1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
悬浮光力传感技术利用真空环境的光阱实现对微纳尺度机械振子的悬浮和囚禁，将待测物理量转换为光悬浮机械振子运动参数的变化，理论上该振子与外部环境热噪声和振动完全隔绝，具有极高的测量分辨率潜力和易于小型化的独特优势。该技术在精密测量、微观热力学研究、暗物质观测、宏观量子态操控等领域具有广阔的应用前景。首先，阐述了悬浮光力系统中光力与光阱的基础概念和力学测量等基本理论；其次，介绍了其中初始起支、光力增强、位移测量、输出信号标定和等效反馈冷却等关键技术的研究进展，对比分析各子技术的特点，随后列举了悬浮光力传感技术在极弱力、加速度、微观质量、电学量、力矩等物理量测量中的典型应用；最后，总结了该技术的发展趋势，并提出相关建议。
悬浮光力学 量子传感 光阱 精密测量 levitated optomechanics quantum sensing optical tweezers precision measurements 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230193
国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
光镊具有非接触、低损伤和适用范围广等特性,被广泛应用于生命科学、纳米科技等领域。光镊系统通过调制束缚光场操控机械振子的运动,借助光动量和角动量的检测获取振子的运动状态,以实现对振子物理参量的精密测量。与传统液体光镊系统不同,真空光镊系统中的机械振子可获得与外界环境近乎完全隔离的状态,具有超高灵敏度的探测能力,是精密测量和基础物理研究的理想平台。首先介绍了真空光镊系统相关的基础理论,然后介绍了真空光镊系统的实验配置方案及其在精密测量中的典型应用,最后总结了真空光镊系统的发展现状,并给出了未来的发展建议。
激光光学 真空光镊系统 精密测量 反馈冷却
国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
针对双光束光阱轴向光阱刚度小、捕获稳定性差的缺点,提出利用四光束光阱捕获和操控微粒。采用射线模型对比分析了双光束光阱与四光束光阱在力学特征上的差异,设计制备了四光束光阱芯片。用其捕获半径为5 μm的聚苯乙烯微球,并采用均方位移法对其轴向光阱刚度进行标定。仿真和实验结果均表明,四光束光阱中轴向光阱的刚度与双光束光阱的横向光阱刚度相当,且远大于双光束光阱的轴向光阱刚度。四光束光阱在保持双光束光阱横向捕获稳定性的同时,提高了轴向捕获稳定性,对微纳颗粒的稳定操控有重要意义。
激光捕获 多光束光阱 光阱刚度 激光与光电子学进展
2020, 57(13): 131401
1 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
以超连续谱激光器作为捕获光源, 首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统, 实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置, 采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换, 计算得到功率谱, 与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明, 捕获光束的功率为28 mW时, 光阱刚度达到1.3×10-6 N/m, 高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同, 超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势, 通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。
超连续谱 光纤光阱 光阱刚度 操控 supercontinuum fiber optical trap stiffness of optical trap manipulation
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
针对自主研制的Y 型腔正交偏振He-Ne 双频激光器，利用Lamb 半经典理论分析抽运电流、工作点和谐振腔损耗等因素对闭锁阈值频差的影响规律。搭建了Y 型腔正交偏振双频激光器闭锁阈值频差测量系统，从实验上开展对双频激光器闭锁阈值频差影响因素研究。通过改变抽运电流值和公共腔镜上压电陶瓷电压研究抽运电流和工作点对激光器闭锁阈值频差影响。实验结果表明，激光器闭锁阈值频差随抽运电流值增加而减小，工作点越靠近增益曲线中心，激光器闭锁阈值频差越小。当激光器抽运电流值大于2.2 mA 时，调节公共腔压电陶瓷电压至最佳工作点处，激光器闭锁阈值频差可降至几兆赫兹甚至更低。
激光器 Y 型腔 闭锁阈值频差 抽运电流 工作点 中国激光
2015, 42(10): 1002001
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
为了实现微米级物体快速、高精度位置测量，弥补传统利用CCD 成像直接探测法的不足，采用后焦面法实现了光阱环境中微粒小球的位置探测。阐述了后焦面法位置探测的基本原理和实现方法，并搭建实验光路，实现了模拟光阱环境中微米小球位置的快速精确测量。理论分析及实验结果表明：这种方法位置探测分辨率可达80 nm、响应频率达到800 Hz，将其用于光阱环境中微米小球的位置探测是切实可行的。
测量 后焦面法 位置探测 光阱 散射 激光与光电子学进展
2015, 52(7): 071204
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
激光扫描技术是以激光扫描仪为核心发展迅速的一种新型空间数据获取手段。利用低成本的二维激光扫描仪实现针对目标物体的三维重建，为此对基于二维激光扫描技术的三维重建过程中所涉及的相关技术进行了研究分析，为后续开展三维重建的实验研究奠定理论基础。同时在构建基于二维激光扫描仪（LMS291）的三维重建实验系统的基础上，研究分析了LMS291在平动和转动两种不同工作模式下的工作特点并通过Matlab编写程序进行数据处理，利用Matlab和Fledermaus软件生成三维重建效果图，得出并分析了重建结果。通过以上内容验证了构建的模型和所用方法的可行性及工作系统的可靠性，对进一步展开相关研究具有一定意义。
激光光学 二维激光扫描仪 数据处理 三维重建 光学学报
2014, 34(s2): s228001
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
基于T矩阵方法，建立了双光束光阱中米氏微粒的光阱力计算模型。分析了光束相干性对光阱力的影响，即当捕获光为相干光时，两束光产生干涉，形成驻波，虽然能增加光阱力的大小，但由于形成包络峰，使得光阱力线性区域大大减少，不利于对光阱力进行分析以及标定。研究了在非相干条件下，被捕获微粒尺寸、光束辐射角、相对折射率和捕获激光波长对光阱力的影响。通过仿真，得出知被捕获微粒半径为1~5 μm、捕获波长为980~1064 nm、光束辐射角为40°~60°时，双光束光阱的捕获效果最好，且随着相对折射率的增大，光阱阱深减小，捕获范围增加。
光学设计 双光束光阱 光阱力 T矩阵 优化设计 光学学报
2014, 34(s2): s214004
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
建立了基于波长调制的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)传感器系统中整形光路和探测光斑直径与会聚角关系的理论模型。分析了探测光束会聚角对SPR传感器共振波长、共振曲线半峰全宽和共振峰深度的影响。随着探测光束会聚角的减小，共振波长增大，共振曲线的半峰全宽减小，共振峰深度增大，传感器的抗干扰能力增强，系统分辨率提高。通过实验对此进行了验证，考虑会聚角时实验与仿真结果符合得较好；会聚角从0.8°减小到0°时，共振波长从662 nm减小到623 nm，共振曲线半峰全宽从157 nm减小到117 nm，共振峰深度从70.5%增大到93.3%。
传感器 会聚角 表面等离子体共振 反射率 中国激光
2013, 40(10): 1014001
