CN112005090B - 一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置及方法，通过激光反射的光压作用，对目标产生微推力。该装置包括激光器、激光调节装置、分光镜、快门、反射镜以及激光功率计。通过激光器产生激光光束，通过激光调节装置对激光特性进行调节，再经由分光镜分为两路，其中一路到达一台激光功率计位置，测得的功率用于确定用于微推力施加激光功率大小，另一路经由快门照射在安装在目标上的反光镜处，进而对目标产生微推力，反射镜反射的光到达另一台激光功率计，通过使用两台激光功率计实时测量两路激光的功率，结合反射率及激光照射反射镜的入射角等参数，可以计算得到作用于目标上的微推力，然后根据计算得到的微推力实时调整激光器的出光功率以满足需求。记录对目标施加的推力及微冲量数据，并记录目标在其作用下的响应情况，可以用于对高精度微推力微冲量测量装置的标定。

Description

一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置和方法
技术领域
本发明涉及精密力学及航天推进技术领域，特别涉及一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置和方法。
背景技术
随着科技及工业领域向高精尖方向发展，在航天推进、精密仪器设备制造、生物医学等领域，对微推力及微冲量的精确施加及控制的需求不断增大，应用越来越广泛。
常见的微推力施加方法主要包括接触式推力施加法及非接触式推力施加法两类。其中，接触式推力施加法是指利用轻小物体接触目标，通过在接触位置安装的压电传感器确定所施加的推力大小；或使用经精确称量的小球接触目标，然后通过计算小球重力在力施加方向的分量大小，以确定所施加的微推力的大小。使用这类方法时，推力施加的精度受限于压电传感器的推力探测范围及灵敏度或对物体质量称量的精度，通常难以精确施加1μN以下的微推力。而非接触式推力施加法则包括使用静电力的电容法和电梳法，通过对电极电压及电极距离的精确控制，实现对目标加载低至nN级的微小推力，这类方法需要在目标物体上安装电容板或电梳装置等，其设置及推力施加的操作过程及都较复杂。此外，非接触式推力施加法还包括利用磁力的方法，这类方法存在磁力难以精确控制及计算，且需精确控制磁铁间相对距离等问题。
因此，需要一种新的微推力施加方法，在降低设置及操作难度的同时，提高微推力施加的控制范围及控制精度。
发明内容
针对现有技术中的全部或部分问题，本发明提供一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置及方法，通过激光照射物体时光子碰撞产生的光压作用，对目标产生微推力，所述基于光压原理的微推力微冲量施加装置包括：
激光器，用于产生激光光束；
分光镜，布置于所述激光器的光路上，与所述激光器产生的激光光束存在一个夹角，用于将所述激光光束分为两束；
快门，布置于经所述分光镜反射的激光光束的光路上，用于控制射向所述目标的激光光束的通断时间；
反射镜，布置于所述目标的表面，与所述经分光镜反射的激光光束存在夹角；以及
激光功率计，包括第一激光功率计及第二激光功率计，其中，所述第一激光功率计布置于经所述分光镜透射的激光光束的光路上，用于实时测量所述激光器出光功率；以及所述第二激光功率计布置于经所述反射镜反射的激光光束的光路上，用于测量经所述反射镜反射的激光功率。
进一步地，所述装置还包括光束调节装置，布置于所述激光器与所述分光镜之间，用于将所述激光器发出的激光光束调节为平行光，也可根据需要调节包括激光偏振态、相位等光束时空分布特性。
进一步地，所述激光器的输出功率可调。
进一步地，所述目标可放置于真空环境中，也可放置在气体扰动较小的气体环境中，在以上环境中光压产生的推力效果较显著。
进一步地，入射激光在所述反射镜处发生镜面反射，对反射镜的反射率无具体要求。
进一步地，所述第二激光功率计探测区域与所述反射镜的相互位置满足：在不影响对所述反射镜反射光的光功率测量的前提下，第二激光功率计探测区可朝向反射光传播方向或与之有一定夹角。功率计探测区与所述贴有反射镜的目标间的距离应足够远，以确保在功率计探测区处反射的激光的绝大部分不会再次到达所述反射镜及目标，降低功率计反射的激光对目标再次产生推力作用。
基于上述装置施加微推力微冲量的方法包括：
通过分别测量经由所述分光镜的反射光及透射光的功率，计算得到所述分光镜的反射透射比；
根据所需施加的微推力及微冲量的大小，及反射镜对激光波长的反射率大小，初步计算所述激光器的出光功率以及快门的开启时间及关闭时间，并设置激光器；
开启激光器，通过所述第一激光功率计测量经由所述分光镜透射的激光光束功率，并根据所述分光镜的反射透射比，计算得到由所述分光镜反射的用于对目标施加微推力的激光光束功率；
根据计算所得的快门开启时间打开快门，使激光光束入射反射镜，光束一部分发生反射，另一部分被反射镜吸收。到达反射镜的激光光束截面尺寸应足够小，使其能全部照射在反射镜上。通过所述第二激光功率计测量经由所述反射镜反射后的激光光束的功率，并根据所述第一激光功率计、第二激光功率计测得的功率，实时计算施加于目标的微推力的大小，判断是否符合需求，若不符合，对激光器的出光功率进行实时调整；以及
到达计算所得的关闭时间后，关闭快门，关闭激光器。
进一步地，激光施加于目标的微推力大小为F(t)，其矢量在激光入射光与反射光组成的平面内，分解为平行于镜面方向及垂直于镜面方向的两个分量，其中：
垂直于反射镜镜面并指向反射镜方向上的分量大小Fy(t)＝F(t)cosα满足：
Figure GDA0003451039930000031
以及
平行于反射镜镜面方向的分量大小Fx(t)＝F(t)sinα满足：
Figure GDA0003451039930000032
其中，k为所述分光镜的反射透射比，c为真空中的光速，θ为激光光束在所述反射镜的入射角，α为微推力方向与镜面法线之间的夹角，P1(t)为经由所述分光镜透射的激光光束的功率，以及P2(t)为经由所述反射镜反射的激光光束的功率。
微推力在平行于镜面方向上分量Fx(t)与反射镜镜面对激光的反射率有关，当反射率很高，接近1时，镜面对入射光吸收小，反射光功率P2(t)约等于入射光功率kP1(t)。此时，推力在平行于镜面方向上的分量很小，可忽略。
进一步地，微冲量施加位置及方向与微推力施加位置及方向一致，所述微冲量I的大小满足：
Figure GDA0003451039930000033
其中，t0为所述快门的开启时间，以及t1为所述快门的关闭时间。
进一步地，所述方法还包括，根据所述第一激光功率计、第二激光功率计测得的功率，以及快门的开启、关闭时间，计算施加于目标的微推力及微冲量，并将所述微推力微冲量施加于微推力微冲量测量装置并测量其响应情况，以实现对微推力微冲量测量装置的标定。
本发明提供的一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置及方法，通过调整激光器的出光功率来调节施加的微推力大小，以产生所需要的微推力水平。由于激光功率的控制及测量精度可达极高水平，如pW级分辨率。1W激光产生的光压推力在1nN级，因而利用本方法所能达到的最小推力可低至10-21N级或更低。当需要产生较大推力时，可选用兆瓦甚至更高功率的激光器，此时产生的推力大小约在10mN级。此外，本发明提供的装置及方法还可调节快门的通断时间控制得到的总冲量大小。由于快门通断时间可小至微秒量级，因而最低施加冲量可低至10-28Ns级。由于光压作用时间可以自由控制，当选用兆瓦级激光器作用时间达到小时级时，产生的冲量可达100Ns级。由于本发明采用的是非接触式的微推力及微冲量施加装置及方法，除推力作用外，对目标产生的干扰和影响都较小，不会产生接触污染。当选用的反射镜反射率足够高时，对目标产生的热效应影响可忽略。该装置的原理和使用方法简单，容易操作。通过对光束的实时功率测量，可以得到施加在目标上的微推力水平，由快门通断时间得到微推力作用时间，从而可得到施加在目标上的冲量大小，可应用于对微推力微冲量测量装置的标定。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置的结构示意图；
图2示出本发明一个实施例的一种基于光压原理的微推力施加示意图；
图3示出本发明一个实施例的一种基于光压原理的微推力微冲量施加方法的流程示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明提供一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置及方法。该装置及方法通过调整激光器的出光功率实时控制对目标施加的微推力大小，并通过控制激光出光时间来控制激光光压对目标施加的微小冲量大小。下面结合实施例附图对本发明的方案做进一步描述。
图1示出本发明一个实施例的一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置的结构示意图。如图1所示，一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置，为非接触式装置，利用光压原理，使用激光向目标001施加微推力，其中，所述目标001可放置于真空环境中，或气体扰动影响较小的气体环境中，以减小大气扰动对其的影响，使得产生的光压效果更为显著，所述装置包括：
激光器101，所述激光器用于产生激光光束，在本发明的一个实施例中，所述激光器的输出功率可调，通过调节所述激光器101的出光功率可以控制施加于所述目标001上的微推力大小，根据所选择的激光器功率的不同，所述装置不仅可提供低于10-21N级的微推力，也可实现10mN级的微推力；
分光镜102，所述分光镜102布置于所述激光器101的激光出光光路上，与所述激光器101产生的激光光束存在一个夹角，通过反射及透射将所述激光光束分为两束，通过调节所述夹角，可以改变分光镜的反射透射比；在本发明的一个实施例中，在所述激光器101与所述分光镜102之间还布置有光束调节装置107，所述光束调节装置107用于将所述激光器101发出的激光光束调节为平行光后，入射所述分光镜102，所述光束调节装置107还可用于根据需要调节光束时空分布特性，所述光束时空分布特性包括激光偏振态及相位；
快门103，所述快门103布置于经所述分光镜102反射的激光光束的光路上，用于控制射向目标001的激光光束的通断，通过控制所述快门103的开启和关闭时间，可以精确控制激光通过快门的时间，进而控制对所述目标001施加微推力的时间，实现对所述目标001施加的微冲量的大小的控制；在本发明的一个实施例中，所述快门的通断时间可控制至微秒量级，进而使得所述装置可以施加低至10-28Ns级的微冲量以及高达100Ns级的微冲量；
反射镜104，所述反射镜104固定于所述目标001的表面，如图2所示，所述反射镜104与所述经分光镜102反射的激光光束存在夹角，所述经分光镜102反射的激光光束在所述反射镜104处，以一定的角度θ发生镜面反射；在本发明的一个实施例中，所述反射镜104对于激光波长的反射率高于99.9％，因此可忽略对目标001的热效应影响；以及
激光功率计，包括第一激光功率计105及第二激光功率计106，其中，所述第一激光功率计105布置于经所述分光镜102透射的激光光束的光路上，经所述分光镜102透射的激光光束照射在所述第一激光功率计105光功率探测区上，利用分光镜反射透射比可以测量所述激光器101的实时功率；以及所述第二激光功率计106布置于经所述反射镜104反射的激光光束的光路上，经所述反射镜104反射的激光光束照射在所述第二激光功率计106光功率探测区上，可以测量经所述反射镜104反射的激光功率，为降低在所述第二激光功率计106上反射的光再次照射到目标上而对其产生额外的光压推力影响，所述第二激光功率计106与所述目标001及所述反射镜104之间应保持较远的距离，当空间受限时，可通过调整第二激光功率计106朝向，使其与反射镜反射光之间存在一定夹角，或在反射镜104与第二激光功率计106之间添加反射镜以增长光路距离等方式减小该影响，在本发明的一个实施例中，光束在所述第二激光功率计106处发生漫反射，当被施加推力的目标在垂直于反射镜104反射光束方向的平面上的投影面积为10cm2时，所述距离应不小于40cm,此时在第二激光功率计处漫反射后照射在所述目标001及所述反射镜104上的激光功率小于总漫反射光功率的0.1％,该部分光产生的光压推力作用可忽略。
采用上述装置施加微推力微冲量的方法的流程如图3所示，包括：
步骤301，计算反射透射比，在施加推力前，需要计算反光镜在装置设置条件下的反射透射比k，通过所述反射透射比，在使用反射光对目标产生光压作用时，可以通过将该比值乘以第一激光功率计的读数得到反射光功率。所述反射透射比k的计算方法如下：用激光以一定入射角斜入射分光镜上，采用高精度功率计分别测量经由所述分光镜的反射光与透射光的功率，计算得到所述分光镜对应该入射角度的反射透射比k；
步骤302，设置激光器及快门，根据所需施加的微推力，初步计算所述激光器发射的激光功率水平，并根据计算所得的功率设置激光器的出光功率，然后根据所需的微冲量的大小设置快门的开启时间及关闭时间。所述微推力大小为
Figure GDA0003451039930000071
其中：
Fy(t)＝F(t)cosα为所述微推力的矢量在激光入射光与反射光组成的平面内，所分解的在垂直于反射镜镜面并指向反射镜方向上的分量大小，满足：
Figure GDA0003451039930000072
以及
Fx(t)＝F(t)sinα为所述微推力的矢量在激光入射光与反射光组成的平面内，所分解的平行于反射镜镜面方向的分量大小，满足：
Figure GDA0003451039930000073
其中，k为所述分光镜的反射透射比，c为真空中的光速，θ为激光光束在所述反射镜的入射角，α为微推力方向与镜面法线之间的夹角，P1(t)为经由所述分光镜透射的激光光束的功率，以及P2(t)为经由所述反射镜反射的激光光束的功率。由此，结合所述反射镜的反射率，可推算出所需激光器的出光功率以及所述夹角α。
在本发明的一个实施例中，安装在目标上的反射镜具有大于99.9％的高反射率,因此反射镜镜面对于激光光束的吸收很小，反射光功率P2(t)约等于入射光功率kP1(t)。此时，光压在平行于反射镜镜面方向的推力
Figure GDA0003451039930000081
很小，可忽略，近似认为施加在反射镜面的推力垂直于反射镜方向并指向目标，其大小可根据F(t)＝Fy(t)计算，其中Fy(t)是指在垂直于反射镜镜面并指向反射镜方向上的分量大小，则所述激光器的出光功率根据如下公式计算得到：
Figure GDA0003451039930000082
其中，k为所述分光镜的反射透射比，c为真空中的光速，θ为激光光束在所述反射镜的入射角，P1(t)为经由所述分光镜透射的激光光束的功率，以及P2(t)为经由所述反射镜反射的激光光束的功率，由于所述反射镜的反射率较高，可认为P2(t)＝k P1(t)，则激光器的出光功率P(t)初步计算为：
Figure GDA0003451039930000083
所述快门的开启时间t0及关闭时间t1满足如下公式：
Figure GDA0003451039930000084
其中，I为所需的微冲量的大小，所述微冲量施加位置及方向与微推力施加位置及方向一致；
步骤303，开启激光器，开启激光器后，激光光束经光束调节装置后平行出射，并以一定入射角斜入射在分光镜上，分光镜将激光分成两束，其中被分光镜反射的一束入射在快门上，经由分光镜透射的一束照射第一激光功率计的光功率探测区，根据所述第一激光功率计测量所得的实时功率P1(t)以及分光镜的反射透射比k可得到用于施加微推力的激光光束功率为k P1(t)；
步骤304，打开快门，根据步骤302中设置的开启时间t0打开快门，使得用于施加微推力的激光光束入射固定于目标上的反射镜并被部分反射，在入射及反射的过程中，激光光子对目标产生微推力作用，实现对目标的光压施加。通过所述第二激光功率计测量经由所述反射镜反射后的激光光束的功率P2(t)，实时计算施加于目标的微推力的大小：
Figure GDA0003451039930000085
其中：
Figure GDA0003451039930000086
以及
Figure GDA0003451039930000087
判断是否符合需求，若不符合，对激光器的出光功率进行实时调整；以及
步骤305，关闭设备，达到步骤302中设置的快门关闭时间计算所得的关闭时间t1后，关闭快门，激光光束被阻断，微推力施加过程结束，然后关闭激光器。
在施加微推力的过程中，根据光压作用原理，激光照射布置在目标上的反射镜，在本发明的一个实施例中，对目标施加的推力方向垂直于反射镜表面并指向目标，在微推力的施加过程中，通过实时功率测量，计算得到所施加的微推力及微冲量的大小，一方面可以根据需要实时调整所述激光器的出光功率，另一方面，记录施加的推力及微冲量数据，并记录目标在微推力微冲量作用下的响应情况，可以用于对微推力微冲量测量装置的标定。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种基于光压原理的微推力微冲量施加装置，其特征在于，包括：
激光器，其被配置为产生激光光束；
分光镜，布置于所述激光器的光路上，与所述激光器产生的激光光束存在夹角，通过透射和反射将所述激光光束分为两束；
快门，布置于经所述分光镜反射的激光光束的光路上，所述快门被配置为控制射向目标的激光光束的通断；
反射镜，固定于所述目标的表面，与经所述分光镜反射的激光光束存在夹角；以及
激光功率计，包括：
第一激光功率计，布置于经所述分光镜透射的激光光束的光路上，所述第一激光功率计被配置为实时测量所述激光器的出光功率；以及
第二激光功率计，布置于经所述反射镜反射的激光光束的光路上，所述第二激光功率计被配置为测量经所述反射镜反射的激光功率。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括光束调节装置，布置于所述激光器与所述分光镜之间，所述光束调节装置被配置为将所述激光器发出的激光光束调节为平行光，和/或根据需要调节所述激光光束的光束时空分布特性后，使得所述激光光束入射所述分光镜，其中，所述光束时空分布特性包括激光偏振态及相位。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光束时空分布特性包括激光偏振态及相位。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器的输出功率可调。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述目标放置于真空环境中。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述目标放置于气体扰动影响较小的气体环境中。
7.一种使用如权利要求1至6之一所述装置施加微推力微冲量的方法，其特征在于，包括步骤：
用激光以设定角度入射分光镜，分别测量经由所述分光镜的反射光与透射光的功率，计算得到所述分光镜的反射透射比；
根据所需的施加于目标的微推力的大小，初步计算所述激光器的出光功率，并设置激光器，根据所需的微冲量大小，设置快门的开启时间及关闭时间；
开启激光器，通过所述第一激光功率计测量得到的经由所述分光镜透射的激光光束功率，乘以所述分光镜的反射透射比，计算得到由所述分光镜反射的用于对目标施加微推力的激光光束功率；
根据前述步骤中设置的快门开启时间打开快门，使得激光光束入射反射镜并反射，通过所述第二激光功率计测量经由所述反射镜反射后的激光光束的功率，并根据所述第一激光功率计、第二激光功率计测得的功率，实时计算施加于目标的微推力的大小，判断是否符合需求，若不符合，对激光器的出光功率进行实时调整；以及
到达前述步骤中设置的快门关闭时间后，关闭快门，关闭激光器。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，施加于目标的微推力的大小为
Figure FDA0003451039920000021
其中：
Fy(t)＝F(t)cosα为所述微推力的矢量在激光入射光与反射光组成的平面内，所分解的在垂直于反射镜镜面并指向反射镜方向上的分量大小：
Figure FDA0003451039920000022
以及
Fx(t)＝F(t)sinα为所述微推力的矢量在激光入射光与反射光组成的平面内，所分解的平行于反射镜镜面方向的分量大小：
Figure FDA0003451039920000023
其中，k为所述分光镜的反射透射比，c为真空中的光速，θ为激光光束在所述反射镜的入射角，α为微推力方向与镜面法线之间的夹角，P1(t)为经由所述分光镜透射的激光光束的功率，以及P2(t)为经由所述反射镜反射的激光光束的功率。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述快门的开启时间t0及关闭时间t1满足：
Figure FDA0003451039920000031
其中，I为所需的微冲量的大小，所述微冲量施加位置及方向与微推力施加位置及方向一致。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括，根据所述第一激光功率计、第二激光功率计测得的功率，以及快门的开启、关闭时间，计算施加于目标的微推力及微冲量，并将所述微推力及微冲量施加于微推力微冲量测量装置并测量其响应情况，以进行对微推力微冲量测量装置的标定。
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