CN114720722A - 一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法和装置 - Google Patents

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熊威
韩翔
陈鑫麟
曾炜卿
肖光宗
罗晖
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Abstract

本发明提供了一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法和装置，它属于光学工程领域和精密测量技术领域。本发明通过测量和分析微粒的位移信息获得微粒的谐振频率，采用高精度计时装置产生参考频率，通过所述谐振频率和参考频率的差值大小，反馈控制捕获激光功率，实现锁定微粒谐振频率，从而实现稳定加速度传感器的标度因数。相比于现有测量方法及装置，本发明具有方法简单、实用效果强等优点等优点。

Description

一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法和装置
技术领域
本发明属于光学工程领域和精密测量技术领域，具体涉及一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法和装置。
背景技术
传统的加速度传感器一般由支承结构和质量块构成，例如石英振梁加速度计、石英挠性加速度计和微机电加速度计等。当质量块受到加速度的作用时，质量块会产生正比于加速度值的位移。因而可以通过计算位移量得到加速度值，加速度值与位移量的比值即为“标度因数”。常规支承结构一般由弹簧、悬臂梁等构成，这类接触式的支承结构具有难以避免的机械噪声。
光悬浮是一种新型的悬浮技术，最早于1986年由美国贝尔实验室的科学家Ashkin提出，具有损伤小、精度高等优点，被广泛应用于生命科学、基础物理和精密测量等领域。采用光悬浮作为支撑结构的新型加速度计可以有效避免机械噪声，因而具有非常高的理论测量精度。2005年，麻省理工学院首次提出了采用光悬浮系统实现加速度测量的方案。而后，提高光悬浮加速度传感器精度成为了研究热点。例如，加州大学和耶鲁大学分别实现了μg量级和ng量级的加速度传感精度，超越了传统加速度传感器。
但是，高精度的光悬浮加速度传感器目前仍处于实验室探索阶段，在实际应用中，捕获光功率不稳定、被捕获微粒吸热膨胀、光学元器件漂移等因素会影响标度因数的稳定性。这将会引入测量误差，进而降低光悬浮加速度传感器的性能。本发明采用高精度计时装置(例如：石英振荡器、原子钟等)产生参考频率，通过反馈控制捕获光功率实现稳定谐振频率，从而实现稳定标度因数，目前并未见报道。
发明内容
为克服现有光悬浮加速度传感器标度因数不稳定的不足，本发明提出一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法和装置，可以提高光悬浮加速度传感器标度因数的稳定性，具有方法简单、实用效果强等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法，包括以下步骤：
步骤一，搭建光镊系统捕获微粒：采用捕获激光、聚光透镜搭建光镊系统，构建三维光学势阱，设定合适的捕获激光功率P；装载微粒进入光学势阱区域，实现光镊系统捕获微粒；
步骤二，获取微粒的谐振频率Ω：通过位移探测器测量微粒的散射光，获取微粒的位移信息；对微粒任意维度的位移信息进行傅里叶变换，得到该维度位移信息的频谱分布，获取微粒的谐振频率Ω；
步骤三，产生稳定的参考频率Ω0：采用高精度计时器制作稳定的参考频率源，其产生的参考频率Ω0根据微粒的谐振频率Ω选取；
步骤四，调节捕获激光功率P：当Ω-Ω0>0时，减小捕获激光功率P；当Ω-Ω0<0时，增大捕获激光功率P；当Ω-Ω0＝0时，不改变捕获激光功率P。
进一步地，所述高精度计时器采用石英振荡器或原子钟。
一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的装置，包括捕获激光1、聚光透镜2、微粒3、位移探测器4、高精度计时器5、反馈控制电路6和光功率调制器7；所述捕获激光1入射所述聚光透镜2后形成三维光学势阱；所述微粒3受到光力作用，被捕获于所述光学势阱中心；所述位移探测器4接收所述微粒3的散射光信号，用于测量和分析所述微粒3的位移信息，获取微粒的谐振频率，并输入所述反馈控制电路6；所述高精度计时器5根据所述微粒的谐振频率，产生稳定的参考频率，输入所述反馈控制电路6；所述反馈控制电路6根据所述谐振频率和所述参考频率的差值大小，产生反馈控制信号输入功率调制器7，实现对捕获激光1功率进行调控；所述功率调制器7用于控制所述捕获激光1功率。
进一步地，所述高精度计时器5采用石英振荡器或原子钟。
本发明的有益效果是：
本发明采用高精度的计时器产生高稳定的参考频率，通过捕获微粒的谐振频率与参考频率的大小比较，对捕获激光功率进行反馈调制，实现对被捕获微粒的谐振频率的锁定，可以提高光悬浮加速度传感器标度因数的稳定性，具有结构简单、实用性强等优点。本发明不局限于光阱结构和光路结构，适用范围广。
附图说明
图1为本发明所述方法的原理框图；
图2为本发明所述装置的示意图；
图3为实施例中捕获激光光功率变化量dP与相对谐振频率Ω-Ω0关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例作详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法，包括以下步骤：
步骤一，搭建光镊系统捕获微粒：采用捕获激光、聚光透镜搭建光镊系统，构建三维光学势阱，设定合适的捕获激光功率P；装载微粒进入光学势阱区域，实现光镊系统捕获微粒；
步骤二，获取微粒的谐振频率Ω：通过位移探测器测量微粒的散射光，获取微粒的位移信息；对微粒任意维度的位移信息进行傅里叶变换，得到该维度位移信息的频谱分布，获取微粒的谐振频率Ω；
步骤三，产生稳定的参考频率Ω0：采用高精度计时器制作稳定的参考频率源，其产生的参考频率Ω0根据微粒的谐振频率Ω选取；
步骤四，调节捕获激光功率P：当Ω-Ω0>0时，减小捕获激光功率P；当Ω-Ω0<0时，增大捕获激光功率P；当Ω-Ω0＝0时，不改变捕获激光功率P。
优选地，所述高精度计时器采用石英振荡器或原子钟。
如图2所示，一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的装置，包括捕获激光1、聚光透镜2、微粒3、位移探测器4、高精度计时器5、反馈控制电路6和光功率调制器7；所述捕获激光1入射所述聚光透镜2后形成三维光学势阱；所述微粒3受到光力作用，被捕获于所述光学势阱中心；所述位移探测器4接收所述微粒3的散射光信号，用于测量和分析所述微粒3的位移信息，获取微粒的谐振频率，并输入所述反馈控制电路6；所述高精度计时器5根据所述微粒的谐振频率，产生稳定的参考频率，输入所述反馈控制电路6；所述反馈控制电路6根据所述谐振频率和所述参考频率的差值大小，产生反馈控制信号输入功率调制器7，实现对捕获激光1功率进行调控；所述功率调制器7用于控制所述捕获激光1功率。
优选地，所述高精度计时器5采用石英振荡器或原子钟。
本发明所述装置具体工作过程是：选取合适的器件，按照图2连接光路和电路。开启捕获激光1和位移探测器4，捕获激光1通过光功率调制器7和聚光透镜2后，产生三维光学势阱；将浓度合适的微粒3溶液滴入雾化器中，开启雾化器使得微粒3装载到所述三维光学势阱中；调节位移探测器4与微粒3的相对位置，使得采集得到的信号均值为0；位移探测器4读取得到微粒谐振频率，选择合适的频率作为参考频率；高精度计时器5根据参考频率设定合适计数值，产生高精度高稳定性的参考频率；设定合适的反馈控制参数，开启反馈控制电路6和光功率调制器7，实现锁定微粒的谐振频率。
本发明的原理分析如下：
激光聚焦在微粒上时，会形成三维光学势阱捕获微粒。当微粒产生偏移时，会受到光力的作用。光力F会随偏移量x的增大而增大，采用胡克定律表示F＝kx，其中k为刚度系数。结合牛顿第二定律F＝ma，微粒输出的位移量x与受到的输入加速度a的关系可以表示为
Figure BDA0003582088220000041
其中m为微粒的质量，Q为标度因数，且Q＝k/m。
微粒进行简谐运动时，其谐振频率Ω满足Ω2＝k/m。
因而，标度因数Q＝Ω2。故通过锁定谐振频率Ω即可提高标度因数Q的稳定性。
已知刚度系数正比于光功率，即
k∝P， (2)
所以，通过调控光功率P可以实现对谐振频率Ω进行调制。
图3展示了捕获激光光功率变化量dP随着谐振频率Ω与参考频率源Ω0差值之间的关系。当谐振频率Ω大于参考频率Ω0时，捕获激光功率下降，促使谐振频率Ω下降至与参考频率Ω0相同。反之，当谐振频率Ω小于参考频率Ω0时，捕获激光功率上升，促使谐振频率Ω上升至与参考频率Ω0相同。上述反馈过程实现对谐振频率Ω的锁定，从而提高标度因数的稳定性。
本发明采用高精度的计时器产生高稳定的参考频率，通过捕获微粒的谐振频率与参考频率的大小比较，对捕获激光功率进行反馈调制，实现对被捕获微粒的谐振频率的锁定，可以提高光悬浮加速度传感器标度因数的稳定性，具有结构简单、实用性强等优点。本发明不局限于光阱结构和光路结构，适用范围广。

Claims (4)

1.一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，搭建光镊系统捕获微粒：采用捕获激光、聚光透镜搭建光镊系统，构建三维光学势阱，设定合适的捕获激光功率P；装载微粒进入光学势阱区域，实现光镊系统捕获微粒；
步骤二，获取微粒的谐振频率Ω：通过位移探测器测量微粒的散射光，获取微粒的位移信息；对微粒任意维度的位移信息进行傅里叶变换，得到该维度位移信息的频谱分布，获取微粒的谐振频率Ω；
步骤三，产生稳定的参考频率Ω0：采用高精度计时器制作稳定的参考频率源，其产生的参考频率Ω0根据微粒的谐振频率Ω选取；
步骤四，调节捕获激光功率P：当Ω-Ω0>0时，减小捕获激光功率P；当Ω-Ω0<0时，增大捕获激光功率P；当Ω-Ω0＝0时，不改变捕获激光功率P。
2.根据权利要求1所述的稳定光悬浮加速度传感器标度因数的方法，其特征在于，所述步骤三中高精度计时器采用石英振荡器或原子钟。
3.一种稳定光悬浮加速度传感器标度因数的装置，其特征在于，包括捕获激光1、聚光透镜2、微粒3、位移探测器4、高精度计时器5、反馈控制电路6和光功率调制器7；
所述捕获激光1入射所述聚光透镜2后形成三维光学势阱；
所述微粒3受到光力作用，被捕获于所述光学势阱中心；
所述位移探测器4接收所述微粒3的散射光信号，用于测量和分析所述微粒3的位移信息，获取微粒的谐振频率，并输入所述反馈控制电路6；
所述高精度计时器5根据所述微粒的谐振频率，产生稳定的参考频率，输入所述反馈控制电路6；
所述反馈控制电路6根据所述谐振频率和所述参考频率的差值大小，产生反馈控制信号输入功率调制器7，实现对捕获激光1功率进行调控；
所述功率调制器7用于控制所述捕获激光1功率。
4.根据权利要求3所述的稳定光悬浮加速度传感器标度因数的装置，其特征在于，所述高精度计时器5采用石英振荡器或原子钟。
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