CN100580456C - 利用双光束光纤光阱测量加速度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置包括固定在基板上的激光器、光强调制器、两条单模光纤、玻璃毛细管、光电图像探测器和处理器，激光器出射的光经光强调制器调制成两束光强相同的光后分别输入两条单模光纤中，两条单模光纤的输出端分别固定在口径匹配的玻璃毛细管两端，玻璃毛细管内放置一个球状SiC粒子。把该装置固定在被测主体上，当被测主体沿着光轴方向做加速运动时，粒子将偏离原平衡位置。光电图像探测器测定粒子的位置，并由处理器计算出相应的调节量，光强调制器据此改变两光束的输出光强，使得粒子回复到原平衡位置。处理器根据光强调制器的光强差计算获得加速度的大小。该装置可实时测量较大动态范围的加速度，测量精度高。

Description

利用双光束光纤光阱测量加速度的装置

技术领域

本发明涉及测量加速度的装置，尤其是利用双光束光纤光阱测量加速度的装置。

背景技术

根据量子理论，光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子流。当光子入射到介质表面发生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化。由动量守恒定律就可以推出，当光束入射微粒，光子的动量变化量就是微粒的动量变化量。所以光束对微粒存在力的作用，称为光辐射压。研究表明，光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力。在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，即令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。利用两条精确对准、相向传播的单模光纤出射基模高斯光束，微粒可以在沿着光束光轴方向的散射力的作用下达到轴向平衡；可以在垂直于光轴并指向光强较大的轴线方向的梯度力作用下达到径向平衡。改变两光纤中的光功率大小，就可以改变微粒在轴向的位移。

目前已经有众多关于加速度的测试方法和装置。最普遍的原理就是传感元件通过机械悬臂与被测主体固定在一起，当加速运动时，惯性力使传感元件的某一物理量发生变化，此时相应的探测元件得到的信号也相应地发生变化。这类测试方法的主要缺点在于，对传感元件的机械式支撑方式会因为支撑元件而引入误差，如温度会影响机械臂的形态等。而且机械支撑部分的磨损和腐蚀很容易降低测试精度和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用双光束光纤光阱对粒子的捕获和探测来测量加速度的装置，以提高测量精度。

本发明的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，包括基板，固定在基板上的激光器、光强调制器、两条单模光纤、玻璃毛细管、光电图像探测器和处理器，激光器出射的光经过光强调制器调制成两束光强相同的光后分别输入到两条单模光纤中，两条单模光纤的输出端分别固定在玻璃毛细管的两端，单模光纤的输出端面直径和玻璃毛细管的口径相匹配，两条单模光纤的输出端面间保持间隔，在玻璃毛细管内放置一个球状SiC粒子，球状SiC粒子位于两条单模光纤端面之间，光电图像探测器位于玻璃毛细管的上方，光电图像探测器与光强调制器分别和处理器相连。

为了提高球状SiC粒子对加速度的灵敏度，通常，选择球状SiC粒子的半径为5～20微米，质量为10^-9～10^-7克；两条单模光纤在玻璃毛细管内的端面间隔为100～800微米。

为了使球状SiC粒子在受到激光捕获时不受自身重力的影响，总是保持在光轴上，可以在玻璃毛细管内填充密度与球状SiC粒子相同的透明溶液，例如煤油、KOH溶液。

该装置用于测试加速度的工作原理：将装置通过基板固定在被测主体上，利用光强调制器将激光器出射的光调制成两束光强相同P₁＝P₂的光，分别输入到两条单模光纤中。两条单模光纤端面出射的光束在玻璃毛细管中相向传播，对玻璃毛细管内的球状SiC粒子进行捕获，使其稳定停留在沿光轴方向的两光纤端面连线中点，即平衡位置。当被测主体沿着光轴方向作加速运动，玻璃毛细管中的球状SiC粒子偏离原来的平衡位置。光电图像探测器将探测到的球状SiC粒子的当前位置信息送到处理器中，处理器计算得到能使球状SiC粒子回复到原平衡位置的相应调节量。处理器输出该调节量给光强调制器，光强调制器据此改变两光束的输出光强P₁、P₂，使球状SiC粒子在光轴方向上沿着与偏离初始平衡点方向相反的方向移动，直至球状SiC粒子回复到原平衡位置。此时光强调制器出射的两束光存在光强差ΔP＝P₁-P₂。光强调制器将此光强差信息输入到处理器中计算获得加速度大小。

和传统加速度传感器比较，本发明的优点有以下几方面：

1.传统加速度传感器使用的传感元件是在应力作用下能发生明显形变的器件，通过对形变程度的探测确定加速度的大小。而本发明中的传感元件是受光束捕捉的球状粒子，本质是通过光电探测其位移而得到加速度值。因为光辐射压是皮牛量级大小的力，半径(质量)极小的粒子对加速度变化比较敏感，所以本发明具有较高的精度。

2.传统加速度传感器使用悬臂将传感元件和被测物体固定在一起，是一种机械式、接触式的支撑。本发明则采用光束对粒子的夹持来固定传感元件，是一种悬浮式、非接触式的支撑。这样就克服了机械臂安装精度对整个系统精度的限制，而且避免了因为环境因素对机械臂可能造成的形变，无磨损的特点也更是提高了系统的使用寿命。

3.本发明装置对加速度的测量的动态范围较大。因为本发明中的加速度信息是由粒子位移信息转化为光强差再换算得到的，基于光电探测和光强调制器的成熟技术，粒子位移量可以准确地由光束功率差表示，只要光功率差大，则可调位移范围较大，也就是说加速度的可测量动态范围较大。

附图说明

图1是本发明测量加速度的装置示意图；

图2是玻璃毛细管连接两单模光纤的示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1、图2，利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，包括固定在基板上的激光器1、光强调制器2、两条单模光纤3、玻璃毛细管4、光电图像探测器5和处理器6，激光器1出射的光经过光强调制器2调制成两束光强相同的光后分别输入到两条单模光纤3中，两条单模光纤3的输出端分别固定在玻璃毛细管4的两端，单模光纤3的输出端面直径和玻璃毛细管4的口径相匹配，这样，可使两条单模光纤3的端面出射的光束得到精确对准。两条单模光纤3的输出端面间保持间隔，通常，间隔为100～800微米。在玻璃毛细管4内放置一个球状SiC粒子7，球状SiC粒子7的半径为5～20微米，质量为10^-9～10^-7克，球状SiC粒子7位于两条单模光纤3端面之间，光电图像探测器5位于玻璃毛细管4的上方，光电图像探测器5与光强调制器2分别和处理器6相连。

图2所示实例中，在玻璃毛细管4内填充有密度配置为3.2×10³kg/m³的KOH溶液8，以此可消除球状SiC粒子7的自身重力影响，使SiC粒子保持在光轴上。

Claims (4)

1.利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是包括基板、固定在基板上的激光器(1)、光强调制器(2)、两条单模光纤(3)、玻璃毛细管(4)、光电图像探测器(5)和处理器(6)，激光器(1)出射的光经过光强调制器(2)调制成两束光后分别输入到两条单模光纤(3)中，两条单模光纤(3)的输出端分别固定在玻璃毛细管(4)的两端，两条单模光纤(3)的输出端面直径和玻璃毛细管(4)的口径相匹配，两条单模光纤(3)的输出端面间保持间隔，在玻璃毛细管(4)内放置一个球状SiC粒子(7)，球状SiC粒子位于两条单模光纤(3)的输出端面之间，光电图像探测器(5)位于玻璃毛细管(4)的上方，光电图像探测器(5)与光强调制器(2)分别和处理器(6)相连。

2.根据权利要求1所述的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是球状SiC粒子(7)的半径为5～20微米，质量为10^-9～10^-7克。

3.根据权利要求1所述的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是在玻璃毛细管(4)内填充密度与球状SiC粒子(7)相同的透明溶液。

4.根据权利要求1所述的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是两条单模光纤(3)在玻璃毛细管(4)内的输出端面间隔为100～800微米。

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