CN113568181B - 一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***及方法。包括真空腔、微纳粒子、起支装置、光镊装置和探测反馈装置；微纳粒子附着于起支装置上，附着有微纳粒子的起支装置设置于真空腔内，光镊装置和探测反馈装置进行光路连接；光镊装置产生捕获光，用于捕获真空腔内的光阱捕获区中的微纳粒子；探测反馈装置产生冷却光，用于冷却消耗微纳粒子的质心运动能量，从而稳定微纳粒子。方法用于实现***稳定捕获微纳粒子。本发明利用反馈冷却的手段，可以实现在高真空条件下直接用光镊捕获微纳粒子。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域的一种在真空条件下用光镊捕获粒子的***及方法，具体涉及了一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***及方法。
背景技术
真空光镊是一种可以应用于精密传感和基础物理探索的技术手段。它可以用于测量极弱力学量，包括力、加速度、力矩等。也可以用于探究诸如宏观量子效应、非牛顿引力、卡西米尔力等基础物理问题。由于真空光镊体系中的悬浮微纳粒子与外界环境没有机械接触，因此可以很好地隔绝环境噪声，从而达到很高的测量精度。
为了达到精密测量和基础物理探索所需的测量精度，需要在高真空的条件下进行测量，但是光镊的保守阱属性使得捕获粒子的过程必须存在耗散力，因此现有的技术手段需要在大气环境或低真空度的条件下，利用空气阻尼带来的耗散力才能捕获粒子，然后一边保持粒子的捕获，一边降低气压，以达到测量所需的高真空条件。粒子在抽真空过程中受各种噪声的影响，极易逃逸出光镊的光阱捕获区，一旦逃逸，又必须重复低真空捕获再抽真空的过程。这样频繁地改变测量区域的压强是基于真空光镊***的精密测量装置走向实际应用必须解决的关卡。因此，有必要发展一种新的捕获手段，能够在高真空的条件下直接捕获微纳粒子，使得真空光镊在应用过程中的捕获过程和测量过程能在同样的气压下进行。
但是现有的技术手段是依靠低真空度下气体分子与微纳粒子的随机碰撞概率很高，从而使得微纳粒子的质心运动能量得到耗散，能够比较容易地被光镊束缚住。而在高真空下气体分子与微纳粒子的随机碰撞的概率很低，因此现有的技术无法在高真空条件下实现粒子的捕获。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***及方法。
本发明所采用的技术方案是：
一、一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***
***包括包括真空腔VC、微纳粒子MS、起支装置LP、光镊装置和探测反馈装置；
微纳粒子MS附着于起支装置LP上，附着有微纳粒子MS的起支装置LP设置于真空腔VC内，光镊装置和探测反馈装置进行光路连接；光镊装置产生捕获光，用于捕获真空腔VC内的光阱捕获区中的微纳粒子MS；探测反馈装置产生冷却光，用于冷却消耗微纳粒子MS的质心运动能量，从而稳定微纳粒子MS。
所述光镊装置包含捕获光源LS、半波片HWP、第一偏振分光镜PBS1、第一反射镜M1、二向色镜DM、第一凸透镜L1、第二反射镜M2、第一分光镜BS1、第三反射镜M3、第二偏振分光镜PBS2和第二凸透镜L2；
捕获光源LS产生捕获光，捕获光经半波片HWP后入射到第一偏振分光镜PBS1发生反射和透射，经第一偏振分光镜PBS1透射的p偏振捕获光依次经第一反射镜M1和二向色镜DM反射后从真空腔VC的左侧入射到真空腔VC内；
经第一偏振分光镜PBS1反射的s偏振捕获光依次经第二反射镜M2反射、第一分光镜BS1透射、第三反射镜M3反射和第二偏振分光镜PBS2透射后从真空腔VC的右侧入射到真空腔VC内；
第一凸透镜L1和第二凸透镜L2均设置在真空腔VC内；入射到真空腔VC内的p偏振捕获光和s偏振捕获光分别经第一凸透镜L1和第二凸透镜L2聚焦后在真空腔VC内形成光阱捕获区；
所述探测反馈装置包括第四反射镜M4、第三凸透镜L3、第二分光镜BS2、第三分光镜BS3、第四凸透镜L4、第一D形镜DSM1、第二D形镜DSM2、第五反射镜M5、第五凸透镜L5、第六凸透镜L6、第六反射镜M6、第七凸透镜L7、第八凸透镜L8、Z轴平衡探测器BPDZ、X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY、反馈电路、冷却光源CS、第四分光镜BS4、第五分光镜BS5、Z轴声光调制器AOMZ、第七反射镜M7、第九凸透镜L9、X轴声光调制器AOMX、第八反射镜M8、第十凸透镜L10、第九反射镜M9、Y轴声光调制器AOMY、第十反射镜M10和第十一凸透镜L11；
冷却光源CS产生冷却光，冷却光经第四分光镜BS4后发生反射和透射，经第四分光镜BS4反射的Z轴冷却光依次经Z轴声光调制器AOMZ、第七反射镜M7、第九凸透镜L9、光镊装置的二向色镜DM和第一凸透镜L1后作用于真空腔VC内的光阱捕获区；
经第四分光镜BS4透射的冷却光经第五分光镜BS5后发生反射和透射，第九反射镜M9设置在第四分光镜BS4的下方，第十反射镜M10和第十一凸透镜L11之间上下布置且均设置在真空腔VC的下方，经第五分光镜BS5反射的Y轴冷却光依次经第九反射镜M9、Y轴声光调制器AOMY、第十反射镜M10和第十一凸透镜L11后作用于真空腔VC内的光阱捕获区；
经第五分光镜BS5透射的X轴冷却光依次经X轴声光调制器AOMX、第八反射镜M8和第十凸透镜L10后作用于真空腔VC内的光阱捕获区；
经光镊装置的第一分光镜BS1反射的s偏振捕获光依次经第四反射镜M4反射和第三凸透镜L3聚焦后照射在Z轴平衡探测器BPDZ的一个探测端；
真空腔VC内的p偏振捕获光通过光阱捕获区后依次经第二凸透镜L2和第二偏振分光镜PBS2透射后入射到第二分光镜BS2发生反射和透射，经第二分光镜BS2反射的p偏振捕获光经过第一D形镜DSM1后分为第一p偏振捕获光和第二p偏振捕获光，第一p偏振捕获光依次经第五反射镜M5反射和第六凸透镜L6透射后照射到X轴平衡探测器BPDX的一个探测端，第二p偏振捕获光经第五凸透镜L5透射后照射到X轴平衡探测器BPDX的另一个探测端；
经第二分光镜BS2透射的p偏振捕获光经过第三分光镜BS3后发生反射和透射，经第三分光镜BS3反射的p偏振捕获光经过第二D形镜DSM2后分为第三p偏振捕获光和第四p偏振捕获光，第三p偏振捕获光依次经第六反射镜M6反射和第八凸透镜L8透射后照射到Y轴平衡探测器BPDY的一个探测端，第四p偏振捕获光经第七凸透镜L7透射后照射到Y轴平衡探测器BPDY的另一个探测端；
经第三分光镜BS3透射的p偏振捕获光经第四凸透镜L4后照射在Z轴平衡探测器BPDZ的另一个探测端；
X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ分别通过对应的反馈电路与X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ相连，各个反馈电路将X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ各自收集到的捕获信号进行处理后形成对应的反馈信号，然后将各个反馈信号输出到声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ的控制端中，实现反馈调节，从而抑制微纳粒子MS的运动。
所述Z轴平衡探测器BPDZ的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的Z轴运动信息；所述X轴平衡探测器BPDX的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的X轴运动信息；所述Y轴平衡探测器BPDY的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的Y轴运动信息。
所述第一D形镜DSM1的直边垂直于微纳粒子X轴的运动方向，第二D形镜DSM2的直边垂直于微纳粒子Y轴的运动方向。
所述真空腔VC内的真空度为高真空。
所述二向色镜DM是一个根据波长表现出不同光学性质的光学元件，用于反射捕获光，透射冷却光。
所述的真空腔VC的腔壁上开有用于光束透过/经过的透光光学窗口。
二、一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的方法
方法包括以下步骤：
1)开启捕获光源LS；
2)调节半波片HWP，使得从真空腔VC的左侧和右侧入射到真空腔VC的p偏振捕获光和s偏振捕获光的光强相等；
3)开启冷却光源CS；
4)通过X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ探测得到的捕获信号通过对应的反馈电路来分别反馈控制X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ，从而控制X轴、Y轴和Z轴的冷却光的光强；
5)开启起支装置LP，使得微纳粒子MS脱离起支装置，进入真空腔VC的光阱捕获区；
6)观察是否通过X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ观察到稳定的捕获信号；
7)如果没有观察到稳定的捕获信号，则调节对应反馈电路的反馈系数，重复步骤4)-6)；如果观察到稳定的捕获信号，则说明微纳粒子MS已被稳定捕获。
所述反馈电路对X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY或Z轴声光调制器AOMZ探测到的捕获信号依次进行时间微分和反乘以反馈系数后获得反馈信号，将反馈信号输出到X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY或Z轴声光调制器AOMZ中进行反馈控制。
所述稳定的捕获信号具体表现为在微纳粒子MS的谐振频率处出现强度稳定的谐振峰。
本发明具有的有益效果是：
本发明在高真空条件下一方面通过捕获光形成光阱捕获区来束缚粒子，另一方面通过反馈冷却的方式利用冷却光消耗微纳粒子的质心运动能量，从而实现在高真空条件下直接用光镊捕获粒子，为真空光镊技术在精密测量和基础物理探索的应用打下基础。
一般真空光镊捕获粒子是用起支装置释放微纳粒子，等微纳粒子进入光阱捕获区后，因为受到捕获光的保守力作用达到不稳定的捕获状态，此时微纳粒子具有较大的质心运动能量，极易逃出光阱捕获区域。为了使微纳粒子达到稳定的捕获状态，传统的方法是利用微纳粒子与周围气体分子的碰撞来耗散掉微纳粒子的能量，因此需要在捕获粒子时保持低真空的环境以达到足够高的碰撞概率。本发明的方法中在开启起支装置释放微纳粒子前先开启探测反馈装置，使得在微纳粒子一进入光阱捕获区就受到冷却光的作用。因此，即使在高真空下气体分子与微纳粒子的碰撞概率很小，也可以通过反馈冷却的方式及时将微纳粒子的质心运动能量消耗掉，使其不容易从光镊的光阱捕获区中逃逸。因此本发明的方法使真空光镊捕获粒子的过程得以在高真空的条件下进行。
真空光镊在捕获粒子之后一般应用于高精密的力学量测量，因此在进行实际测量应用时需要高真空度的环境来减少环境的干扰。传统的光镊捕获手段会导致环境的真空度有很大的变化，即在捕获时需要低真空，在测量时需要高真空，这限制了真空光镊的实际应用能力。而本发明的方法允许微纳粒子所处的环境始终处于高真空的状态，使得真空光镊测量手段能适应于实际的应用需求。
附图说明
图1是本发明的***的俯视结构示意图；
图2是本发明的方法流程图。
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***包括真空腔VC、微纳粒子MS、起支装置LP、光镊装置和探测反馈装置；
微纳粒子MS附着于起支装置LP上，附着有微纳粒子MS的起支装置LP设置于真空腔VC内，光镊装置和探测反馈装置进行光路连接；光镊装置产生捕获光，用于捕获真空腔VC内的光阱捕获区中的微纳粒子MS；探测反馈装置产生冷却光，用于冷却消耗微纳粒子MS的质心运动能量，从而稳定微纳粒子MS。
光镊装置包含捕获光源LS、半波片HWP、第一偏振分光镜PBS1、第一反射镜M1、二向色镜DM、第一凸透镜L1、第二反射镜M2、第一分光镜BS1、第三反射镜M3、第二偏振分光镜PBS2和第二凸透镜L2；
捕获光源LS产生捕获光，捕获光经半波片HWP后入射到第一偏振分光镜PBS1发生反射和透射，经第一偏振分光镜PBS1透射的p偏振捕获光依次经第一反射镜M1和二向色镜DM反射后从真空腔VC的左侧入射到真空腔VC内；
经第一偏振分光镜PBS1反射的s偏振捕获光依次经第二反射镜M2反射、第一分光镜BS1透射、第三反射镜M3反射和第二偏振分光镜PBS2透射后从真空腔VC的右侧入射到真空腔VC内；
第一凸透镜L1和第二凸透镜L2均设置在真空腔VC内；入射到真空腔VC内的p偏振捕获光和s偏振捕获光分别经第一凸透镜L1和第二凸透镜L2聚焦后在真空腔VC内形成光阱捕获区；
探测反馈装置包括第四反射镜M4、第三凸透镜L3、第二分光镜BS2、第三分光镜BS3、第四凸透镜L4、第一D形镜DSM1、第二D形镜DSM2、第五反射镜M5、第五凸透镜L5、第六凸透镜L6、第六反射镜M6、第七凸透镜L7、第八凸透镜L8、Z轴平衡探测器BPDZ、X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY、反馈电路、冷却光源CS、第四分光镜BS4、第五分光镜BS5、Z轴声光调制器AOMZ、第七反射镜M7、第九凸透镜L9、X轴声光调制器AOMX、第八反射镜M8、第十凸透镜L10、第九反射镜M9、Y轴声光调制器AOMY、第十反射镜M10和第十一凸透镜L11；X、Y、Z轴分别对应了微纳粒子的三个运动方向。X、Y、Z轴两两之间垂直。X轴表示与捕获光光轴垂直且平行于水平面的方向，Y轴表示与捕获光光轴垂直且垂直于水平面的方向，Z轴表示平行于捕获光光轴的方向。
冷却光源CS产生冷却光，冷却光经第四分光镜BS4后发生反射和透射，经第四分光镜BS4反射的Z轴冷却光依次经Z轴声光调制器AOMZ、第七反射镜M7、第九凸透镜L9、光镊装置的二向色镜DM和第一凸透镜L1后作用于真空腔VC内的光阱捕获区，作用方向与p偏振捕获光的光轴方向同向，用于冷却微纳粒子MS的Z轴运动；
经第四分光镜BS4透射的冷却光经第五分光镜BS5后发生反射和透射，第九反射镜M9设置在第四分光镜BS4的下方，第十反射镜M10和第十一凸透镜L11之间上下布置且均设置在真空腔VC的下方，经第五分光镜BS5反射的Y轴冷却光依次经第九反射镜M9、Y轴声光调制器AOMY、第十反射镜M10和第十一凸透镜L11后作用于真空腔VC内的光阱捕获区，作用方向与p偏振捕获光的光轴方向垂直，且垂直于水平面向上，用于冷却微纳粒子MS的Y轴运动；
经第五分光镜BS5透射的X轴冷却光依次经X轴声光调制器AOMX、第八反射镜M8和第十凸透镜L10后作用于真空腔VC内的光阱捕获区，作用方向与p偏振捕获光的光轴方向垂直，且在水平面内，用于冷却微纳粒子MS的X轴运动；
经光镊装置的第一分光镜BS1反射的s偏振捕获光依次经第四反射镜M4反射和第三凸透镜L3聚焦后照射在Z轴平衡探测器BPDZ的一个探测端；
真空腔VC内的p偏振捕获光通过光阱捕获区后依次经第二凸透镜L2和第二偏振分光镜PBS2透射后入射到第二分光镜BS2发生反射和透射，经第二分光镜BS2反射的p偏振捕获光经过第一D形镜DSM1后分为第一p偏振捕获光和第二p偏振捕获光，第一p偏振捕获光依次经第五反射镜M5反射和第六凸透镜L6透射后照射到X轴平衡探测器BPDX的一个探测端，第二p偏振捕获光经第五凸透镜L5透射后照射到X轴平衡探测器BPDX的另一个探测端；
经第二分光镜BS2透射的p偏振捕获光经过第三分光镜BS3后发生反射和透射，经第三分光镜BS3反射的p偏振捕获光经过第二D形镜DSM2后分为第三p偏振捕获光和第四p偏振捕获光，第三p偏振捕获光依次经第六反射镜M6反射和第八凸透镜L8透射后照射到Y轴平衡探测器BPDY的一个探测端，第四p偏振捕获光经第七凸透镜L7透射后照射到Y轴平衡探测器BPDY的另一个探测端；
经第三分光镜BS3透射的p偏振捕获光经第四凸透镜L4后照射在Z轴平衡探测器BPDZ的另一个探测端；
X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ分别通过对应的反馈电路与X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ相连，各个反馈电路将X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ各自收集到的捕获信号进行处理后形成对应的反馈信号，然后将各个反馈信号输出到声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ的控制端中，实现反馈调节，从而抑制微纳粒子MS的运动。反馈电路将收集到的捕获信号对时间进行微分并乘以反馈系数形成反馈信号，反馈系数可以调节。这种反馈调节与空气阻尼的效果相似，空气对微纳粒子的阻尼即是大小与微纳粒子的运动速度成正比，方向与微纳粒子的运动方向相反。因此，在高真空条件下直接进行微纳粒子的捕获时所缺少的空气阻尼的冷却效果，就可以用反馈信号调节下的冷却光来提供。
Z轴平衡探测器BPDZ的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的Z轴运动信息；X轴平衡探测器BPDX的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的X轴运动信息；Y轴平衡探测器BPDY的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的Y轴运动信息。
第一D形镜DSM1的直边垂直于微纳粒子X轴的运动方向，第二D形镜DSM2的直边垂直于微纳粒子Y轴的运动方向。
真空腔VC内的真空度为高真空。高真空指的是气压在1E-3mbar以下。
二向色镜DM是一个根据波长表现出不同光学性质的光学元件，用于反射捕获光，透射冷却光。
真空腔VC的腔壁上开有用于光束透过/经过的透光光学窗口。
如图2所示，方法包括以下步骤：
1)开启捕获光源LS；
2)调节半波片HWP，使得从真空腔VC的左侧和右侧入射到真空腔VC的p偏振捕获光和s偏振捕获光的光强相等；
3)开启冷却光源CS；
4)通过X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ探测得到的捕获信号通过对应的反馈电路来分别反馈控制X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ，从而控制X轴、Y轴和Z轴的冷却光的光强；
5)开启起支装置LP，使得微纳粒子MS脱离起支装置，进入真空腔VC的光阱捕获区；
6)观察是否通过X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ观察到稳定的捕获信号；
7)如果没有观察到稳定的捕获信号，则调节对应反馈电路的反馈系数，重复步骤4)-6)；如果观察到稳定的捕获信号，则说明微纳粒子MS已被稳定捕获。
反馈电路对X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY或Z轴声光调制器AOMZ探测到的捕获信号依次对时间微分并乘以反馈系数后获得反馈信号，将反馈信号输出到X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY或Z轴声光调制器AOMZ中进行反馈控制。
稳定的捕获信号具体表现为在微纳粒子MS的谐振频率处出现强度稳定的谐振峰，微纳粒子MS的谐振频率取决于光镊的刚度和微纳粒子MS的质量，而光镊的刚度与捕获光强、第一凸透镜L1和第二凸透镜L2的焦距以及捕获光汇聚之后的束腰半径有关本发明在开启起支装置释放微纳粒子前先开启探测反馈装置。使得在微纳粒子一进入光阱捕获区就受到冷却光的作用。因此，即使在高真空下气体分子与微纳粒子的碰撞概率很小，也可以通过反馈冷却的方式及时将微纳粒子的质心运动能量消耗掉，使其不容易从光镊的光阱捕获区中逃逸。
Claims (9)
1.一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***，其特征在于：包括真空腔VC、微纳粒子MS、起支装置LP、光镊装置和探测反馈装置；
微纳粒子MS附着于起支装置LP上，附着有微纳粒子MS的起支装置LP设置于真空腔VC内，光镊装置和探测反馈装置进行光路连接；光镊装置产生捕获光，用于捕获真空腔VC内的光阱捕获区中的微纳粒子MS；探测反馈装置产生冷却光，用于冷却消耗微纳粒子MS的质心运动能量，从而稳定微纳粒子MS；
所述光镊装置包含捕获光源LS、半波片HWP、第一偏振分光镜PBS1、第一反射镜M1、二向色镜DM、第一凸透镜L1、第二反射镜M2、第一分光镜BS1、第三反射镜M3、第二偏振分光镜PBS2和第二凸透镜L2；
捕获光源LS产生捕获光，捕获光经半波片HWP后入射到第一偏振分光镜PBS1发生反射和透射，经第一偏振分光镜PBS1透射的p偏振捕获光依次经第一反射镜M1和二向色镜DM反射后从真空腔VC的左侧入射到真空腔VC内；
经第一偏振分光镜PBS1反射的s偏振捕获光依次经第二反射镜M2反射、第一分光镜BS1透射、第三反射镜M3反射和第二偏振分光镜PBS2透射后从真空腔VC的右侧入射到真空腔VC内；
第一凸透镜L1和第二凸透镜L2均设置在真空腔VC内；入射到真空腔VC内的p偏振捕获光和s偏振捕获光分别经第一凸透镜L1和第二凸透镜L2聚焦后在真空腔VC内形成光阱捕获区；
所述探测反馈装置包括第四反射镜M4、第三凸透镜L3、第二分光镜BS2、第三分光镜BS3、第四凸透镜L4、第一D形镜DSM1、第二D形镜DSM2、第五反射镜M5、第五凸透镜L5、第六凸透镜L6、第六反射镜M6、第七凸透镜L7、第八凸透镜L8、Z轴平衡探测器BPDZ、X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY、反馈电路、冷却光源CS、第四分光镜BS4、第五分光镜BS5、Z轴声光调制器AOMZ、第七反射镜M7、第九凸透镜L9、X轴声光调制器AOMX、第八反射镜M8、第十凸透镜L10、第九反射镜M9、Y轴声光调制器AOMY、第十反射镜M10和第十一凸透镜L11；
冷却光源CS产生冷却光，冷却光经第四分光镜BS4后发生反射和透射，经第四分光镜BS4反射的Z轴冷却光依次经Z轴声光调制器AOMZ、第七反射镜M7、第九凸透镜L9、光镊装置的二向色镜DM和第一凸透镜L1后作用于真空腔VC内的光阱捕获区；
经第四分光镜BS4透射的冷却光经第五分光镜BS5后发生反射和透射，第九反射镜M9设置在第四分光镜BS4的下方，第十反射镜M10和第十一凸透镜L11之间上下布置且均设置在真空腔VC的下方，经第五分光镜BS5反射的Y轴冷却光依次经第九反射镜M9、Y轴声光调制器AOMY、第十反射镜M10和第十一凸透镜L11后作用于真空腔VC内的光阱捕获区；
经第五分光镜BS5透射的X轴冷却光依次经X轴声光调制器AOMX、第八反射镜M8和第十凸透镜L10后作用于真空腔VC内的光阱捕获区；
经光镊装置的第一分光镜BS1反射的s偏振捕获光依次经第四反射镜M4反射和第三凸透镜L3聚焦后照射在Z轴平衡探测器BPDZ的一个探测端；
真空腔VC内的p偏振捕获光通过光阱捕获区后依次经第二凸透镜L2和第二偏振分光镜PBS2透射后入射到第二分光镜BS2发生反射和透射，经第二分光镜BS2反射的p偏振捕获光经过第一D形镜DSM1后分为第一p偏振捕获光和第二p偏振捕获光，第一p偏振捕获光依次经第五反射镜M5反射和第六凸透镜L6透射后照射到X轴平衡探测器BPDX的一个探测端，第二p偏振捕获光经第五凸透镜L5透射后照射到X轴平衡探测器BPDX的另一个探测端；
经第二分光镜BS2透射的p偏振捕获光经过第三分光镜BS3后发生反射和透射，经第三分光镜BS3反射的p偏振捕获光经过第二D形镜DSM2后分为第三p偏振捕获光和第四p偏振捕获光，第三p偏振捕获光依次经第六反射镜M6反射和第八凸透镜L8透射后照射到Y轴平衡探测器BPDY的一个探测端，第四p偏振捕获光经第七凸透镜L7透射后照射到Y轴平衡探测器BPDY的另一个探测端；
经第三分光镜BS3透射的p偏振捕获光经第四凸透镜L4后照射在Z轴平衡探测器BPDZ的另一个探测端；
X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ分别通过对应的反馈电路与X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ相连，各个反馈电路将X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ各自收集到的捕获信号进行处理后形成对应的反馈信号，然后将各个反馈信号输出到声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ的控制端中，实现反馈调节，从而抑制微纳粒子MS的运动。
2.根据权利要求1所述的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***，其特征在于：
所述Z轴平衡探测器BPDZ的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的Z轴运动信息；所述X轴平衡探测器BPDX的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的X轴运动信息；所述Y轴平衡探测器BPDY的两个探测端进行差分探测，获取微纳粒子MS的Y轴运动信息。
3.根据权利要求1所述的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***，其特征在于：所述第一D形镜DSM1的直边垂直于微纳粒子X轴的运动方向，第二D形镜DSM2的直边垂直于微纳粒子Y轴的运动方向。
4.根据权利要求1所述的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***，其特征在于：所述真空腔VC内的真空度为高真空。
5.根据权利要求1所述的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***，其特征在于：所述二向色镜DM是一个根据波长表现出不同光学性质的光学元件，用于反射捕获光，透射冷却光。
6.根据权利要求1所述的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的***，其特征在于：所述的真空腔VC的腔壁上开有用于光束透过/经过的透光光学窗口。
7.根据权利要求1-6任一所述的***的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)开启捕获光源LS；
2)调节半波片HWP，使得从真空腔VC的左侧和右侧入射到真空腔VC的p偏振捕获光和s偏振捕获光的光强相等；
3)开启冷却光源CS；
4)通过X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ探测得到的捕获信号通过对应的反馈电路来分别反馈控制X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY和Z轴声光调制器AOMZ，从而控制X轴、Y轴和Z轴的冷却光的光强；
5)开启起支装置LP，使得微纳粒子MS脱离起支装置，进入真空腔VC的光阱捕获区；
6)观察是否通过X轴平衡探测器BPDX、Y轴平衡探测器BPDY和Z轴平衡探测器BPDZ观察到稳定的捕获信号；
7)如果没有观察到稳定的捕获信号，则调节对应反馈电路的反馈系数，重复步骤4)-6)；如果观察到稳定的捕获信号，则说明微纳粒子MS已被稳定捕获。
8.根据权利要求7所述的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的方法，其特征在于：所述反馈电路对X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY或Z轴声光调制器AOMZ探测到的捕获信号依次进行时间微分和反乘以反馈系数后获得反馈信号，将反馈信号输出到X轴声光调制器AOMX、Y轴声光调制器AOMY或Z轴声光调制器AOMZ中进行反馈控制。
9.根据权利要求7所述的一种在高真空条件下直接用光镊捕获粒子的方法，其特征在于：所述稳定的捕获信号具体表现为在微纳粒子MS的谐振频率处出现强度稳定的谐振峰。
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