CN101692098B

CN101692098B - 一种光纤光阱加速度测量装置

Info

Publication number: CN101692098B
Application number: CN2009101533799A
Authority: CN
Inventors: 胡慧珠; 董希杰; 舒晓武; 刘承
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: CN101692098A

Abstract

本发明公开了一种光纤光阱加速度测量装置，属惯性测量技术和光学工程领域，该测量装置中的四个光学元件分别置于光纤固定基板的“十”字型凹槽内，“十”字型凹槽的交叉处封装有透明溶液，光学元件的输出端面对准透明溶液内的球形粒子，相对的两个光学元件的输出端面间距离为50～800微米；四条单模光纤的输出端分别耦合于对应的光学元件内且其输入端分别与光强调制器连接，激光器出射的光经光强调制器调制成四束光强相同的光后分别输入到四条单模光纤中；光电图像探测器置“十”字型凹槽的交叉处的正上方；光电图像探测器和光强调制器分别与处理器连接。本发明的优点是光强分布均匀，径向梯度力小，具有高测量灵敏度；且降低光束的对准精度要求。

Description

一种光纤光阱加速度测量装置

技术领域本发明涉及一种四光束光纤光阱加速度测量装置，属于惯性测量技术以及光学工程领域。

背景技术

由量子理论可知光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子流。当光束在介质表面发生折射和反射时，光子的速度和方向改变，从而导致其动量矢量的变化。根据动量守恒定律光子的动量变化量等于微粒的动量变化量。所以微粒的动量相应变化，也即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。因此光辐射压又称光阱力。利用两对相互垂直且分别精确对准、相向传播的单模光纤出射基模高斯光束，微粒可以在光阱中达到受力平衡。改变不同光纤中的光功率大小分配，就可以改变微粒在光阱中的位置。

目前的四光束光纤光阱加速度测量装置包括固定在基板上的激光器、光强调制器、四条单模光纤、光纤固定基板、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四束光强相同的光后分别输入四条单模光纤中。四条单模光纤分作两对，分别直接固定在光纤固定基板上的V形槽中，单模光纤的端面分离且相互对准，同时两对光纤所在直线相互垂直。两对出射激光在两个垂直方向上同时对粒子起束缚作用，使其受力平衡于两光轴相交处。把该装置固定在被测主体上，当被测主体存在加速运动时，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四条光纤中的输出光强，使得粒子回复到原平衡位置。处理器根据光强调制器的输出端四束光强差计算获得加速度的大小与方向。

该装置的缺点在于：光纤出射激光是光强分布不均匀的基模高斯光束。处于此基模高斯光束中的粒子受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作用。由于光强分布不均匀，指向光强较强处的梯度力比沿光束传播方向的散射力大两个数量级，因此粒子的运动主要受两对出射激光的径向梯度力作用，由公式F＝ma可知，该装置实时测量加速度的测量精度将受到影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种高测量灵敏度的光纤光阱加速度测量装置。

为实现本发明目的，本发明所采取的技术方案是：该光纤光阱加速度测量装置包括激光器、光强调制器、四条单模光纤、设有“十”字型凹槽的光纤固定基板、封装在所述“十”字型凹槽的交叉处的透明溶液和在该透明溶液内的一个球形粒子、光电图像探测器、处理器和四个光学元件；所述四个光学元件分别置于所述“十”字型凹槽内，所述四个光学元件的输出端面对准球形粒子，相对的两个光学元件的输出端面之间的距离为50～800微米；四条单模光纤的输出端分别耦合于对应的光学元件内，四条单模光纤的输入端分别与光强调制器连接，激光器出射的光经过光强调制器调制成四束光强相同的光后分别输入到四条单模光纤中；光电图像探测器置于所述“十”字型凹槽的交叉处的正上方；光电图像探测器和光强调制器分别与处理器连接。

进一步地，本发明所述光纤固定基板的“十”字型凹槽的横截面呈V型。

进一步地，本发明所述球形粒子为表面光滑的聚苯乙烯粒子，该聚苯乙烯粒子的粒径为10～30微米。

进一步地，本发明所述封装在“十”字型凹槽的交叉处的透明液体为碳酸丙烯。

进一步地，本发明所述处理器为数字信号处理器。

在本发明四光束光纤光阱加速度测量装置中，通过在四条单模光纤出射端分别安装四个光学元件，以提高四光束光纤光阱加速度测量装置的测量灵敏度。

针对指向光强较强处的梯度力比沿光束传播方向的散射力大两个数量级的缺点，通过对出射激光进行整形和扩束使粒子所受的光场强度更加均匀，达到减小梯度力、增大散射力的目的。

本发明利用光学元件将光纤端面出射的高斯光束进行整形和扩束。光纤端面出射的基模高斯光束束腰直径小，光束发散角大。将单模光纤的输出端耦合于光学元件内，基模高斯光束通过光学元件后，形成束腰直径大、光束发散角极小的近似平行光束。相对于处于基模高斯光束中的粒子，处于近似平行光束中的粒子受到的梯度力大大减小，此时粒子受相同数量级的梯度力和散射力的共同作用。通过减小控制粒子运动的光阱力，达到提高加速度测量精度的目的。

本发明装置用于测试加速度的工作原理是：

将本发明装置固定在被测主体上，利用光强调制器将激光器出射的光调制成四束光强相同的光，分别输入到四条单模光纤中。四条单模光纤出射端分别耦合于四个光学元件内，光学元件将单模光纤出射的基模高斯光束变换为平行光束。四个光学元件出射的平行光束两两对准、相向传播。在光阱力的作用下，聚苯乙烯粒子在光束垂直交汇处受力平衡，且当粒子离开该平衡位置时总有回复力使其返回原平衡位置。当被测主体存在加速运动，“十”字型凹槽交叉处内的聚苯乙烯粒子在惯性力作用下偏离原来的平衡位置。此时，光电图像探测器准确探测聚苯乙烯粒子的当前位置，并将位置信息送到数字信号处理器中，数字信号处理器计算得到能使聚苯乙烯粒子回复到原平衡位置的相应光强调节量。数字信号处理器输出该调节量给光强调制器，光强调制器据此改变四条光束的输出光强，使聚苯乙烯粒子沿着与偏离初始平衡点方向相反的方向移动，直至回复到原平衡位置。此时光强调制器出射的四束光的光强不再相等。光强调制器将此光强差信息输入到数字信号处理器中计算即可获得加速度的大小与方向。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在两个方面：一是测量精度大大提高。未安装光学元件时，粒子所受到的指向光强较强处的梯度力比沿光束传播方向的散射力大两个数量级，粒子的运动主要受两对出射高斯光束的径向梯度力作用。安装光学元件后，高斯光束扩束整形为近似的平行光，光强分布非常均匀，达到大大减小梯度力、并增大散射力的目的。此时粒子的运动受梯度力和散射力的共同作用。由公式F＝ma可知，当光辐射压F减小，可测得的加速度a也将减小，即可大大提高装置测加速度的灵敏度。二是对光束的对准精度的要求降低。单模光纤出射的高斯光束经过光学元件后，束腰直径增大，光束发散角减小，光束近似于平行光，粒子在光束不同位置所受的力基本相同，故对光束的对准精度的要求降低，从而降低工艺难度。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是光束通过本发明装置的光学元件时的示意图；

图3是本发明装置中单模光纤和光学元件的连接示意图；

图4是本发明在光纤固定基板的“十”字型凹槽上固定四个光学元件时的示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参图1所示，本发明光纤光阱加速度测量装置包括激光器1、光强调制器2、四条单模光纤3、设有“十”字型凹槽的光纤固定基板4、封装在“十”字型凹槽的交叉处的透明溶液5(图1中不可见)和在该透明溶液5内的一个球形粒子6、光电图像探测器7、处理器8和四个光学元件9。激光器1出射的光经过光强调制器2调制成四束光强相同的光后分别输入到四条单模光纤3中，四条单模光纤3分别耦合于对应的光学元件9内，四个光学元件9分别置于所述“十”字型凹槽内，“十”字型凹槽的交叉处放置球形粒子6，光电图像探测器7置于“十”字型凹槽的交叉处的正上方，光电图像探测器7和光强调制器2分别与处理器8连接。处理器8可以是数字信号处理器，比如TI公司的TMS320C6x系列的TMS320C6205DSP芯片。

根据图2可知，光束在进入光学元件9之前是束腰直径小、光束发散角大的高斯光束11；通过光学元件9后，形成束腰直径大、光束发散角极小的近似平行光束12。光学元件9可以是直径为100～800微米的以自聚焦透镜作为准直透镜的光纤准直器或其他微型光学透镜。自聚焦透镜又称为梯度折射率透镜，是一种微型光学圆柱形玻璃，其折射率分布成中心对称，并由中心向边缘呈抛物线分布，利用其可变折射率的材料而连续折射成像。根据自聚焦透镜的传光原理，对于1/4节距的自聚焦透镜，当汇聚光从端面输入经过透镜后会转变成平行光线。自聚焦透镜因为体积小，光学成像象差小，易于光纤耦合。

如图3所示，光学元件9的前半部分13固定单模光纤3，光学元件9的后半部分14对单模光纤3出射的高斯光束进行整形和扩束。由于单模光纤3的输出端面与光学元件9的对接处存在间隙，会产生反射。为避免反射光进入单模光纤3，将光学元件9的后半部分14的前端面处理成斜端面，这样可使大部分反射光不再满足光纤传输条件，即使返回单模光纤，也会很快逸入光纤的包层。

如图4所示，四个光学元件9可以用胶固定在光纤固定基板4的“十”字型凹槽中，“十”字型凹槽的各凹槽分支的横截面呈V型。V型凹槽的可以精确牢固的固定圆柱形的光学元件9。单模光纤3的输出端耦合于光学元件9内。“十”字型凹槽的交叉处位于光纤固定基板4的中央，形成一个一定深度的凹槽，以便里面容纳透明液体5和一个球形粒子6。球形粒子6若为表面光滑的聚苯乙烯粒子，且当聚苯乙烯粒子的粒径为10～30微米时，可获得较好的测量灵敏度。透明液体5可以是碳酸丙烯，该液体的密度与聚苯乙烯粒子相近，可使聚苯乙烯粒子在受到激光捕获时不受自身重力的影响。“十”字型凹槽可以使四个光学元件9两两对准并且互相垂直，实现四个光学元件9出射的平行光两两对准、相向传播，四个光学元件9的输出端面对准聚苯乙烯粒子，以控制处于“十”字型凹槽的交叉处的聚苯乙烯粒子。为了提高聚苯乙烯粒子对加速度的灵敏度，相对的两个光学元件9的输出端面之间的距离为50～800微米。

本发明装置用于测试加速度的工作过程是：

将本发明装置固定在被测主体上。初始条件下，聚苯乙烯粒子在光阱力的作用下受力平衡，处于“十”字型凹槽交叉处的中央。当被测主体存在加速运动，聚苯乙烯粒子在惯性力作用下偏离原来的平衡位置。此时，光电图像探测器准确探测聚苯乙烯粒子的当前位置，并将位置信息送到数字信号处理器中，数字信号处理器计算得到能使聚苯乙烯粒子回复到原平衡位置的相应光强调节量。数字信号处理器输出该调节量给光强调制器，光强调制器据此改变四条光束的输出光强，使聚苯乙烯粒子所受的光阱力发生改变，在光阱力作用下聚苯乙烯粒子沿着与偏离初始平衡点方向相反的方向移动，直至回复到原平衡位置。此时光强调制器出射的四束光的光强不再相等。光强调制器将此光强差信息输入到数字信号处理器中计算即可获得加速度的大小与方向。

Claims

1.一种光纤光阱加速度测量装置，其特征是：包括激光器(1)、光强调制器(2)、四条单模光纤(3)、设有“十”字型凹槽的光纤固定基板(4)、封装在所述“十”字型凹槽的交叉处的碳酸丙烯透明溶液(5)和在该透明溶液(5)内的一个聚苯乙烯球形粒子(6)、光电图像探测器(7)、处理器(8)和四个光学元件(9)；所述四个光学元件(9)分别置于所述“十”字型凹槽内，所述四个光学元件(9)的输出端面对准球形粒子(6)，相对的两个光学元件(9)的输出端面之间的距离为50～800微米；四条单模光纤(3)的输出端分别耦合于对应的光学元件(9)内，四条单模光纤(3)的输入端分别与光强调制器(2)连接，激光器(1)出射的光经过光强调制器(2)调制成四束光强相同的光后分别输入到四条单模光纤(3)中；光电图像探测器(7)置于所述“十”字型凹槽的交叉处的正上方；光电图像探测器(7)和光强调制器(2)分别与处理器(8)连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光阱加速度测量装置，其特征是：所述光纤固定基板(4)的“十”字型凹槽的横截面呈V型。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光阱加速度测量装置，其特征是：所述聚苯乙烯球形粒子的粒径为10～30微米。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光阱加速度测量装置，其特征是：所述处理器(8)为数字信号处理器。