CN111913230A - 一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法。微纳粒子释放装置内装有微纳粒子，并位于激光光镊的上方，激光光镊中两束捕获光透射过各自的汇聚透镜后汇聚在交点，交点所在区域作为光阱捕获区，微纳粒子被两束捕获光稳定捕获在光阱捕获区；光学干涉仪和信号处理装置电连接，光学干涉仪对微纳粒子从光阱捕获区开始自由落体过程中实时测量位移并发送到信号处理装置，信号处理装置根据微纳粒子实时位移通过方法处理得到绝对重力加速度的测量值。本发明实时测量微纳小球在自由落体过程中的位移和时间实现绝对重力的测量，消除了环境空气干扰，可实现绝对重力加速度测量，改进了测量速度和效率。

Description

一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域的一种绝对重力仪器和测量方法，具体是涉及了一种用于测量绝对重力加速度值的仪器和测量方法。

背景技术

重力仪是一种用于测量重力加速度(重力)的精密仪器，其能够广泛应用于地球探测，探矿，勘察等应用领域，对于国民经济的发展具有重要的意义。重力仪的基本测量原理是根据牛顿第二定律，通过检测质量块的自由落体时间t和距离s，然后根据自由落体方程g＝2s/t²计算或者拟合重力加速度的测量值g；如果测量的重力加速度是相对大小，则该重力仪称为相对重力仪，如果测量的是重力加速度的绝对大小，则称为绝对重力仪。重力加速度测量也常简称为重力测量。

质量块自由落体过程开始松开机械固定结构的释放过程导致的质量块初速度，自由落体落体过程中的气体扰动干扰，所采用的质量块物体的表面形状会影响测量的精度，进而影响实际的重力测量的精度。

现有重力仪一般采用分米到米量级的自由落体距离作为测量距离以获得高的测量精度，并采用数据拟合的方式，降低质量块自由落体初速的影响，同时通过真空系统，降低空气对于物体运动扰动，从而综合提高重力仪的测量精度，但传统重力仪在测量开始前需要通过机械固定质量块，在释放过程中容易引入不可控和不可预测的初速度；同时其质量块需要重复利用，在一次测量过程后，需要复位机构将质量块进行复位，导致测量效率低下，系统庞大，复杂，测量速度受限等问题。简单而言，传统重力仪的机械接触使得其本质上具有一些不可消除的误差缺陷。

现有重力测量的方式主要利用机械释放质量块的方式，利用质量块的复位实现重力的重复测量，这种测量方式存在复位复杂，体积大，并且误差因素多等诸多不足，而根据现在的光学技术发展，特别是光力领域和光阱领域的技术发展，以基于光力悬浮系统的真空光镊新技术为基础，有望发展一种新的绝对重力测量技术，提高绝对重力的测量精度，降低系统的复杂性，同时实现重力的高精度快速测量方式，从而满足惯性导航、大地测量和矿产普查等领域对于重力角速度测量的迫切需求和科学应用需求。

发明内容

针对重力测量的技术现状，目前的重力仪体积庞大，测量质量块需要机械支撑和释放，易受干扰，需要复位，难以持续测量的技术现状，本发明结合量子理论和微纳技术、光力技术等新领域技术，提出了一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法，通过微纳小球充当下落质量块，利用光学干涉仪构成差分相位测量方式，实现下落微纳小球的位移测量，并通过拟合方式可以获得绝对重力的值。

本发明所采用的技术方案如下：

一、一种基于真空光镊的绝对重力仪：

主要由真空系统、微纳粒子、微纳粒子释放装置、激光光镊、光学干涉仪、信号处理装置构成；微纳粒子释放装置、激光光镊均置于真空系统内，光学干涉仪、信号处理装置均位于真空系统外；真空系统为一个真空腔，真空腔的上下方和侧方设为透明的窗口，通过一个真空腔为微纳粒子自由落体过程提供一个真空环境，从而避免空气对测量过程的影响，真空腔壁上开有透光光学窗口，真空腔内外的光信号通过光学窗口传输。

微纳粒子释放装置内装有微纳粒子，微纳粒子为重力测量的介质，在每次测量过程中由微纳粒子释放装置提供；微纳粒子释放装置位于激光光镊的上方，激光光镊是主要由左右水平同轴的两束捕获光和两个汇聚透镜构成，两束捕获光透射过各自的汇聚透镜后汇聚在交点，交点所在区域作为光阱捕获区，微纳粒子被两束捕获光稳定捕获在光阱捕获区；捕获光为激光，激光通过汇聚透镜在真空腔内汇聚构成真空光镊，作为微纳粒子的光阱捕获区域。所述的微纳粒子释放装置、激光形成的真空光镊捕获区域均处于真空腔体中，并沿重力方向从上往下分布。

光学干涉仪和信号处理装置电连接，光学干涉仪对微纳粒子从光阱捕获区开始自由落体过程中实时测量位移并发送到信号处理装置，信号处理装置根据微纳粒子实时位移通过方法处理得到绝对重力加速度的测量值。

所述的微纳小球的材质为二氧化硅，直径为1微米～30微米直径，最佳直径在10微米左右；具体实施中该微纳小球可采用商用微纳小球。

微纳小球处于微纳粒子释放装置中，并在释放过程中从微纳粒子释放装置释放下落；所述微纳粒子释放装置中的释放方式采用压电陶瓷谐振起振的释放方式。

所述的光学干涉仪包括激光器、发射镜M1和M2、三个偏振分光棱镜PBS1～PBS3、玻片P1和P2以及起偏器Q1，微纳小球重力下落的正上方设有上偏振分光棱镜PBS1和上玻片P1，上偏振分光棱镜PBS1侧方设有上发射镜M2，微纳小球重力下落的正下方设有下偏振分光棱镜PBS2和下玻片P2，下偏振分光棱镜PBS2正下方设下发射镜M1，下发射镜M1侧方设有接收偏振分光棱镜PBS3和起偏器Q1；激光器发出频率不同的两束线偏光，第一束线偏光从微纳小球正上方沿重力方向的正方向依次透射过上偏振分光棱镜PBS1和上玻片P1后照射到微纳小球，经微纳小球表面散射后产生上散射光，上散射光向上沿光路返回经上玻片P1透射、上偏振分光棱镜PBS1反射后入射到上发射镜M2，经上发射镜M2反射后入射到接收偏振分光棱镜PBS3再发生反射，形成第一束探测光路；第二束线偏光从微纳小球下方沿重力方向的反方向依次经下偏振分光棱镜PBS2反射、下玻片P2透射后照射到微纳小球，经微纳小球表面散射后产生下散射光，下散射光向下沿光路返回经下玻片P2透射、下偏振分光棱镜PBS2反射后入射到下发射镜M1，经下发射镜M1反射后入射到接收偏振分光棱镜PBS3再发生透射，形成第二束探测光路；接收偏振分光棱镜PBS3反射和透射出射的光束汇聚干涉后再经起偏器Q1入射到光电转换电路被采集探测获得干涉信号，光电转换电路连接到电路信息处理系统，电路信息处理系统对光信号进行分析处理获得光学相位的测量结果。

这样激光器发出频率不同的两束线偏光，两束线偏光经分光光路分别沿重力方向的正反方向照射到微纳小球，经微纳小球后发生散射产生散射光，两束线偏光对应的散射光经过光信号收集光路后汇聚干涉被接收。

所述的光学干涉仪的激光器所用光源采用高稳定性光源，其波长稳定性要求根据绝对重力仪的设计要求设定，其相对稳定性不差于绝对重力测量的相对稳定性指标，在1ng(10^-9×重力加速度)的重力测量稳定性指标下，重力的相对稳定性为10^-9，对应的波长稳定性要求优于0.001ppm。)

二、一种绝对重力仪的绝对重力测量方法，方法过程如下：

a)开启真空光镊的激光器输出水平两束的捕获光，并经各自的汇聚透镜，在真空腔内形成光阱捕获区；

b)通过微纳小球释放装置释放一个微纳小球，之后微纳小球在重力作用下向下做自由落体运动到达光阱捕获区，被稳定捕获于光阱捕获区的中心；

c)开启光学干涉仪，开始进行微纳小球位移的干涉测量；

关闭真空光镊的激光器的捕获光，微纳小球在重力作用下从光阱捕获区的中心释放沿重力方向向下自由落体运动；

关闭捕获光的同时，通过光学干涉仪测量微纳小球的位移的实时变化过程，得到位移随时间的测量时间序列s；

d)根据测量时间序列s进行拟合，得到绝对重力的一次测量值；

e)关闭光学干涉仪，结束一次本次测量；

f)重复以上a)～e)过程，实现绝对重力的连续测量。

所述微纳小球自由落体过程中位移s(n)的测量方法具体为；通过光学干涉仪采集探测到干涉信号，测量光照射在微纳小球上，微纳小球在下落过程中，其沿重力相反两个方向散射光的光相位产生变化，幅度大小一样，相位相反，其中沿重力反方向的散射光的光相位变化记为

沿重力方向的散射光的光相位变化记为

光学干涉仪收集并利用沿重力正反方向的光进行干涉；根据干涉信号解析获得当前相位

实时测量并定时输出，每次采集获得一个光相位变化的测量值，采样间隔为T，连续采样得到n个光相位变化的实时测量值序列

根据下式计算得到第n次测量的微纳小球的位移信号s(n)，进而获得位移随时间的测量时间序列s：

其中，λ为光学干涉仪所采用的光波长，n为测量采样的序号，取为自然数，每个采样时间为T，由原子钟提供统一时序信号和时间基准提供。

这样，本发明的光学干涉仪采用微纳小球沿重力方向的对干涉仪输出的入射光的反射光构成差分干涉，从而降低各类共模噪声，提高微纳小球下落位移的测量稳定性，间接提高了绝对重力测量的稳定性。

所述的根据测量时间序列s进行拟合采用最小二乘法进行拟合，按照下式输入测量时间序列s拟合得到绝对重力的测量值g：

s(n)＝s(0)+g×(nT)²/2

其中，s(n)表示第n次测量的微纳小球的位移信号，s(0)为常数系数，同样根据上式通过最小二乘法拟合得到，n表示测量时间序列中的测量值的总数，即测量总次数，T为采样时间，由原子钟提供统一时序信号和时间基准提供。其中n，T均为已知参数，T由系统原子钟提供的时间基准产生的采样周期信号，s(0)和g为拟合参量，其中g的拟合结果对应于所需测量的绝对重力值。

在本发明的绝对重力仪中，由原子钟提供统一的时序信号，从而获得准确的计时信息和时序信息，典型可采用铷钟原子钟，其时间稳定性要求高于重力目标测量稳定性3倍以上，，在1ng(10^-9×重力加速度)的重力测量稳定性指标下，重力的相对稳定性为10^-9，对应原子钟时间提供的时间基准稳定性要求优于10^-10。)

其中测量时间T有时间基准，同样和绝对重力的测量稳定性相关，一般而言有源晶振、无源晶振的稳定性均在1ppm(percent per million:10^-6)以内，基本不能够满足时间基准要求；在本发明中，要求利用原子钟作为系统的时间基准，为系统的工作时序、时间周期等提供时间基准。典型的如采用铷钟，其稳定性在1ppb(percent per billion：10^-9)以上，同时也可根据绝对重力仪的需求，选用其他稳定性更高的商业化原子钟，一般来说，选用原子钟的精度要求比绝对重力仪的目标精稳定性要求更高，该要求在现有商用原子钟技术现状下无技术障碍。

本发明的光学干涉仪则实时测量微纳小球在自由落体过程中的位移和时间信号，通过位移和时间的变化关系，结合高稳定的光学干涉仪测量波长和原子钟提供的高稳定性时间基准信号，通过自由落体实现绝对重力的测量。

本发明利用微纳小球作为测量载体，结合真空光镊技术，消除了环境空气干扰，可实现绝对重力加速度测量，改进了测量速度和效率。

本发明重力仪利用微纳小球作为测量载体，结合真空光镊技术，实现小球释放后的捕获初始化以及自由落体控制，利用干涉仪精确测量小球的释放之后的实时位置，结合时间基准和光源波长基准值，计算得到绝对重力加速度大小。

本发明具有的有益效果是：

本发明首次提出了基于真空光镊的绝对重力仪方案，利用微纳小球作为重力测量的质量块，利用激光捕获技术消除了机械释放对测量质量块的初速度影响，利用真空系统降低空气对微纳小球自由落体运动的干扰，利用激光干涉测量技术实现微纳小球下落位移的实时测量，配合干涉仪光源的波长基准长度和原子钟提供的时间基准，实现了绝对重力的测量；同时可利用微纳小球连续释放的方式避开了质量块前后测量之间质量块重新加载复位的过程，从而具有高速测量的特征。

本发明利用光阱的光力支撑替代现有的机械支撑，通过捕获光束控制替代接触机械释放的影响，同时通过真空系统消除了空气分子的热运动对测量微纳小球的干扰，从而实现高精度重力快速测量。

本发明所提出的方案充分利用了真空光镊中光力悬浮系统的高精度特点，有望成为小型化高精度宽带宽的重力测量仪器，为绝对重力测量提供了一种全新的技术途径，有望促进重力测量技术领域的发展，促进重力仪在探矿、地质普查等领域的推广应用。

附图说明

图1是捕获光阱示意图；

图2是微纳小球位置的测量原理示意图；

图3是小球自由落体位移干涉测量光路示意图；

图4是绝对重力仪的光学重力测试过程；

图5是本发明实施例的仿真数据示例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

具体实施中，重力仪的基本原理相对简单，目前的核心难点和关键技术在于为了对于几个主要误差源的控制，实际应用中不可忽略环境对于测量的影响，这里面主要的结果核心误差和解决方法包括：

第一个技术问题是空气阻力的影响。由于系统中空气分子的存在，使得质量块下降过程中受到气流和空气分子的布朗运动的影响，实际质量块受到的不仅仅是重力加速度，还受到空气分子碰撞的反作用力。

这个问题可通过真空系统解决，通过真空系统将质量块自由落体过程中的环境中的气体去除，从而可以大幅度降低这个误差源，在本发明中，通过为微纳粒子提供真空环境实现，所用的真空系统可以采用典型的光学真空腔技术，为成熟技术，在很多光学测量领域中具有成功应用例子。在本发明中，将利用真空腔为微纳小球提供自由落体空间。微纳小球相关的光学信号通过真空腔体的光学窗口内外传输。

第二个技术问题在于质量块的环境干扰。在传统的重力仪中，测量质量块(常采用角锥棱角)，通过机械结构固定，并在测量开始时候通过机械结构释放的方式。这种方式由于存在机械接触的环境，在释放过程中实际上质量块的初始速度非零，并且速度方向随机不可控，难以建模消除，这是主要的误差源。

在本发明中，采用光力方式支撑住质量块(本发明中采用微纳小球作为质量块)。根据量子光学的相关理论，光子具有动量，如果将其照射到一个物体上，会对物体产生一个压力，称为光压力，这个力和光强大小，功率密度大小以及照射面积相关，当然这个力也相当的小。随着激光技术的发展，可以实现大功率和功率密度的光场，从而可以产生较大的光压力，可以计算，对于直径100nm～10um的小球，利用mW量级的激光所产生压力，可以实现和重力相当的力，从而可以在真空中，利用捕获光束形成光阱，利用光阱的梯度力或者散射力光力将小球悬浮起来(也即捕获小球)，这种捕获过程中小球没有其他任何的机械力学接触，通过AOM或EOM激光开关，可实现小球捕获和释放，从而可消除机械接触导致的小球不可控初速度。

微纳小球在空气中会和空气分子发生碰撞产生动量交换，从而导致其本身会做布朗运动，这种运动有时候也称为热运动，这种运动也会在一定的程度上影响微纳小球的位置和速度初始值。在现有的技术下，可通过真空系统，降低分子密度减低热运动。而真空系统中残余分子导致的小球热运动，则可以通过真空小球冷却系统进行冷却。通过在捕获光之外增加一个冷却光以及运动测量系统，通过时刻监控微纳小球的位置和运动测量，利用冷却光束进行控制，抵消空气分子的冲量，降低小球位置波动和速度，从而实现微纳小球的激光冷却，提高其初始位置精度；在本发明中，微纳小球捕获后的冷却属于可选项，可以改善性能，但不是本发明的必要构成。

第三个问题为下落质量的位移精确、稳定实时测量。

重力测量的核心为下落质量块的位移测量，在本发明中采用差分干涉的方式实现下落微纳粒子的位移测量，利用微纳粒子的沿重力正反方向的散射光，构成差分干涉仪，实现相位的差分测量，抑制各类共模误差，从而获得位移的稳定测量，并为后续绝对重力仪的稳定性提供基础。

在本发明的差分光学干涉仪中，干涉的两束光和小球下落速度相对方向相反，分别带有小球运动位移对应的光相位，大小相同，并且幅度相反，恰好构成差分对，从而可以消除各类共模误差等。微纳小球每向下运动1/4个波长，从上表面入射并反射的光增加了π光相位，从下表面入射并反射的光减小了π相位，上下表面散射光间的相位差

变化了2π相位。在实际干涉仪中，实现了上下表面散射光的干涉相位差

的测量，根据计算得到位移的变化量。

在这个转换过程中，干涉仪干涉测量的波长为相位和位移之间提供了一个转换基准和转换比例系数，在绝对重力仪中，这个比例系数的大小涉及到绝对重力的比例大小，在绝对重力仪中，要求该波长具有足够的稳定性。

在目前的光阱系统常用的光学光源，大部分采用1064nm光阱捕获光源和532nm的冷却光源，典型的激光光源波长稳定性在10^-7的量级，能够满足一般应用；而通过采用碘稳频的激光器，作为干涉仪的测量光源，波长相对稳定性可以提升到10^-9以上，可满足高精度绝对重力仪的测量要求，支撑ng级的重力测量。这些激光器均有商用化器件，在重力仪设计中可根据目标精度选型购买。

具体实施的捕获光阱情况如图1所示，图中所给出的为双光束光阱的示意图，捕获光阱的功能主要是实现微纳粒子从释放装置上释放的粒子的捕获，从而实现粒子在重力测量过程中的状态初始化；捕获光开启时候形成捕获光阱捕获区；捕获后通过关闭捕获光，则可使得粒子自由落体，也即通过捕获光的开关实现微纳粒子的状态初始化以及粒子的释放。激光捕获装置中的两束捕获光来源同一激光器，典型的如采用1064nm的激光器的两个偏振光分别作为左右捕获光。

如图1所示，两个透镜L1和L2分别将左右入射的两束平光聚焦在中心的焦点位置上，在焦点处附近形成光阱捕获区，焦点为光阱中心，焦点处的光阱捕获区对于经过其中的微纳小球具有捕获作用，并在无其他外力的作用下将小球捕获在中心位置，有时也称为捕获区。如图1所示，光阱捕获区处捕获了一个微纳小球。

左上角为微纳小球的释放装置示意图，在每次释放过程中通过压电晶体PZT振动提供一个微纳小球，向下运动并被下方的捕获区所捕获，图中的微纳小球大小和装置大小为示意图，和实际尺寸非严格比例关系。

在微纳小球离开光阱中心的时候，激光捕获光阱中对被捕获的微纳小球有散射力和梯度力，并且散射力和梯度力指向光阱中心，从而在微纳小球偏离光阱中心时候，光阱捕获区产生光力，将微纳小球拉回光阱中心。其中散射力是由于微纳小球在水平方向(激光入射方向)偏离中心产生的力，而梯度力是由于微纳小球在垂直方向偏离中心而产生的力。散射力和梯度力表现类似于物理中的弹簧。

在重力场的情况下，由于微纳小球还受到地球引力的作用，实际上微纳小球往下偏离中心，从而产生一个往上的梯度力来抵消微纳小球的重力。因此，微纳小球在光阱捕获区捕获下，在光力(散射力和梯度力)和重力作用下静止在光阱中心位置，光阱中心位置作为自由落地的起始位置。

具体实施中，由于光阱中心两侧对称的平行光的散射力作用以及重力场和梯度力的不平等作用，微纳小球实质在光阱中心的正上方或者正下方位置，并会不在光阱中心两侧位置，由此可能产生了高度偏差，但在本发明中，光阱捕获区是通过光捕获，使得由释放装置释放的粒子在光力的作用下，稳定在光阱捕获区的平衡位置上，从而降低释放过程导致的粒子的初始状态的不确定性，从而确保不同次释放并捕获的微纳粒子在后续自由落体过程中，具有同样的初始状态，典型的如初始速度为零(忽略热噪声导致的位置和速度波动)。

微纳小球位置的测量原理如图2所示，图中灰色小球为测量介质，虚线分别为沿正反重力方向照射到小球的上下两束入射光，实线表示小球表面的部分散射光(忽略其他方向的散射光)。小球在重力场g作用下向下做自由落体运动。上下两束入射光在小球表面产生反射，其中实线部分分别标示小球沿重力正反方向的散射光，也是后续光学干涉仪干涉的两束光。

图中重力g的方向和小球速度v的方向如黑色箭头所示为向下方向，其中f₁、f₂为从重力正反方向方向照射到小球的探测光(如虚线箭头所示)的频率，可由双频激光器或单频激光器结合AOM提供；探测光并在下落小球表面上产生散射光(如实线箭头所示为分别沿重力正反方向的散射光)，散射光和入射光之间产生了和小球运动速度v或位移s相关的频率变化df或相位变化

并且沿重力正反方向的散射光产生频率变化值和相位变化值大小一致，方向相反。通过频差df或者相位变化

的实时测量，即可反演计算得到小球的实时速度和位移，结合原子钟提供的时间信息间接计算得到绝对重力场的大小。其中相位变化可以采用光学干涉仪的方式实现测量，属于成熟技术。一般而言，通过干涉仪可实现优于1mrad的光相位测量灵敏度。

作为一个粒子，假设在上下表面的入射光采用通过干涉仪光源(如高稳定的碘稳频激光光源)分光并经过光路分别照射到小球的上下方向，所用的入射光，也即探测光的波长为532nm，此时f₁＝f₂，在小球静止的时候，其速度为零，位移为零，此时频差和相位变化均为零，也即df＝0，

如果小球向下运动1/4个波长，也即133nm，此时向上散射光的相位变化为+π相位，向下散射光的相位变化为-π相位，此时上下散射光之间的总相位差为2π；通过上下散射光构成的干涉仪测量得到的光相位为2π，此时小球位移的信息转换为光学干涉仪的相位信息，根据测量得到的相位，可反过来计算得到小球的位移信息。相位和位移信息之间的关系如下所示：

其中，λ为光学干涉仪所采用的光波长。

如果实现1mrad的相位测量精度，对应的位移精度约为20pm。

考虑到数字化之后，根据原子钟提供的时序参考信号，干涉仪对光相位可进行定时测量，此时相位测量得到的为相位的离散化结果，记采样周期为T，此时相位和位移之间的关系为：

其中n表示的采样点的序号。

而根据自由落体公式，在重力下小球下落的位移可以表示如下：

s＝ s0+g×t²/2 (2)

其中t为时间，s0为下落起始的起始位置，g为测量点的重力加速度大小，也即为目标测量物理量；根据该式子，如果知道实时位移s和时间t的大小，可以计算得到绝对重力加速度g的大小，一般而言，这个过程中采用拟合方式，以提高信噪比，典型的拟合方式为最小二乘法，以获得最小的均方差。

考虑到测量过程离散化，测量时间可以用采样周期和序号替代，此时离散化的自由落体方程如下式：

s(n)＝ s0+g×(nT)²/2 (3)

结合式子(1)，可以得到：

其中n为序号，T为采用周期，由原子钟提供，λ为波长，均为已知值，

为实际测量，是序号n的二次函数，g和s0为位置参量，通过从而可以根据

多次测量结果，按照以上式子拟合得到g和s0这两个参数的拟合值，其中g的拟合值对应的就是绝对重力加速度的测量值，从而实现绝对重力的测量。

同样根据上式，也可得到对于及时误差、波长误差的要求，要使得最终g的测量稳定性和精度达到目标要求，T和λ均需要满足一定的约束。

例如若g的测量稳定性达到1ng，也即1ppb(percent per billion:10^-9)，则时间的稳定性和波长稳定性也需达到类似的精度；按照现有的典型技术手段，时间稳定性可以选用铷钟原子钟可以满足该要求，也可选用其他性能更佳的商用原子钟提供时间基准；而波长可以采用碘稳频激光器，同样也有满足该要求的商用产品；该要求不是技术本发明的技术限制，可通过选用合适的器件解决。

小球自由落体位移干涉测量光路如图3所示，如图3所示，f₁、f₂为从同一激光器引出的两束线偏光，经分光光路分别从重力方向的正反方向照射到微纳小球，经微纳小球后部分发生散射，散射光经过光信号收集光路后进行干涉，其干涉信号中带有小球位置变化ds的信息。

包括3个偏振分光棱镜，分别为PBS1、PBS2、PBS3，主要实现系统的偏振分光和合光作用，包括2个发射镜M1、M2，主要作为光线方向调整，以及两个玻片P1、P2，主要起偏振态调整作用，包括1个起偏器Q1，主要是实现不同偏振光直接的偏振态调整，从而实现光干涉，该光路为典型的光学干涉仪配置。干涉信号最后通过光电转换电路，并提供给干涉仪配套的电路信号处理系统，完成光学相位的测量。

图中给出了在f₁＝f₂的情况下，当微纳小球自由落体位移经过ds，速度达到v时候的情况，此时干涉信号的相位变化和干涉条纹的频率分别为Δf和

利用电路系统实时采集光电干涉信号信息，解调得到Δf和

结合光源波长值可计算得到ds。

通过以上光路，最终在起偏器Q1后来自小球上下两个方向的散射光产生了差分干涉，小球运动信号体现为干涉的相位差变化。

在实际的重力仪中，其中部分光路处于真空系统提供的真空腔中，包括PBS1、PBS2、玻片P1和P2、微纳小球及其释放装置，此外其他光学器件处于真空腔外，真空腔在腔内外的光学器件之间的光路连接处为光学透过窗口，在真空腔加工时候预留。

如图4所示，绝对重力仪的光学重力测试过程具体为如下：

对于释放装置每次释放的一个微纳小球，实现一次绝对重力加速度的测量；例如针对第m次测试(m为测试序数，为从1开始的自然数)，采用以下方式获得重力加速度值g(m)，m表示测试次数的序数；

a)微纳小球被释放装置释放后，微纳小球在重力作用下沿重力下落到达激光冷却腔的光阱捕获区；

b)激光器开启捕获光，利用捕获光形成的光阱捕获区，通过光阱捕获区中梯度力和散射力的光力作用将微纳小球捕获在光阱中心附近；

c)根据需要开启冷却光，利用冷却光对微纳小球进行激光闭环反馈冷却，降低小球的热运动，直到满足预先设定的冷却目标，该步骤在本发明中为可选部分，也可不采用冷却，通过残余空气实现对小球三个方向的运动速度的耗散，最后小球在光阱附近随机热运动；

d)微纳小球的热运动降低达到预先设定的目标后，同时关断捕获光和冷却光(若有)，此时小球捕获光阱消失，小球在重力的作用下沿重力方向向下做自由落体运动；

e)开启测量干涉仪激光，并在原子钟提供的时序信号的控制下，周期性测量小球在自由落体过程中，从小球重力上下两个方向光之间的干涉相位差；采样周期记为T，由原子钟提供，记第n个采样周期的相位采样值为

连续采样N次，得到N个光相位的测量值；

f)根据

的N个测量值，按照下式进行数据拟合，采用最小二乘法，拟合得到当前绝对重力加速度参量的大小，即为本次测量的结果，记为g(m)：

上式子中，λ、T为常量，分别由光源波长和原子钟提供，n为采样序号，g和s0为被拟合对象，其中参量g的拟合值g(m)为目标测量量。

g)关闭干涉仪激光，停止相位的测量；

h)根据系统设定需求，对外输出本次测量值，从而结束绝对重力的一次测量。

在系统时序信号的控制下，重复以上a)～h)中的测量步骤，实现绝对重力的连续测量。

同时为了降低时间技术误差对于g(m)精度的影响，计时的基准和系统时序信号需要采用原子钟，典型可采用稳定性优于10^-10稳定度的原子钟作为计时基准，可将时间误差抑制在10^-10以内，典型产品如商用化的铷钟。

在光学重力仪中，为了消除空气阻力的影响，利用真空系统提供核心测量部件的工作真空环境，其中微纳小球的释放装置、第一个光学腔的光路系统和第二个光学探测腔的主要部件，如图2中框所示，放置于真空腔中，在真空腔的壁上留有透光的玻璃孔，从而允许置于腔外的光束输入以及内部的探测光输出到腔外的探测光路中。

真空腔体提供一个真空工作环境，真空度控制在优于10^-6帕以内，并作为微纳小球释放、冷却、自由落体和位置测量的运动空间，通过真空腔体提供的真空工作环境消除空气分子运动对微纳小球的运动干扰，从而测量精度结果。

真空腔体上开设光学窗口，光学窗口为捕获光、探测光和冷却光的激光光束在腔内外之间常数，该窗口在真空腔体制作时候预留。

本发明实施例的仿真数据如图5所示，根据工作流程，通过软件仿真，考虑在存在噪声情况下的测试数据输出情况。图中横坐标为测试次数序号，纵坐标为自由落体微纳小球的下落位移量，单位为厘米(cm)。

在图5中的数据中，采用的光相位测量输出采样周期为1毫秒，测试了100次得到100个点，构成了图中点折线；之后通过自由落体方程进行最小二乘法拟合，得到g在本次的测量值为9.8m/s²。

本图仅作为数据拟合过程的示意作用，图中放大了每个测试点的实际噪声，以表示绝对重力加速度g的拟合方法。

Claims (6)

1.一种基于真空光镊的绝对重力仪，其特征在于：主要由真空系统、微纳粒子、微纳粒子释放装置、激光光镊、光学干涉仪、信号处理装置构成；微纳粒子释放装置、激光光镊均置于真空系统内，光学干涉仪、信号处理装置均位于真空系统外；微纳粒子释放装置内装有微纳粒子，微纳粒子释放装置位于激光光镊的上方，激光光镊是主要由左右水平同轴的两束捕获光和两个汇聚透镜构成，两束捕获光透射过各自的汇聚透镜后汇聚在交点，交点所在区域作为光阱捕获区，微纳粒子被两束捕获光稳定捕获在光阱捕获区；光学干涉仪和信号处理装置电连接，光学干涉仪对微纳粒子从光阱捕获区开始自由落体过程中实时测量位移并发送到信号处理装置，信号处理装置根据微纳粒子实时位移通过方法处理得到绝对重力加速度的测量值。

2.根据权利要求1所述的一种基于真空光镊的绝对重力仪，其特征在于：

所述的微纳小球的材质为二氧化硅，直径为1微米～30微米直径。

3.根据权利要求1所述的一种基于真空光镊的绝对重力仪，其特征在于：

所述的光学干涉仪包括激光器、发射镜M1和M2、三个偏振分光棱镜PBS1～PBS3、玻片P1和P2以及起偏器Q1，微纳小球重力下落的正上方设有上偏振分光棱镜PBS1和上玻片P1，上偏振分光棱镜PBS1侧方设有上发射镜M2，微纳小球重力下落的正下方设有下偏振分光棱镜PBS2和下玻片P2，下偏振分光棱镜PBS2正下方设下发射镜M1，下发射镜M1侧方设有接收偏振分光棱镜PBS3和起偏器Q1；激光器发出频率不同的两束线偏光，第一束线偏光从微纳小球正上方沿重力方向的正方向依次透射过上偏振分光棱镜PBS1和上玻片P1后照射到微纳小球，经微纳小球表面散射后产生上散射光，上散射光向上沿光路返回经上玻片P1透射、上偏振分光棱镜PBS1反射后入射到上发射镜M2，经上发射镜M2反射后入射到接收偏振分光棱镜PBS3再发生反射，形成第一束探测光路；第二束线偏光从微纳小球下方沿重力方向的反方向依次经下偏振分光棱镜PBS2反射、下玻片P2透射后照射到微纳小球，经微纳小球表面散射后产生下散射光，下散射光向下沿光路返回经下玻片P2透射、下偏振分光棱镜PBS2反射后入射到下发射镜M1，经下发射镜M1反射后入射到接收偏振分光棱镜PBS3再发生透射，形成第二束探测光路；接收偏振分光棱镜PBS3反射和透射出射的光束汇聚干涉后再经起偏器Q1入射到光电转换电路被采集探测获得干涉信号。

4.应用于权利要求1-3任一所述绝对重力仪的绝对重力测量方法，其特征在于，方法过程如下：

a)开启真空光镊的激光器输出水平两束的捕获光，并经各自的汇聚透镜，在真空腔内形成光阱捕获区；

b)通过微纳小球释放装置释放一个微纳小球，之后微纳小球在重力作用下向下做自由落体运动到达光阱捕获区，被稳定捕获于光阱捕获区的中心；

c)开启光学干涉仪，开始进行微纳小球位移的干涉测量；

关闭真空光镊的激光器的捕获光，微纳小球在重力作用下从光阱捕获区的中心释放沿重力方向向下自由落体运动；

关闭捕获光的同时，通过光学干涉仪测量微纳小球的位移的实时变化过程，得到位移随时间的测量时间序列s；

d)根据测量时间序列s进行拟合，得到绝对重力的一次测量值；

e)关闭光学干涉仪，结束本次测量；

f)重复以上a)～e)过程，实现绝对重力的连续测量。

5.根据权利要求4所述的绝对重力测量方法，其特征在于：所述微纳小球自由落体过程中位移s(n)的测量方法具体为；通过光学干涉仪采集探测到干涉信号，根据干涉信号解析获得当前相位

实时测量并定时输出，每次采集获得一个光相位变化的测量值，采样间隔为T，连续采样得到n个光相位变化的实时测量值序列

根据下式计算得到第n次测量的微纳小球的位移信号s(n)，进而获得位移随时间的测量时间序列s：

其中，λ为光学干涉仪所采用的光波长，n为测量采样的序号，取为自然数，由原子钟提供统一时序信号和时间基准提供。

6.根据权利要求4所述的绝对重力测量方法，其特征在于：所述的根据测量时间序列s进行拟合采用最小二乘法进行拟合，按照下式输入测量时间序列s拟合得到绝对重力的测量值g：

s(n)＝s(0)+g×(nT)²/2

其中，s(n)表示第n次测量的微纳小球的位移信号，s(0)为常数系数，n表示测量时间序列中的测量值的总数，T为采样时间，由原子钟提供统一时序信号和时间基准提供。

Images