电压源设置归零，纳米微粒恢复至初始位置；
11.22)在待测光场横截面内，以纳米微粒为中心，改变电场方向，重复上述步骤2)，直至完成对待测光场的扫描；
12.23)对纳米微粒散射光强度进行归一化处理，得到三维空间内待测光场的光场强度分布。
13.本发明还提供一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的装置，所述装置包括激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第一反射镜、第一反射镜、物镜、电极、纳米微粒、第三准直透镜、四象限探测器、直流电压源、光电探测器和上位机；
14.所述的激光器出射捕获激光，经过第一准直透镜和第二准直透镜进行扩束准直，依次经过第一反射镜、第二反射镜和物镜会聚形成光镊，纳米微粒被捕获于光镊光阱中，稳定悬浮于空气中，纳米微粒对捕获激光的散射光b经过第三准直透镜准直被四象限探测器收集，形成的电压数据由上位机解算，得到纳米微粒的信息；纳米微粒在待测光场a中不同位置产生的散射光c由光电探测器收集，形成的数据由上位机进行处理；直流电压源在电极两端提供稳定的电压输出，形成稳定的电场，纳米微粒带有电荷，在电场中受力，产生位移，通过调节直流电压的大小控制位移量，实现纳米微粒在待测光场中不同位置的移动；
15.所述装置可采用上述方法对光场强度分布进行测量。
16.进一步地，所述的纳米微粒为光学均匀介质球，直径大小在200纳米以下，材料是二氧化硅。
17.进一步地，所述的电极可根据待测光场a的不同，选择不同放置位置和方向。
18.进一步地，所述的光电探测器收集纳米微粒的散射光c，其散射角度选择60
°
～120
°
。
19.本发明的有益效果为：
20.本发明利用光镊悬浮纳米微粒于待测光场中产生的瑞利散射现象实现点位光场强度测量，通过电场力实现纳米微粒非接触式纳米级的位置移动，扫描不同位置的光场强度，从而可实现光场强度分布的原位测量，且具有纳米级的空间分辨率，可用于微米级小尺度光场强度分布的精密测量。
附图说明
21.图1为本发明装置的一种结构示意图；
22.图2为待测光场横截面电极移动示意图；
23.图3为归一化的光场强度分布示意图；
24.其中，激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、物镜6、电极7、纳米微粒8、第三准直透镜9、四象限探测器10、直流电压源11、光电探测器12和上位机13。
具体实施方式
25.以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
26.本发明公开了一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的方法。当纳米微粒位于待测激光光场中，若微粒尺寸远小于激光波长，就会发生瑞利散射现象，散射光的光强i为：
[0027][0028]
其中ia为纳米微粒所处光场位置处的光强，θ为散射角度，即光电探测器探测方向与光束传播方向之间的夹角，d为光电探测器与纳米微粒之间的距离，λ为光波长，n为微粒与环境介质之间的相对折射率，r为微粒的半径。由上式可知，散射光光强与微粒所在位置处的光强成正比。通过光镊光阱捕获纳米微粒，将纳米微粒置于待测光场中，通过电极施加电场，微粒带电产生电场力，受电场力作用改变纳米微粒在待测光场中的位置，利用光电探测器收集其散射光，改变电场方向和大小改变纳米微粒的位置，记录不同位置的散射光光强，在空间中逐点扫描，最后经过上位机解算即可完成待测光场强度分布的测量。
[0029]
本发明选用直径在200nm以下的微粒，近红外波段即可满足瑞利散射的条件，由于纳米微粒本身会吸附电荷，在用激光将其捕获于光镊光阱区域后，对其施加一定电场，纳米微粒受电场力的作用在光镊光阱中会产生位移，该位移可用四象限探测器采集微粒信号解算得到。由于电极产生的电场强度取决于电极两端的电压，因此理论上微粒的位移d与电极两端的电压v存在对应关系：
[0030]d∝
βv
[0031]
其中β为需要标定的系数，在测量前通过改变电极两端的电压，获得纳米微粒对应的位置信息，标定位移d与电极两端电压v之间的系数β。由于电压可以调控至mv甚至μv，因此本发明的空间分辨率理论上可以无限小，最后纳米微粒位移d受限于纳米微粒的尺寸和光镊光阱捕获区域的大小。
[0032]
如图1所示，本发明一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的装置，包括激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、物镜6、电极7、纳米微粒8、第三准直透镜9、四象限探测器10、直流电压源11、光电探测器12和上位机13。
[0033]
所述的激光器1出射捕获激光，经过第一准直透镜2和第二准直透镜3进行扩束准直，依次经过第一反射镜4、第二反射镜5和物镜6成为形成光镊，纳米微粒8被捕获于光镊光阱中，并稳定悬浮于空气中，纳米微粒8对捕获激光的散射光b经过第三准直透镜9准直被四象限探测器10收集，形成的电压数据由上位机13进行处理；纳米微粒8在待测光场a中产生的散射光c由光电探测器12收集，形成的数据由上位机13进行处理；直流电压源11在电极7两端提供稳定的电压输出，形成稳定的电场，纳米微粒8带有电荷，在电场中受力，产生位移，通过调节直流电压的大小控制位移量，实现纳米微粒8在待测光场a中的位移控制。
[0034]
电极7可根据待测电场a和测试的需求进行定制，不局限于图1中的样式，材料是紫铜或其他电极材料。
[0035]
纳米微粒8为光学均匀介质球，直径尺寸以200nm以下为宜，微粒形状为球形，材料是二氧化硅，表面带电荷。
[0036]
四象限探测器10收集纳米微粒11散射光与捕获光产生的远场干涉信号，用于获取解算纳米微粒11的信息和标定施加电场电压大小与纳米微粒11位移的关系。
[0037]
光电探测器12收集纳米微粒8对于待测光场a的散射光c，其探测波长需与待测光场a的波长相匹配；收集散射光c的散射角度可以选择0
°
～180
°
，优选60
°
～120
°
。当散射角度为0
°
时为前向散射光，散射角度为90℃时为正侧向散射光，散射角度为180℃时为后(背)向散射光；通常采用侧向散射光，相比于前向散射光可以排除光场自身的干扰，相比于后向
散射光，探测结构更加简单。
[0038]
光电探测器12用于获取光强信号，不局限于ccd或cmos等，其可以获得与光强直接相关的物理量即可，该物理量可以为光强、光功率和亮度等，记该物理量为s，记光强为i，则应满足s
∝
i。
[0039]
利用直流电压源使电极两端产生电势差，电极之间形成电场，对带电荷的纳米微粒产生电场力，纳米微粒发生移动，相对稳定于与光阱梯度力平衡的位置，通过调节电极两端的电压大小与方向调节电场力大小从而控制纳米微粒在待测光场中的位置，实现对待测光场的扫描。
[0040]
所述的待测光场的光波长在近红外波段，纳米微粒11的尺寸为200nm以下，纳米微粒尺寸远小于光波长，纳米微粒发生瑞利散射，散射光光强与纳米微粒所在位置处的光强ia成正比。
[0041]
该测量方法的测量步骤如下：
[0042]
(1)利用激光观察卡确定光镊光阱和待测光场的位置，移动整个装置将光阱区域置于待测光场中,待光镊光阱捕获纳米微粒且稳定后,对电极施加确定大小的直流电压，电极产生电场，对带电纳米微粒产生一定大小的电场力，纳米微粒受到电场力的作用在光镊光阱中产生位移。施加不同电场力对纳米微粒产生的位移不同，施加直流电压大小与固定电荷量小球的位移之间的线性关系可在实验之前标定。实验中通过四象限探测器探测纳米微粒施加一定大小电场后的位移信号的变化，由上位机解算确定纳米微粒的带电量，以及得到施加电压(v)与该纳米微粒位移(d)之间的关系d(v)(v表示施加电压)；
[0043]
(2)将直流电压源设置为0，记录纳米微粒的初始位置l0，并且利用光电探测器收集纳米微粒散射光，记录其输出值s0；改变施加直流电压大小，v1、v2、v3
…
vn(n表示电压改变次数)，将电压代入施加电压与纳米微粒位移关系式d(v)，依次记录微球位置l1、l2、l3
…
ln，同时记录光电探测器对微粒散射光强度的输出值s1、s2、s3
…
sn，完成该直线方向扫描后，将直流电压源设置归零，纳米微粒恢复至初始位置。
[0044]
(3)如图2，在待测光场横截面，以纳米微粒为中心，改变电极位置，重复上述步骤(2)，直至完成对待测光场的扫描；
[0045]
(4)对探测器输出值(即纳米微粒散射光强度)进行归一化处理，得到三维空间内待测光场的相对光场强度分布。
[0046]
应用实施例
[0047]
激光器1可采用1064nm连续激光器，实施过程中激光器输出稳定，即捕获光的光功率保持稳定。
[0048]
纳米微粒8选用标称直径为150nm的二氧化硅微球，其粒径标准偏差小于5nm，将其原液用酒精稀释后使用雾化器雾化于空气中，被光阱捕获，通过四象限探测器的信号判断是否为单微粒。
[0049]
光电探测器12可选用光功率计，与纳米微粒11相距10mm，测量选60
°
散射角度处的散射光强。
[0050]
待测光场a的波长为808nm，电极方向垂直于光场传播方向。
[0051]
实施步骤：
[0052]
(1)开启1064nm激光器，经过物镜后形成稳定的光镊光阱，用激光观察卡确定待测
光场的位置，移动光阱至待测光场中；
[0053]
(2)将纳米微粒原液用酒精稀释后使用雾化器雾化于光镊光阱附近，等待光阱捕获纳米微粒，通过观察四象限探测器信号判断是否捕获纳米微粒以及捕获的是否为单个纳米微粒，并通过四象限探测器信号标定纳米微粒运动信息；
[0054]
(3)对电极两端施加不同大小的电压，通过四象限探测器采集的信号，标定施加电压(v)与该纳米微粒位移(d)之间的关系d(v)(v表示施加电压)；
[0055]
(4)将直流电压源设置为0，记录纳米微粒的初始位置l0，并且利用光电探测器收集纳米微粒散射光，记录其输出值s0；改变施加直流电压大小，v1、v2、v3
…
vn(n表示电压改变次数)，将电压代入施加电压与纳米微粒位移关系式d(v)，依次记录微球位置l1、l2、l3
…
ln，同时记录光电探测器对微粒散射光强度的输出值s1、s2、s3
…
sn，完成该直线方向扫描后，将直流电压源设置归零，纳米微粒恢复至初始位置；
[0056]
(5)在待测光场横截面内，以纳米微粒为中心，改变电极位置，重复上述步骤(3)，直至完成对待测光场的扫描；
[0057]
(6)对探测器输出值进行归一化处理，得到三维空间内待测光场的相对光场强度分布。如图3，以待测光场某横截面为例，其相对光强分布扫描图中，x轴和y轴为截面坐标轴，z轴为光场相对强度。
[0058]
最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围当中。