CN108426633B - 一种基于光阱的测振方法及测振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光阱的测振方法及测振装置。测振方法，步骤如下：1）在进行振动测试前，将光阱悬浮模块与位置探测模块固定在振动传递模块上，保持微粒在光阱悬浮模块中的悬浮状态；2）当待测振体产生振动时，振动传递模块将振动传递至光阱悬浮模块中的悬浮光场中；3）测量微粒与振动光场间位置的变化探测出待测振体的振动信息，当微粒与振动光场间的相互位置发生变化时，与微粒作用后的透射光场也产生相应偏移，该偏移通过位置探测模块进行测量，从而获取微粒与振动光场的位置变化信息，即为待测振体的振动特性。测振装置，包括所述的振动传递模块、光阱悬浮模块、位置探测模块。该测振装置可以实现高带宽测量以及实时三维振动测量。

Description

一种基于光阱的测振方法及测振装置

技术领域

本发明涉及基于光阱的测振方法与装置，尤其是利用光与物质相互作用进行环境振动的测量。

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，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，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。

激光聚焦形成的光阱，令微小物体受光压而被束缚在光阱处，由于光阱使用高聚焦的激光来实现对微粒非机械接触捕获，不会产生机械损伤，同时光阱的机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度，是“遥控”的操作，因而微粒几乎不受外界环境影响，从而可以利用光悬浮的微粒完成对外界物理量的探测，获得高探测精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供提出了一种基于光阱的测振方法及测振装置。

一种基于光阱的测振方法，步骤如下：

1）在进行振动测试前，将光阱悬浮模块与位置探测模块固定在振动传递模块上，振动传递模块与待测振体相互连接，完成安装后，保持微粒在光阱悬浮模块中的悬浮状态；

2）当待测振体产生振动时，振动传递模块将振动传递至光阱悬浮模块中的悬浮光场中，此时，悬浮光场与待测振体具有相同的振动特性，这个阶段的悬浮光场称为振动光场，而微粒靠光力作用悬浮在空气中，与待测振体无直接的支撑作用，不受待测振体的振动影响仍保持静止；

3）测量微粒与振动光场间位置的变化探测出待测振体的振动信息，当微粒与振动光场间的相互位置发生变化时，与微粒作用后的透射光场也产生相应偏移，该偏移通过位置探测模块进行测量，从而获取微粒与振动光场的位置变化信息，即为待测振体的振动特性。

所述的振动传递模块用于安放光阱悬浮模块与位置探测模块，当待测振体产生振动时，传递振动至光阱悬浮模块中的悬浮光场中；

所述的光阱悬浮模块用于将微粒稳定捕获在光阱平衡点处从而使微粒处于悬浮状态，光阱悬浮模块利用一束激光经过准直扩束和聚焦后形成梯度力光阱，使得微粒被捕获和处于悬浮状态；

位置探测模块用于收集和处理微粒的透射光，利用物镜或者非球面透镜对微粒透射光进行收集，同时使用光束位置传感器对透射光的光场位置进行分析处理从而获取微粒与振动光场的位置变化信息。

一种采用所述的测振方法的测振装置，包括所述的振动传递模块、光阱悬浮模块、位置探测模块。

所述的振动传递模块为光学平板或者光学平台，用于安装光阱悬浮模块与位置探测模块，振动传递模块通过机械或者粘贴的方式固定在待测振体表面，从而使振动传递模块具有与待测振体相同的振动。

所述的光阱悬浮模块依次包括激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、反射镜、聚焦物镜。

所述的位置探测模块依次包括位置探测物镜、光束位置传感器。

所述的微粒为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微粒，微粒为球形、圆柱形以及方形。

本发明的有益效果：

本发明具有一般测振测量装置所不具有的优势：利用光阱的悬浮作用，可以有效使得待测振体的振动不直接传递至被悬浮的微粒上，而此时，整个光阱模块会随着振体振动，同时利用微粒在光场中的透射光场，可以检测微粒在光场中的位移信息，进而得到微粒与振动光场间的位移差，通过对该位移差的测量即可以获取外界振动信息；基于光阱的测振装置利用光与物质的相互作用完成对振动的测量，外界振动的变化通过高带宽光束位置传感器对光场位置进行测量，因此该测振装置可以实现高带宽测量；同时，由于微粒在三维方向上的运动均会导致光场变化，因此对光场位置的探测分析可以计算出微粒在三维方向上与光场的相对运动，则该测振装置实现实时三维振动测量。

附图说明

图1是本发明一种基于光阱的测振方法的流程示意图；

图2是本发明基于光阱的测振装置的一个光路图；

图中，激光器10、第一准直透镜1、第二准直透镜2、反射镜3、聚焦物镜4、微粒5、位置探测物镜6、光束位置传感器7。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

如图1所示，一种基于光阱的测振方法，步骤如下：

1）在进行振动测试前，将光阱悬浮模块与位置探测模块固定在振动传递模块上，同时，振动传递模块与待测振体相互连接，完成模块间的相互安装后，保持微粒在光阱悬浮模块中的悬浮状态；

2）当待测振体产生振动时，振动传递模块将振动传递至光阱悬浮模块中的悬浮光场中，此时，悬浮光场与待测振体具有相同的振动特性，这个阶段的悬浮光场称为振动光场，而微粒靠光力作用悬浮在空气中，与待测振体无直接的支撑作用，不受待测振体的振动影响仍保持静止；

3）测量微粒与振动光场间位置的变化探测出待测振体的振动信息，当微粒与振动光场间的相互位置发生变化时，与微粒作用后的透射光场也产生相应偏移，该偏移通过位置探测模块进行测量，从而获取微粒与振动光场的位置变化信息，即为待测振体的振动特性。

所述的振动传递模块用于安放光阱悬浮模块与位置探测模块，当待测振体产生振动时，传递振动至光阱悬浮模块中的悬浮光场中；

所述的光阱悬浮模块用于将微粒稳定捕获在光阱平衡点处从而使微粒处于悬浮状态，光阱悬浮模块利用一束激光经过准直扩束和聚焦后形成梯度力光阱，使得微粒被捕获和处于悬浮状态；

位置探测模块用于收集和处理微粒的透射光，利用物镜或者非球面透镜对微粒透射光进行收集，同时使用光束位置传感器对透射光的光场位置进行分析处理从而获取微粒与振动光场的位置变化信息。

如图2所示，一种采用所述的测振方法的测振装置，包括所述的振动传递模块（图2中未示出）、光阱悬浮模块、位置探测模块。

所述的振动传递模块为光学平板或者光学平台，用于安装光阱悬浮模块与位置探测模块，振动传递模块通过机械或者粘贴的方式固定在待测振体表面，从而使振动传递模块具有与待测振体相同的振动。

所述的光阱悬浮模块依次包括激光器10、第一准直透镜1、第二准直透镜2、反射镜3、聚焦物镜4。激光器10发出激光，即初始捕获光束，经第一准直透镜1、第二准直透镜2准直扩束后，经反射镜3进入聚焦物镜4后形成高聚焦光阱，在进行微粒5捕获前，先进行光路对准，打开激光器10，同时观察光束位置传感器7的光斑位置，此时光斑应该位于光束位置传感器7中央，通过调节反射镜3可以将高斯光斑移动到光束位置传感器7中央，此时将微粒5传输入光阱捕获区域完成捕获。

所述的位置探测模块依次包括位置探测物镜6、光束位置传感器7。位置探测物镜6将透射激光准直为平行光，该平行光经光束位置传感器7进行探测与收集，由于微粒5与光场的相互作用，透射光场将会产生偏移，对于处于光阱中不同位置的微粒，会对捕获光束产生不同程度的偏移，利用光束位置传感器测量7的透射光场的位置并对之进行分析，可以检测出微粒在光阱中的三维位置信息，从而获取与外界振体相同的光场振动信息，即完成对环境的振动测试。

所述的光束位置传感器7利用高速的光电传感器，具有kHz至MHz的采样频率，因此该测振装置可以实现高带宽测量。

所述的微粒为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微粒，微粒为球形、圆柱形以及方形。其中，所述的球形微粒半径为纳米至毫米量级，圆柱形微粒长度不超过毫米量级，圆形面半径为纳米至微米量级，方形微粒的长宽高均为纳米至毫米量级。

最后，上述实施方式仅用于说明而不是限制本发明，本领域普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求的保护范围当中。

Claims (1)

1.一种基于光阱的测振方法，其特征是，步骤如下：

1）在进行振动测试前，将光阱悬浮模块与位置探测模块固定在振动传递模块上，振动传递模块与待测振体相互连接，完成安装后，保持微粒在光阱悬浮模块中的悬浮状态；

2）当待测振体产生振动时，振动传递模块将振动传递至光阱悬浮模块中的悬浮光场中，此时，悬浮光场与待测振体具有相同的振动特性，这个阶段的悬浮光场称为振动光场，而微粒靠光力作用悬浮在空气中，与待测振体无直接的支撑作用，不受待测振体的振动影响仍保持静止；

3）测量微粒与振动光场间位置的变化探测出待测振体的振动信息，当微粒与振动光场间的相互位置发生变化时，与微粒作用后的透射光场也产生相应偏移，该偏移通过位置探测模块进行测量，从而获取微粒与振动光场的位置变化信息，即为待测振体的振动特性；

所述的振动传递模块用于安放光阱悬浮模块与位置探测模块，当待测振体产生振动时，传递振动至光阱悬浮模块中的悬浮光场中；

所述的光阱悬浮模块用于将微粒稳定捕获在光阱平衡点处从而使微粒处于悬浮状态，光阱悬浮模块利用一束激光经过准直扩束和聚焦后形成梯度力光阱，使得微粒被捕获和处于悬浮状态；

位置探测模块用于收集和处理微粒的透射光，利用物镜或者非球面透镜对微粒透射光进行收集，同时使用光束位置传感器对透射光的光场位置进行分析处理从而获取微粒与振动光场的位置变化信息。

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