应用于真空光镊的探测装置和方法

1.本技术涉及光电探测领域技术领域，特别是涉及一种应用于真空光镊的探测装置和方法。


背景技术：

2.真空光镊是利用光镊在真空中捕获和控制微纳颗粒的装置。被捕获微粒是一个共振体系，可进行质量、力学、加速度等的测量。真空光镊中的探测装置通过收集微粒对捕获光束的散射光，获取微粒的运动信息，然而探测装置收集的信号光中混合了大量未与微粒发生相互作用的捕获光，这部分捕获光经过跨阻放大后转换为直流信号，限制跨阻增益，影响探测装置交流分量的动态范围和噪声性能。因此，需要将信号光电流中的直流分量滤除后再进行跨阻转换，直流分量即直流干扰量。真空光镊系统常用的探测方案有平衡探测法和四象限探测法，平衡探测法利用两个匹配的光电二极管串联，通过两个光电流相减去除直流分量，而四象限探测法没有天然的电流差分结构，一般通过低通滤波方案如rc滤波滤除直流分量。四象限探测法的光路较平衡探测法简单，能极大提升实验效率，降低探测成本。
3.在加速度测量中，由牛顿第二定律f＝ma可知，被捕获的微粒的质量越大，测量灵敏度越高，因此，一般选用微米颗粒作为悬浮介质，其信号谐振频率可低至10hz。四象限探测装置常规的低通滤波方案，不适用于截止频率为超低频的应用场合，因此，真空光镊微米颗粒悬浮系统一般选用平衡探测装置，光路调试复杂，且成本较高。现有技术中，为了适应超低频信号探测，四象限探测装置有选用电流源电流注入的方案，通过调节电流源生成与信号直流分量相等的电流信号，根据基尔霍夫定律去抵消信号中的直流分量。这种常规的电流注入方案，每变换一次光功率都需要重新调节电流源的输出，而在实际实验过程中，经常需要变化光功率去测试不同的参数，使得这种方案实验时间过长，效率低，而且电流源芯片的噪声一般比较高，会影响探测装置的噪声性能。
4.目前，针对相关技术中真空光镊中的超低频信号(0-10hz)探测，信号干扰量较大导致实验效率低、探测噪声较高的问题，尚未找到有效的解决方案。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够随光源光功率变化自适应消除干扰量，降低超低频信号噪声的应用于真空光镊的探测装置和方法。
6.第一方面，本技术提供了一种应用于真空光镊的探测装置。所述装置包括：光束发生模块、光束处理模块以及信号处理模块，所述光束处理模块分别与所述光束发生模块以及所述信号处理模块连接；
7.所述光束发生模块，用于生成参考光束和信号光束，所述参考光束和所述信号光束由同一原始光束分光得到；
8.所述光束处理模块，用于基于所述参考光束生成第一信号，基于所述信号光束生
成第二信号，将所述第一信号和所述第二信号发送至所述信号处理模块；
9.所述信号处理模块，用于基于所述第一信号对应的参考光电流消除所述第二信号对应的信号光电流中的直流干扰量，得到目标探测信号。
10.在其中的一个实施例中，所述光束处理模块包括参考光跨阻放大模块和信号光跨阻放大模块，所述参考光跨阻放大模块分别与所述光束发生模块以及信号处理模块连接；所述信号光跨阻放大模块分别与所述光束发生模块以及信号处理模块连接；所述参考光跨阻放大模块将所述参考光束转换为所述第一信号，所述第一信号为参考电压；所述信号光跨阻放大模块将所述信号光束转换为所述第二信号，所述第二信号为信号电压。
11.在其中的一个实施例中，所述参考光跨阻放大模块包括第一光电二极管，所述信号光跨阻放大模块包括第二光电二极管，所述第一光电二极管用于将所述参考光束转换为所述参考光电流，所述第二光电二极管用于将所述信号光束转换为所述信号光电流，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的响应度相同。
12.在其中的一个实施例中，所述信号处理模块包括模拟开关、电流映射单元以及电流调节单元，所述模拟开关分别与所述光束处理单元以及所述电流映射单元连接，所述电流调节单元与所述电流映射单元连接；所述模拟开关，用于与所述参考光跨阻放大模块连接，使所述信号处理模块进入第一电路状态；还用于与所述信号光跨阻放大模块连接，使所述信号处理模块进入第二电路状态；所述电流调节单元，用于在所述第一电路状态下调节参考光反馈电流的电流强度，使所述参考光反馈电流的电流强度等于所述信号光电流直流干扰量的电流强度，所述参考光反馈电流根据所述第一信号生成；所述电流映射单元，用于在所述第一电路状态下将所述第一信号转换为参考光反馈电流，以及，用于在所述第二电路状态下将所述第二信号转换为信号光反馈电流，所述参考光反馈电流的电流强度等于所述参考光电流的电流强度，所述信号光反馈电流的电流强度与所述信号光电流的电流强度成预设比例关系。
13.在其中的一个实施例中，所述模拟开关为单刀双掷开关。
14.在其中的一个实施例中，所述电流映射单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一运算放大器以及第二运算放大器；所述第一电阻的一端连接所述电流调节单元的输出端，另一端连接所述第一运算放大器的反相输入端；所述第二电阻的一端连接所述第一运算放大器的反相输入端，另一端连接所述第一运算放大器的输出端；所述第三电阻的一端连接所述模拟开关的输出端，另一端连接所述第一运算放大器的正相输入端；所述第四电阻的一端连接所述第一运算放大器的正相输入端，另一端连接所述第二运算放大器的输出端；所述第五电阻的一端连接所述第一运算放大器的输出端，另一端连接所述第二运算放大器的正相输出端；所述第二运算放大器的反向输入端和输出端连接；所述第六电阻的一端连接所述第二运算放大器的正相输入端，另一端连接所述信号光跨阻放大模块的输入端。
15.在其中的一个实施例中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的阻值相同。
16.在其中的一个实施例中，所述电流调节单元包括第一可调电阻、第二可调电阻以及第三运算放大器；所述第一可调电阻的一端连接正直流电压，另一端连接所述第三运算放大器的正相输入端；所述第二可调电阻的一端连接负直流电压，另一端连接所述第三运
算放大器的正相输入端；所述第三运算放大器的反相输入端与输出端连接。
17.在其中的一个实施例中，所述光束参考光跨阻放大模块还包括反馈电阻，所述反馈电阻与所述信号处理模块连接，所述反馈电阻的阻值与所述第五电阻的阻值相同。
18.第二个方面，本技术还提供了一种应用于真空光镊的探测方法。所述方法包括：获取参考光束和信号光束，所述参考光束和所述信号光束由同一原始光束分光得到；基于所述参考光束生成第一信号，基于所述信号光束生成第二信号；基于所述第一信号对应的参考光电流消除所述第二信号对应的信号光电流中的直流干扰量，得到目标探测信号。
19.上述应用于真空光镊的探测装置，通过设置光束发生模块、光束处理模块以及信号处理模块，所述光束处理模块分别与所述光束发生模块以及所述信号处理模块连接；所述光束发生模块，用于生成参考光束和信号光束，所述参考光束和所述信号光束由同一原始光束分光得到；所述光束处理模块，用于基于所述参考光束生成第一信号，基于所述信号光束生成第二信号，将所述第一信号和所述第二信号发送至所述信号处理模块；所述信号处理模块，用于基于所述第一信号对应的参考光电流消除所述第二信号对应的信号光电流中的直流分量，得到目标探测信号，利用参考光束和信号光束作为负反馈输入参量，使得该探测装置能够随光源光功率变化自适应抵消探测信号中的直流干扰量，从而简化实验步骤、优化探测装置的噪声性能，相比普通的滤波设计，本发明可以不影响超低频信号探测，适用于真空光镊微米级颗粒悬浮系统的探测。
附图说明
20.图1为一个实施例中应用于真空光镊的探测装置的结构示意图；
21.图2为一个实施例中光束发生模块的结构示意图；
22.图3为另一个实施例中光束发生模块的结构示意图；
23.图4为另一个实施例中光束处理模块的结构示意图；
24.图5为一个实施例中信号处理模块及信号光跨阻放大模块的示意图；
25.图6为一个实施例中参考光跨阻放大模块的示意图；
26.图7为一个实施例中光功率变化情况下的各信号时域仿真图；
27.图8为一个实施例中输出电压噪声密度曲线图。
具体实施方式
28.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
29.光镊是一种利用聚焦光束捕获微粒的装置，由于光镊具有在操纵目标微粒时不直接接触样品，对样品损伤小等优点，使之成为生物、化学研究领域中操控微粒的重要工具。真空光镊技术通过在真空环境中光学悬浮微纳颗粒，能最大程度隔绝环境噪声对测量过程的干扰，进一步提高测量稳定性和灵敏度，可以实现力、质量、加速度、扭矩及电磁场等物理量的高精度测量。
30.在本实施例中，如图1所示，提供了一种真空光镊中的探测装置，该装置包括：光束发生模块10、光束处理模块20以及信号处理模块30，所述光束处理模块20分别与所述光束
发生模块10以及所述信号处理模块30连接；
31.所述光束发生模块10，用于生成参考光束和信号光束，所述参考光束和所述信号光束由同一原始光束分光得到；
32.所述光束处理模块20，用于基于所述参考光束生成第一信号，基于所述信号光束生成第二信号，将所述第一信号和所述第二信号发送至所述信号处理模块；
33.所述信号处理模块30，用于基于所述第一信号对应的参考光电流消除所述第二信号对应的信号光电流中的直流干扰量，得到目标探测信号。
34.具体地，通过激光器生成激光光束。基于实验需要，选择相应的激光器参数，如波长、频率等，通过声光调制器对激光光束进行调制，得到经过预处理的激光光束。通过分束器对激光光束进行分光，得到第一光束和第二光束。其中，分束器是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置，通常由金属膜或介质膜构成。然后通过光路设计，使第一光束作为参考光束射入光束处理模块；第二光束通过设计的探测光路，生成信号光束，并将信号光束射入光束处理模块。基于同一束激光光束分光处理得到的参考光束和信号光束。由于参考光束和信号光束由同一原始光束分光得到，故在调整激光光束的功率后，信号光束功率提高的同时，能够保证参考光束同步变化。
35.通过光功率计的测量，将信号光束的光功率与参考光束的光功率的比值调节到预设数值，该数值可基于测量方法确定，例如，若采用四象限探测法，则四象限探测器上的信号光的光功率会等分为4等份，此时信号光束的光功率与参考光束的光功率的比值可相应设置为4。
36.光束处理模块可以通过光电转换器件实现，通过光电转换器件将参考光束转换为第一信号；通过光电转换器件将信号光束转换为第二信号，并将第一信号和第二信号发送至信号处理模块。
37.信号处理模块基于第一信号对应的参考光电流消除第二信号对应的信号光电流中的直流分量，得到目标探测信号。
38.本实施例的探测装置，通过参考光生成光电流注入到信号跨阻放大模块的输入节点，在不影响10hz量级超低频信号的前提下，抵消信号光电流中的直流干扰量，从而优化探测装置的交流动态范围和噪声性能，该装置的交流动态范围可至运放输出动态范围极限，等效输入噪声性能在低频处可达4.1pa/hz
1/2
；并且调节到平衡位置后，改变光功率可自适应滤除探测信号中的直流干扰量，能够有效提高实验效率。
39.在其中的一个实施例中，如图2所示，提供了一种光束发生模块，包括：激光器11、声光调制器12、分束器13、第一光路单元14以及第二光路单元15，其中，激光器11用于生成激光光束。激光器可以包括但不限于气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器。以所述激光器11为气体激光器为例，所述激光器11例如可以包括但不限于he-ne激光器、co2激光器、ae离子激光器等等。所述声光调制器12可以基于声光效应对激光光束进行调制，得到经过预处理的激光光束。通过分束器13将经过预处理的激光光束分束为第一光束和第二光束。第一光束作为参考光束，经第一光路单元14入射至光束处理模块。第二光束经第二光路单元15，与样品发生相互作用，形成信号光束并入射至光束处理单元。
40.在其中的一个实施例中，如图3所示，提供了一种光束发生模块，包括：激光器11、声光调制器12、分束器13、第一光路单元以及第二光路单元，其中第一光路单元14为反射镜
组，包括第一反射镜141、第二反射镜142以及第三反射镜143；第二光路单元包括真空腔151、物镜152、非球面透镜153以及聚焦透镜154。具体地，第一光束经第一光路单元反射，作为参考光束射入光束处理单元。第二光路单元为真空光镊探测器件，主要包括真空腔151、物镜152、非球面透镜153和聚焦透镜154。物镜152、样品155、非球面透镜153以及聚焦透镜154依次设置在光路的光轴上，样品155设置在物镜152的聚焦位置。物镜152、样品155以及非球面透镜153设置于真空腔内。第二光束在真空腔151内经物镜152高度汇聚形成光阱捕获为微粒，微粒的散射光与捕获光干涉形成带有微粒位置信息的信号光，非球面透镜153采集信号光经聚焦透镜154形成信号光束进入光束处理模块。
41.在其中的一个实施例中，如图4所示，所述光束处理模块20包括参考光跨阻放大模块21和信号光跨阻放大模块22，所述参考光跨阻放大模块21分别与所述光束发生模块10以及信号处理模块30连接；所述信号光跨阻放大模块22分别与所述光束发生模块10以及信号处理模块30连接；所述参考光跨阻放大模块21将所述参考光束转换为所述第一信号，所述第一信号为参考电压；所述信号光跨阻放大模块22将所述信号光束转换为所述第二信号，所述第二信号为信号电压。
42.具体地，参考光跨阻放大模块用于接收参考光束，通过光电转换器件以及信号放大电路，将参考光束转换为参考电压，即第一信号；信号光跨阻放大模块用于接收信号光束，通过光电转换器件以及信号放大电路，将信号光束转换为信号电压，即第二信号。优选的，信号放大电路可以采用跨阻放大器。跨阻放大器，全称为trans-impedance amplifier，简称为tia。常用的跨阻放大器为电压放大器，即输入输出都是电压信号。跨阻放大器tia由于具有高带宽的优点，一般用于高速电路。例如，pin-tia光接收器，pin-tia光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件，其工作原理是：pin的光敏面受探测光照射时，由于pn结处于反向偏置，光生载流子在电场作用下产生漂移，在外电路产生光电流；光电流通过跨阻放大器放大输出，这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。
43.在其中的一个实施例中，所述参考光跨阻放大模块包括第一光电二极管，所述信号光跨阻放大模块包括第二光电二极管，所述第一光电二极管用于将所述参考光束转换为所述参考光电流，所述第二光电二极管用于将所述信号光束转换为所述信号光电流，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的响应度相同。
44.具体地，第一光电二极管可选用砷化铟镓型光电二极管。第二光电二极管可选用四象限光电二极管。四象限光电二极管也称为四象限光电探测器。四象限光电探测器就是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，包括四个性能完全相同的有效探测区域。在本实施例中，四象限光电二极管的类型包括但不限于四象限pin光电二极管、四象限雪崩光电二极管等。光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流和入射光功率之比。由于参考光束的光功率与信号光束的光功率之比为预设数值，选用相同响应度的光电二极管时，能够使得参考光束产生的光电流与信号光束产生的光电流之比为固定值。
45.在其中的一个实施例中，所述信号处理模块包括模拟开关、电流映射单元以及电流调节单元，所述模拟开关分别与所述光束处理单元以及所述电流映射单元连接，所述电流调节单元与所述电流映射单元连接；所述模拟开关，用于与所述参考光跨阻放大模块连
接，使信号处理模块进入第一电路状态；还用于与所述信号光跨阻放大模块连接，使所述信号处理模块进入第二电路状态；所述电流调节单元，用于在所述第一电路状态下调节参考光反馈电流的电流强度，使所述参考光反馈电流的电流强度与所述信号光电流直流干扰量的电流强度相等，所述参考光反馈电流根据所述第一信号生成；所述电流映射单元，用于在所述第一电路状态下将所述第一信号转换为参考光反馈电流，以及，用于在所述第二电路状态下将所述第二信号转换为信号光反馈电流，所述参考光反馈电流的电流强度等于所述参考光电流的电流强度，所述信号光反馈电流的电流强度与所述信号光电流的电流强度成预设比例关系。
46.具体地，信号电流包括带有微粒位移信息的干涉光转换的光电流以及信号光束中未与微粒发生作用的光产生的直流干扰量。电流映射单元用于将参考光束对应的参考电压和信号光束对应的信号电压进行电流映射，确定参考光反馈电流和信号光反馈电流，用于滤除信号电流中的直流干扰量。模拟开关接收第一信号和第二信号，电流调节单元用于光源性能较差时，将所述参考光反馈电流调节至与所述信号光电流的直流分量相同。
47.在其中的一个实施例中，所述模拟开关为单刀双掷开关。具体地，单刀双掷开关为单刀双掷型模拟开关，型号为adg1219，对本领域技术人员来说，可根据实际需求选择其他型号，将模拟开关的两个源极作为输入端，漏极作为输出端。单刀双掷开关主要用于切换电路的第一状态和第二状态，第一状态为平衡位置调节完成状态，第二状态为平衡位置调节状态。
48.在其中的一个实施例中，如图5所示，所述电流映射单元包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第一运算放大器u1以及第二运算放大器u2；所述第一电阻r1的一端连接所述电流调节单元的输出端，另一端连接所述第一运算放大器u1的反相输入端；所述第二电阻r2的一端连接所述第一运算放大器u1的反相输入端，另一端连接所述第一运算放大器u1的输出端；所述第三电阻r3的一端连接所述模拟开关的输出端，另一端连接所述第一运算放大器u1的正相输入端；所述第四电阻r4的一端连接所述第一运算放大器u1的正相输入端，另一端连接所述第二运算放大器u2的输出端；所述第五电阻r5的一端连接所述第一运算放大器u1的输出端，另一端连接所述第二运算放大器u2的正相输出端；所述第二运算放大器u2的反向输入端和输出端连接；所述第六电阻r6的一端连接所述第二运算放大器u2的正相输入端，另一端连接所述信号光跨阻放大模块的输入端。
49.在其中的一个实施例中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的阻值相同。
50.在其中的一个实施例中，如图5所示，所述电流调节单元包括第一可调电阻r
x1
、第二可调电阻r
x2
以及第三运算放大器u3；所述第一可调电阻r
x1
的一端连接正直流电压，另一端连接所述第三运算放大器u3的正相输入端；所述第二可调电阻r
x2
的一端连接负直流电压，另一端连接所述第三运算放大器u3的正相输入端；所述第三运算放大器u3的反相输入端与输出端连接。
51.在其中的一个实施例中，所述光束参考光跨阻放大模块还包括反馈电阻，所述反馈电阻与所述信号处理模块连接，所述反馈电阻的阻值与所述第五电阻的阻值相同。
52.具体地，如图6所示，提供了一种参考光跨阻放大模块，包括：第一光电二极管p1，
第一反馈电阻r
f1
，第一电容c
f1
以及第四运算放大器u4，其中，第一光电二极管p1用于接收参考光束，将参考光束转换为第一光电转换信号，第一反馈电阻r
f1
的一端与第一光电二极管p1的正极连接，另一端与信号处理模块的输入端连接；第一电容c
f1
并列在所述第一反馈电阻r
f1
的两端。第四运算放大器u4的反相输入端与第一光电二极管p1的正极连接，第四运算放大器u4的正相输入端接地。
53.在其中的一个实施例中，如图5所示，还提供了一种信号光跨阻放大模块，包括：第二光电二极管p2，第二反馈电阻r
f2
，第二电容c
f2
以及第五运算放大器u5，其中，第二光电二极管p2用于接收信号光束，将信号光束转换为第二光电转换信号，第二反馈电阻r
f2
的一端与第二光电二极管p2的正极连接，另一端与信号处理模块的输入端连接；第二电容c
f2
并列在所述第二反馈电阻r
f2
的两端。第五运算放大器u5的反相输入端与第二光电二极管p2的正极连接，第五运算放大器u5的正相输入端接地。
54.在其中的一个优选的实施例中，提供了一种应用于真空光镊的探测系统，该探测系统主要包括样品检测设备和信号探测设备。
55.样品检测设备包括激光器、声光调制器、分束器、反射镜组以及样品处理模块，其中激光器用于生成激光光束，激光光束经过声光调制器加压衍射，通过分光器将光分成两束，一束作为探测装置的参考光，经反射镜组反射后直接进入探测装置。样品处理模块包括真空腔、非球面透镜、聚焦透镜，物镜和非球面透镜位于真空腔内，待检测样品置于物镜与非球面透镜之间的光轴上。激光光束经分束器分束后的另一束光在真空腔内经物镜高度汇聚形成光阱捕获微粒，微粒的散射光与捕获光干涉形成带有微粒位置信息的信号光，非球面透镜采集信号光经聚焦透镜进入信号探测设备。
56.信号探测设备包括参考光跨阻放大模块、信号光跨阻放大模块、模拟开关、电流映射模块、电流精调模块和信号调理模块；所述参考光跨阻放大模块将参考光转换为参考电压；所述信号光跨阻放大模块将信号光转换为信号电压；所述模拟开关的两个输入端分别接入所述参考电压和所述信号电压；所述电流映射模块的两个输入端分别接入所述电流精调模块的输出和所述模拟开关的输出，所述电流映射模块的电流输出接入所述信号光跨阻放大模块的输入端；所述信号调理模块的输入端接入所述信号光跨阻放大模块的输出信号，所述信号调理模块的输出端输出最终的探测信号。
57.如图5所示，信号光跨阻放大模块的光电二极管p2为四象限光电二极管，包含四个性能完全相同的有效探测区域，即图5中的a、b、c和d。参考光跨阻放大模块的光电二极管选用响应度与p2相同的砷化铟镓型光电二极管。
58.在本实施例中，如图5，电流映射模块包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6和运算放大器u1、u2，它们的连接关系描述如下：电阻r1一端连接所述电流精调模块的输出，另一端连接运算放大器u1的反相输入端；电阻r3一端连接模拟开关s1的输出端，另一端连接运算放大器u1的正相输入端；电阻r2两端分别连接运算放大器u1的反相输入端和输出端；电阻r4一端连接运算放大器u1的正相输入端，另一端连接运算放大器u2的输出端；电阻r5一端连接运算放大器u1的输出端，另一端连接运算放大器u2的正相输入端；运算放大器u2的反相输入端和输出端相连；电阻r6的一端连接运算放大器u2的正相输入端，另一端连接信号光跨阻放大模块的输入端。其中电阻r1＝r2＝r3＝r4。为了减小超低频处1/f噪声的影响，图5中所有的运算放大器都选用低噪声的零温漂型号，如opa189，对于本领域技术人员来说可以
根据实际需求选择其它型号。记模拟开关s1输出端的电压为vd，电流精调模块输出端的电压为v
x
，流经电阻r6的反馈电流为if，运算放大器u3两个输入端的电压为vi，由电路基本原理可知：
59.v1＝2vi-vdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
60.v2＝2vi-v
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0061][0062]
如图5所示，电流精调模块包括可调电阻r
x1
、可调电阻r
x2
及运算放大器u3，可调电阻r
x1
一端连接正直流电压v+，另一端连接运算放大器u3的正相输入端；可调电阻r
x2
一端连接负直流电压v-，另一端连接运算放大器u3的正相输入端；运算放大器u3的反相输入端与输出端相连。其中正直流电压v+和负直流电压v-的幅值相等，由电路基本原理可知：
[0063][0064]
如图5所示，模拟开关s1为单刀双掷型模拟开关，型号为adg1219，对于本领域技术人员来说可以根据实际需求选择其它型号，将模拟开关的两个源极作为输入端，漏极作为输出端，在调节平衡位置时选通vd＝v
outa
，v
outa
为信号光跨阻放大模块将信号光束转换的信号电压，平衡位置调节完成后选通vd＝v
ref
，v
ref
为参考光跨阻放大模块将参考光束转换的参考电压，实验过程中若不改变实验系统中器件的位置，则不需要重新调节平衡位置。当选通vd＝v
outa
时，且电流精调模块输出电压v
x
＝0时，is为流经信号光跨阻放大模块反馈电阻的电流，ia为光电二极管p2单个探测区域转换的信号光电流，if为v
outa
转换的信号光反馈电流，由电路原理及公式(3)可知：
[0065][0066]is
＝i
a-ifꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0067]vouta
＝-i
srf2
＝-(i
a-if)r
f2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0068]
信号光电流ia可表示为ia＝i
mov
+i
dc
，其中i
mov
指带有微粒位移信息的干涉光转换的光电流，频率可低至10hz，微粒位移信号非常微弱在μa级别，i
dc
指未与微粒发生相互作用的捕获光转换的光电流，为直流量，能达到ma级别。因为真空光镊中微粒的位移信号非常微弱，所以信号光跨阻放大模块的增益必须较大，r
f2
可设计为100kω。由上述公式可知，若if＝0，则ia中ma级别的直流量会导致信号光跨阻放大的输出饱和，所以为了实现100kω的跨阻增益，必须通过if将流经r
f2
的直流分量抵消。在本实施例中，将r5的阻值设计为1kω远小于r
f2
，由公式(5)、(6)和(7)联立可知：
[0069][0070][0071]
由公式(8)和(9)可知，在电阻阻值确定后，信号光反馈电流if与信号光电流ia成固定比例关系。在调节平衡位置过程中，经过if反馈调节后，v
outa
的增益由100kω近似缩小为1kω，ma级别的直流量不会造成v
outa
饱和。当信号光的光斑到平衡位置时，光电二极管p2四
个象限的入射光功率基本相同，即入射到a探测区域的光功率近似等于信号光总功率的四分之一，近似等于参考光功率。由于p1和p2的响应度相同，其生成的光电流i
dc
＝i
ref
，此时将模拟开关选通vd＝v
ref
，if为v
ref
转换的参考光反馈电流。在本实施例中，设计参考光跨阻放大模块的反馈电阻r
f1
的阻值与电阻r5相等，也为1kω，由以上同理可知：
[0072][0073]vouta
＝-(i
a-if)r
f2
＝-(i
a-i
ref
)r
f2
＝-i
movrf2
ꢀꢀ
(11)
[0074]
由公式(10)可知，参考光反馈电流if等于参考光电流i
ref
。由公式(11)可知，当调节到平衡位置，模拟开关选通vd＝v
ref
后，参考光电流i
ref
通过if等效引入信号光跨阻放大模块的输入节点中，抵消信号光电流中的直流分量。当光功率变化时，信号光和参考光等比例变化，能自适应抵消信号光中的直流分量，不需要重新调节参数。在实际实验中，如果光源输出的光斑对称性较差，则可能出现四个探测区域的i
dc
不能都正好被i
rfe
抵消，此时需要通过调节电流精调模块的可调电阻r
x1
和r
x2
，在参考光电流基础上精调if。
[0075]
当光功率变化时，本实施例各信号的时域仿真情况如图7所示。微粒的谐振频率为10hz，t＝500ms处光功率发生变化，可以看出ia和i
ref
随光功率变化而同步变化，同时if自适应调节为ia的直流分量值，输出v
outa
不受直流分量影响，且在光功率变化瞬间只存在一个小的过冲。本实施例的输出电压噪声密度曲线如图8所示，等效为输入电流噪声为4.1pa/hz
1/2
。由此看出，本实施例的探测设备可以在不影响超低频信号探测的前提下，随光源光功率变化自适应滤除探测信号中的直流分量，从而优化探测装置的噪声性能，并且，简化实验调节步骤。
[0076]
在本实施例中，还提供了一种探测方法。所述方法包括：获取信号光束和参考光束，所述信号光束的光功率与所述参考光束的光功率的比值为预设数值；基于所述参考光束生成第一信号，基于所述信号光束生成第二信号；基于所述第一信号对应的参考光电流消除所述第二信号对应的信号光电流中的直流分量，得到目标探测信号。优选的，本实施例中的探测方法还用于应用于上述任一实施例记载的探测装置。
[0077]
在其中的另一个实施例中，还提供了一种探测方法，该方法包括：
[0078]
步骤一：调节光路中的分束器，用光功率计测量光功率，直到进入光电二极管p2的信号光功率为参考光功率的4倍。这一步骤的目的是使平衡位置时，i
dc
＝i
ref
，才能抵消信号光电流中的直流分量。
[0079]
步骤二：将信号电压选通连接到模拟开关的输出，这一操作的原因是，调节平衡位置过程中光电二极管p2各探测区域的光功率在不断变化，总功率不变，所以调节过程中无法利用参考光去抵消各探测区域的直流分量。将信号电压选通，根据上述公式(9)可以看出，v
outa
的增益由100kω近似缩小为1kω，调节过程中ma级别的直流量不会造成v
outa
饱和，从而可指示各区域的入射光功率，有利于调节平衡的进行。
[0080]
步骤三：调节信号光的光斑到平衡位置，使光电二极管p2四个象限的跨阻输出相等，即v
outa
＝v
outb
＝v
outc
＝v
outd
。这一步骤的目的是获得最佳的共模抑制效果。
[0081]
步骤四：将参考电压选通连接到模拟开关的输出，这一步骤的目的是利用参考光抵消信号光电流中的直流分量。
[0082]
步骤五：若光源光斑对称性较差，步骤四后v
outa
中可能残留直流量，则调节r
x1
和r
x2
的阻值，直到v
outa
中残留的直流量被抵消。这一步骤的目的是适应光源性能较差的情况。
[0083]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种应用于真空光镊的探测装置，其特征在于，包括：光束发生模块、光束处理模块以及信号处理模块，所述光束处理模块分别与所述光束发生模块以及所述信号处理模块连接；所述光束发生模块，用于生成参考光束和信号光束，所述参考光束和所述信号光束由同一原始光束分光得到；所述光束处理模块，用于基于所述参考光束生成第一信号，基于所述信号光束生成第二信号，将所述第一信号和所述第二信号发送至所述信号处理模块；所述信号处理模块，用于基于所述第一信号对应的参考光电流消除所述第二信号对应的信号光电流中的直流干扰量，得到目标探测信号。2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述光束处理模块包括参考光跨阻放大模块和信号光跨阻放大模块，所述参考光跨阻放大模块分别与所述光束发生模块以及信号处理模块连接；所述信号光跨阻放大模块分别与所述光束发生模块以及信号处理模块连接；所述参考光跨阻放大模块将所述参考光束转换为所述第一信号，所述第一信号为参考电压；所述信号光跨阻放大模块将所述信号光束转换为所述第二信号，所述第二信号为信号电压。3.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述参考光跨阻放大模块包括第一光电二极管，所述信号光跨阻放大模块包括第二光电二极管，所述第一光电二极管用于将所述参考光束转换为所述参考光电流，所述第二光电二极管用于将所述信号光束转换为所述信号光电流，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的响应度相同。4.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括模拟开关、电流映射单元以及电流调节单元，所述模拟开关分别与所述光束处理单元以及所述电流映射单元连接，所述电流调节单元与所述电流映射单元连接；所述模拟开关，用于与所述参考光跨阻放大模块连接，使所述信号处理模块进入第一电路状态；还用于与所述信号光跨阻放大模块连接，使所述信号处理模块进入第二电路状态；所述电流调节单元，用于在所述第一电路状态下调节参考光反馈电流的电流强度，使所述参考光反馈电流的电流强度与所述信号光电流直流干扰量的电流强度相等，所述参考光反馈电流根据所述第一信号生成；所述电流映射单元，用于在所述第一电路状态下将所述第一信号转换为参考光反馈电流，以及，用于在所述第二电路状态下将所述第二信号转换为信号光反馈电流，所述参考光反馈电流的电流强度等于所述参考光电流的电流强度，所述信号光反馈电流的电流强度与所述信号光电流的电流强度成预设比例关系。5.根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于，所述模拟开关为单刀双掷开关。6.根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于，所述电流映射单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一运算放大器以及第二运算放大器；所述第一电阻的一端连接所述电流调节单元的输出端，另一端连接所述第一运算放大器的反相输入端；所述第二电阻的一端连接所述第一运算放大器的反相输入端，另一端连
接所述第一运算放大器的输出端；所述第三电阻的一端连接所述模拟开关的输出端，另一端连接所述第一运算放大器的正相输入端；所述第四电阻的一端连接所述第一运算放大器的正相输入端，另一端连接所述第二运算放大器的输出端；所述第五电阻的一端连接所述第一运算放大器的输出端，另一端连接所述第二运算放大器的正相输出端；所述第二运算放大器的反向输入端和输出端连接；所述第六电阻的一端连接所述第二运算放大器的正相输入端，另一端连接所述信号光跨阻放大模块的输入端。7.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的阻值相同。8.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述电流调节单元包括第一可调电阻、第二可调电阻以及第三运算放大器；所述第一可调电阻的一端连接正直流电压，另一端连接所述第三运算放大器的正相输入端；所述第二可调电阻的一端连接负直流电压，另一端连接所述第三运算放大器的正相输入端；所述第三运算放大器的反相输入端与输出端连接。9.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述参考光跨阻放大模块还包括反馈电阻，所述反馈电阻与所述信号处理模块连接，所述反馈电阻的阻值与所述第五电阻的阻值相同。10.一种应用于真空光镊的探测方法，其特征在于，包括：获取参考光束和信号光束，所述参考光束和所述信号光束由同一原始光束分光得到；基于所述参考光束生成第一信号，基于所述信号光束生成第二信号；基于所述第一信号对应的参考光电流消除所述第二信号对应的信号光电流中的直流干扰量，得到目标探测信号。

技术总结
本申请涉及一种应用于真空光镊的探测装置和方法。装置包括：光束发生模块、光束处理模块以及信号处理模块，光束处理模块分别与光束发生模块以及信号处理模块连接；光束发生模块，用于生成参考光束和信号光束，参考光束和信号光束由同一原始光束分光得到；光束处理模块，用于基于参考光束生成第一信号，基于信号光束生成第二信号，将第一信号和第二信号发送至信号处理模块；信号处理模块，用于基于第一信号对应的参考光电流消除第二信号对应的信号光电流中的直流干扰量，得到目标探测信号。采用本方法能够随光源光功率变化自适应抵消探测信号中的直流干扰量，从而优化探测装置的噪声性能。噪声性能。噪声性能。


技术研发人员：王颖颖 高晓文 何沛彤 李文文 陈杏藩 胡慧珠
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/7