CN109059892A - 一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺。利用半波片、偏振分束器、λ/4玻片将激光器输出的光调制成两束光强相同的圆偏光，圆偏光通过透镜聚焦输入到真空室中。两个光电探测器检测到的光强与线偏光和最大惯性主轴夹角α存在对应关系，e光光强与o光光强比值为tan2α，即通过测得的光强可以计算得出偏转角度α，从而完成对光子悬浮陀螺偏转角度的测定。该装置没有机械接触，克服了支承轴对整个系统精度的影响，避免了支承轴和转子之间摩擦阻力而产生的误差，提高系统的使用寿命，可以达到较高精度。

Description

一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺

技术领域

本发明涉及一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺，属于惯性测量技术以及光学工程领域。

背景技术

惯性导航系统是利用惯性敏感器件、基准方向和最初的位置、速度信息来确定载体的方位和速度的自主式航迹推递导航系统。惯导系统具有自主性、隐蔽性、实时性、全天候等优点，因而在各种载体的导航、制导、定位和稳定控制中得到了广泛的应用。陀螺仪作为惯导系统的重要组成部分，已广泛应用于航空、航天、航海、测量等领域。

随着科学技术的发展，人们发现可以利用各种物理现象检测相对于惯性空间的旋转，在此基础上研制了各种不同原理和类型的陀螺仪。其中，悬浮转子类陀螺仪是目前精度最高的一类陀螺仪。目前已知的悬浮转子类陀螺包括静电悬浮转子微陀螺和磁悬浮转子微陀螺。在悬浮转子类陀螺中，利用静电力、电磁力等将转子来悬浮于真空或环境介质中，没有支承轴，消除了因为支承轴和转子之间摩擦阻力而产生的误差。但现有的悬浮转子类陀螺对转子的加工工艺要求很高，且存在陀螺转子在高转速状态下无法长期保持稳定的缺点，这在一定程度上限制了悬浮转子类陀螺的发展。

区别于其他传统的悬浮转子类陀螺，光子悬浮陀螺利用光力悬浮支撑，具有工艺简单，精度高的优势，是悬浮转子类陀螺未来的发展方向。光子悬浮陀螺的工作原理是利用光力使微球悬浮并绕其最大惯性主轴作高速旋转，形成陀螺转子；当外界施加负载角度时，转子由于其定轴性保持位置不变，而定子位置随外界负载发生变化，二者产生相对位置变化；通过一定的方法测出二者的相对姿态，则可计算出外界施加的负载角度。目前对于光子悬浮陀螺角速度的测量，最普遍的方法是利用图像法，具体方法是：通过光刻技术在微球表面溅射上一些不透明对称图案，微球姿态发生变化后，光电图像探测器采集微球随转动角度变化的光斑形状和光强分布，从而获得外界角速度的信息，施加光束使微球恢复平衡位置，通过调制光强变化计算角速度。用这种方法测量角速度存在一定的误差，而且在微球上溅射不对称图案难度系数大。利用线偏光测量光子悬浮陀螺偏转角度的装置和方法还未见报道。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种利用线偏光测量光子悬浮陀螺偏转角度的装置及方法。

本发明基于以下原理：两束相向传播的高斯激光束，将形成能束缚微米尺度粒子的双光束光阱。利用半波片、偏振分束器、λ/4玻片将激光器输出的光调制成两束光强相同的圆偏光，圆偏光通过透镜聚焦输入到真空室中。微球为双折射微球，采用喷射或其他方式将其放置在真空室中。利用该系统对微球进行捕获时，光子本身自旋角动量传递给微球，当两侧圆偏振光偏振方向相反(即一侧左旋一侧右旋)时，微球将绕其最大惯性主轴旋转。微球绕其最大惯性主轴高速旋转后，将一侧半波片转动180°，此时两侧圆偏振光扭矩相互抵消，微球将在真空环境中持续高速旋转。用一束线偏光沿其最大惯性主轴入射作用于微球上，记录另一侧光电探测器探测到的光强；当光子悬浮陀螺整体偏转角度α时，即线偏光与最大惯性主轴成夹角α入射，此时光电探测器探测的光强将发生变化。光强与光子悬浮陀螺偏转角度α存在对应关系，通过计算可得出光子悬浮陀螺的偏转角度α。

本发明采用的技术方案如下：光子悬浮陀螺测量偏转角度的装置，包括激光器、半波片、一号偏振分束器、二号偏振分束器、三号偏振分束器、四号偏振分束器、λ/4玻片、透镜、滤波片、光电探测器和真空室，

真空室位于中部，真空室外部两侧从里往外依次摆放：透镜、λ/4玻片、偏振分束器、半波片和激光器，

真空室外部其中一侧：透镜与λ/4玻片之间设有三号偏振分束器和激光器；

真空室外部另一侧：透镜与λ/4玻片之间设有滤光片和四号偏振分束器，四号偏振分束器两侧各设有一组透镜和光电探测器，且这两组透镜和光电探测器呈垂直摆放；

微球设置在真空室内部。

利用圆偏光(圆偏光是一号和二号激光器的光)操纵微球旋转，使微球绕其最大惯性主轴旋转，用一束波长与圆偏光不同的线偏光作用在微球上，滤光片将圆偏光的散射光滤掉，四号偏振分束器将散射光光路一分为二，一路为非常光(e光)，另一路为寻常光(o光)，非常光(e光)进入一号光电探测器，寻常光(o光)进入二号光电探测器。两个光电探测器检测到的光强与线偏光和最大惯性主轴夹角α存在对应关系，e光光强与o光光强比值为tan2α，即通过测得的光强可以计算得出偏转角度α，从而完成对光子悬浮陀螺偏转角度的测定。

本发明的有益效果是：

本发明利用线偏光测定角度，具有结构简单、实用性强等优点。而且光子悬浮陀螺利用光力悬浮支撑，没有机械接触，克服了支承轴对整个系统精度的影响，避免了支承轴和转子之间摩擦阻力而产生的误差，提高系统的使用寿命，可以达到较高精度。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为线偏光沿最大惯性主轴入射和线偏光沿与最大惯性主轴成夹角α入射；

图中1为一号980激光器，2为二号980激光器2，3为532激光器，4为一号半波片，5为二号半波片，6为一号偏振分束器，7为二号偏振分束器，8为三号偏振分束器，9为四号偏振分束器，10为一号λ/4玻片，11为二号λ/4玻片，12为一号透镜，13为二号透镜，14为三号透镜，15为四号透镜，16为滤光片,17为真空室，18为微球，19为一号光电探测器，20为二号光电探测器，21为最大惯性主轴，α为线偏光与最大惯性主轴的夹角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施案例做详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围；

如图1所示：光子悬浮陀螺的装置，包括一号激光器1和二号激光器2和三号激光器3，一号半波片4，二号半波片5，一号偏振分束器6，二号偏振分束器7，三号偏振分束器8，四号偏振分束器9，一号λ/4玻片10，二号λ/4玻片11，一号透镜12，二号透镜13，三号透镜14，四号透镜15，滤光片16，真空室17，微球18，一号光电探测器19，二号光电探测器20，微球为双折射微球，采用喷射或其他方式将其放置在真空室中。

本发明实施案例：三束入射激光的光源选用三个激光器：一号激光器1和二号激光器2和三号激光器3，其中三号激光器3出射激光波长与另外两个激光器不同。一号激光器1出射的激光经过一号半波片4和一号偏振分束器6形成一束功率可调的右旋圆偏光，经过一号λ/4玻片10后形成一束功率可调的右旋圆偏光，经过一号透镜12聚焦入射到真空室17；二号激光器2出射的激光经过二号半波片5、二号偏振分束器7、二号λ/4玻片11后形成一束功率可调的左旋圆偏光，经过二号透镜13聚焦入射到到真空室17；所述一号激光1和二号激光2的输出功率设置为相等的数值，形成双光束光阱。光束对微球形成交错的散射力使微球绕其最大惯性主轴高速自转。将一号半波片或二号半波片旋转180°，然后打开三号激光器3，三号激光器3出射的激光经过三号偏振分束器8形成一束线偏光，经过二号透镜13入射到真空室。一号透镜12将散射光聚焦，滤光片16将圆偏光的散射光滤掉，因此入射到四号偏振分束器9的散射光全部为线偏光的散射光。四号偏振分束器9将线偏光的散射光分成两束光，一束为非常光(e光)，另一束为寻常光(o光)，非常光(e光)进入一号光电探测器19，寻常光(o光)进入二号光电探测器20。当光子悬浮陀螺无外界施加负载角度时，即线偏光沿最大惯性主轴入射，记录此时一号光电探测器19和二号光电探测器20探测到的光强比。当光子悬浮陀螺有外界施加负载角度时，即线偏光沿与最大惯性主轴成一定夹角α入射，记录此时一号光电探测器19和二号光电探测器20探测到的光强比。两个光电探测器检测到的光强与线偏光和最大惯性主轴夹角α存在对应关系，即e光光强与o光光强比值为tan2α，通过测得的光强e光和o光的光强可以计算得出偏转角度α，从而完成对光子悬浮陀螺偏转角度的测定。

如图2所示，当光子悬浮陀螺无外界施加负载角度时，即线偏光沿最大惯性主轴入射，记录此时一号光电探测器19和二号光电探测器20探测到的光强。当光子悬浮陀螺有外界施加负载角度时，即线偏光沿与最大惯性主轴成一定夹角α入射，记录此时一号光电探测器19和二号光电探测器20探测到的光强。两个光电探测器检测到的光强与线偏光和最大惯性主轴夹角α存在对应关系，即e光光强与o光光强比值为tan2α，通过测得的光强可以计算得出偏转角度α，从而完成对光子悬浮陀螺偏转角度的测定。

Claims (3)

1.一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺测量偏转角度的装置，包括激光器、半波片、一号偏振分束器、二号偏振分束器、三号偏振分束器、四号偏振分束器、λ/4玻片、透镜、滤波片、光电探测器和真空室，真空室位于中部，其特征在于，

所述真空室外部两侧丛里往外依次摆放：透镜、λ/4玻片、偏振分束器、半波片和激光器，

所述真空室外部其中一侧：透镜与λ/4玻片之间设有滤光片和四号偏振分束器，四号偏振分束器两侧各设有一组透镜和光电探测器，且这两组透镜和光电探测器呈垂直摆放；

所述真空室外部另一侧：透镜与λ/4玻片之间设有三号偏振分束器和激光器；

微球设置在真空室内部。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺测量偏转角度的装置，其特征在于，该装置利用圆偏光操纵微球旋转，使微球绕其最大惯性主轴旋转，用一束波长与圆偏光不同的线偏光作用在微球上，滤光片将圆偏光的散射光滤掉，偏振分束器将散射光光路一分为二，一路为非常光e光，另一路为寻常光o光，非常光e光进入一个光电探测器，寻常光o光进入另一个光电探测器；两个光电探测器检测到的光强与线偏光和最大惯性主轴夹角α存在对应关系，e光光强与o光光强比值为tan2α，通过测得的光强计算得出偏转角度α，从而完成对光子悬浮陀螺偏转角度的测定。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺测量偏转角度的装置，其特征在于，所述微球为双折射微球。