告别笨重设备-双光子3D打印实现芯片上的真空悬浮与操控

为了方便光纤直接接口，光子层由四个正交排列的、经过切割的单模光纤组成。两个反向传播光束产生的驻波图案用于捕获粒子。这种配置有效地抵消了散射力，同时创造了多个捕获点。

研究人员首先考虑沿 y 方向的单驻波，它由两个 NA=0.1 的单模光纤发出的、相距160 μm 的等线性偏振反向传播发散光束形成。波长为 1550 nm，总功率为 1 W。线性偏振光场与折射率 nr、半径 R=160nm、极化率α的纳米粒子相互作用。在每个强度波腹处，粒子受到的光学力产生谐波势，理论机械本征频率Ωx,y,z/(2π)≈(3.5, 89, 3.5) kHz，势阱深度 U=42kBT0，其中 kB 是玻尔兹曼常数，T0=300 K（室温）。为了实现三维主动反馈稳定，需要确保沿每个轴的机械频率良好分离。为此，研究人员沿 x 轴增加了第二个波长 λx=1064 nm 的驻波。两个驻波的组合导致沿每个光轴（x 和 y）产生高频机械模式，沿垂直轴（z）产生低频机械模式。

这两对光纤还通过检测粒子的散射来监测其位置。利用对两个光轴的访问，每个驻波的散射光由正交的光纤对收集，并用于监测质心运动。这种特别的收集方案在单光束陷阱中是无法实现的，并且具有更好地适应粒子散射模式的优点。

制造的芯片尺寸为 0.5 英寸 × 0.5 英寸，并安装在定制印刷电路板上，用于电气接口。静电层由五个平面电极组成，用于通过电场施加主动电反馈。为了实现可靠的悬浮，精确控制每个切割光纤的位置至关重要。因此，每个光纤都被固定在两个 U 形机械支架中，这些支架是通过Nanoscribe双光子聚合微纳加工设备和 IP-S 光刻胶微加工而成。

为了max陷阱深度，将光纤端面尽可能靠近是有益的。沿 y 方向，光纤包层直径（125 μm）限制了光纤端面之间的距离。沿 x 方向，光纤端面之间的距离受到发散的 1550 nm 光束直径的限制。为了在这些限制条件下留有安全余地并减少反射引起的干扰，研究人员设置 dy=160 μm 和 dx=80 μm。纳米颗粒与芯片表面之间的垂直距离设置为 203 μm。没有使用额外的光纤处理或光学器件进行光学捕获。

在标准的基于雾化的加载之后，半径 R≈160 nm 的单个二氧化硅粒子被捕获在两个波长分别为 λx=1064 nm 和 λy=1550 nm 的驻波的交点处。交叉驻波的一个特征在于能够独立调节机械本征频率 Ωq，其中 q=x, y, z。通过降低 1064 nm 驻波的功率 Px，可以观察到 Ωx 的预期降低，而 Ωy 保持不变。此外，通过独立改变每个驻波的 Px 和 Py 并提取 Ωx 和 Ωy，验证了 Ωq∝√Pq 的预期行为。值得注意的是，尽管使用了低数值孔径光纤，但实现的 Ωq 值与高数值孔径光学器件产生的值相当。

通过改变相应反向传播光束之间的相对相位 φq 来控制粒子沿 x、y 的位置。

为了实现高反馈效率，重要的是要考虑运动信息辐射模式的角分布。对于单光束捕获的粒子，大部分关于粒子轴向运动的信息包含在后向散射光中，从而可以通过基于测量的反馈实现一维基态冷却。与单光束配置相比，驻波的第二束捕获光束充当了具有固定相位关系的强局部振荡器。

为了检测平面内运动，研究人员使用沿 x(y) 的光纤收集 λy=1550 nm (λx=1064 nm) 的散射光，并将其用于平衡零差检测方案，以检测沿 x(y) 的运动。为了检测沿 z 方向的运动，他们使用了沿 y 的第二根光纤。

为了在真空中冷却和稳定纳米粒子的质心运动，研究人员沿 q=x, y, z 应用了电冷阻尼。纳米粒子的质心运动被建模为三个解耦的谐波振荡器。