CN117007831A - 一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置及方法。本发明包括加速度敏感单元、转换单元以及闭环反馈单元。真空环境中，利用两束对射捕获光束经透镜聚焦构成光阱捕获微粒，构成敏感单元；四象限探测器作为转换单元，接受微粒的前向散射光，提取其携带的微粒位移信息并转换、放大为电压信号；该电压信号经过信号处理模块，转化为声光调制器驱动电压以调制冷却及捕获光束，冷却光束对微粒施力使得微粒始终处于光阱平衡位置，构成闭环反馈单元。本发明将闭环反馈冷却引入光阱加速度传感，使得声光调制器驱动电压与输入加速度成正比，敏感单元在真空中始终稳定。本发明可以实现大量程、高精度及大动态范围的加速度传感。
Description
技术领域
本发明涉及光镊和惯性传感领域的一种加速度计装置及方法，尤其是涉及了一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置及方法。
背景技术
在惯性技术领域，加速度计是用来测定运动物体线加速度的仪器，其发展趋势可以分为机电式、光力学式以及量子式。机电式目前应用最为广泛，但是相对精度较低。光力学式依据原理有光阱悬浮式和光学微腔式两种。光阱，又称光镊，是一种利用光的辐射压来悬浮、操纵尺寸从数纳米到数百微米的微粒的尖端光学技术，能够作为微探针实时测量皮牛级的微弱力，在高精度加速度传感器领域具有重要价值。
通常的光力学式加速度计的加速度输入与微粒的位置信号成正比，结构简单、易于维护、易于小型化，属于开环式加速度传感。但由于没有反馈系统，在接收较大输入加速度时，微粒(敏感单元)会偏离线性探测范围，即量程小。此外，在通常的气态、液态环境中，微粒易受布朗运动等噪声影响，噪声等效加速度较高，带来测量精度低、动态范围小等问题；真空环境具有隔离外部热力学噪声的优势，但是微粒易逃逸。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置及方法。本发明将闭环反馈冷却引入光阱加速度传感，使得声光调制器驱动电压与输入加速度成正比，敏感单元在真空环境中始终稳定在光阱平衡位置。
为达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一、一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置
基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置包括真空腔、第一透镜、第二透镜、第三透镜、微粒、分束镜、四象限探测器、信号处理模块、第一声光调制器和第二声光调制器；
第一透镜、第二透镜、第三透镜和微粒均位于真空腔内；第一透镜的焦点和第二透镜的焦点重合；第一捕获光束射入真空腔后被第一透镜聚焦，第二捕获光束经过第二声光调制器后被分束镜反射入真空腔，再被真空腔内的第二透镜聚焦；聚焦后的第一捕获光束和第二捕获光束共同形成光阱，微粒处于光阱的平衡位置；第一捕获光束经过微粒后形成前向散射光束，前向散射光束依次经过第二透镜和分束镜的透射后被四象限探测器收集；第一透镜、第二透镜、分束镜和四象限探测器沿光轴依次布置。冷却光束经过第一声光调制器后射入真空腔，再被第三透镜聚焦于微粒上；四象限探测器、第一声光调制器和第二声光调制器均与信号处理模块电连接。
所述的微粒形状包括但不限于球状、哑铃状和棒状。
所述的微粒尺寸在0.1～100微米之间。
所述的第一透镜、第二透镜为聚焦透镜，两者的焦距相等，两者对向放置、光轴及焦点重合且位于真空腔内。
所述的第三透镜为聚焦透镜，其光轴垂直于第一透镜、第二透镜的光轴，其焦点与第一透镜、第二透镜的焦点重合。
所述的第一捕获光束、第二捕获光束为同波长激光光束；第二捕获光束的功率受第二声光调制器控制。
所述冷却光束为与第一捕获光束、第二捕获光束的波长不同的激光光束，其功率及出射方向受第一声光调制器控制。
二、应用于所述一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置的方法
步骤1)：在静止状态时，微粒悬浮于光阱平衡位置，记录并保存静止状态下的位移电压谱；
步骤2)：当有外力输入加速度ain时，微粒发生微小位移、偏离静止状态的平衡位置，记录并保存偏离静止状态下的平衡位置的位移电压谱；并且四象限探测器输出的径向电信号Vr和轴向电信号Vz分别经过信号处理模块后转化为第一声光调制器的驱动电压Ur和第二声光调制器的驱动电压Uz，进而控制第一声光调制器调制冷却光束、第二声光调制器调制第二捕获光束，使得冷却光束、第二捕获光束分别从径向、轴向对微粒施加力，直至四象限探测器输出步骤1)中静止状态下的位移电压谱，此时微粒恢复至步骤1)中的光阱平衡位置；
步骤3)：利用热运动分析法对步骤2)中第一声光调制器的驱动电压Ur和第二声光调制器的驱动电压Uz进行标定、拟合计算输出外力输入加速度测量值amea，从而实现闭环加速度传感。
本发明的有益效果是：
本发明提供的装置及方法，将闭环反馈冷却引入光阱加速度传感，使得声光调制器驱动电压与输入加速度成正比，敏感单元在真空环境中始终稳定在光阱平衡位置，可以有效增大量程，提高系统抗干扰能力；同时冷却微粒质心运动，在提高真空光阱稳定性的同时可以增高工作带宽、降低噪声等效加速度，进而提高测量精度。
本发明总体上可以实现大量程、高精度、大动态范围加速度传感。
附图说明
图1为本装置的总体结构示意图；
图2为实施例加速度传感的闭环反馈及测量回路流程图；
图中：1、真空腔，2.1、第一捕获光束，2.2、第二捕获光束，3.1、第一透镜，3.2、第二透镜，3.3、第三透镜，4、微粒，5、分束镜，6、四象限探测器，7、信号处理模块，8.1、第一声光调制器，8.2、第二声光调制器，9、冷却光束。
图1中各元件尺寸并不代表元件实物尺寸。
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。
如图1所示，基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置包括真空腔1、第一透镜3.1、第二透镜3.2、第三透镜3.3、微粒4、分束镜5、四象限探测器6、信号处理模块7、第一声光调制器8.1和第二声光调制器8.2；第一透镜3.1、第二透镜3.2、第三透镜3.3和微粒4均位于真空腔1内；第一透镜3.1的焦点和第二透镜3.2的焦点重合；第一捕获光束2.1射入真空腔1后被第一透镜3.1聚焦，第二捕获光束2.2经过第二声光调制器8.2后被分束镜5反射入真空腔1，再被真空腔1内的第二透镜3.2聚焦；聚焦后的第一捕获光束2.1和第二捕获光束2.2共同形成光阱，微粒4处于光阱的平衡位置；第一捕获光束2.1经过微粒4后形成前向散射光束，前向散射光束依次经过第二透镜3.2和分束镜5的透射后被四象限探测器6收集；第一透镜3.1、第二透镜3.2、分束镜5和四象限探测器6沿光轴依次布置。冷却光束9经过第一声光调制器8.1后射入真空腔1，再被第三透镜3.3聚焦于微粒4上；四象限探测器6、第一声光调制器8.1和第二声光调制器8.2均与信号处理模块7电连接。
真空环境中，利用两束对射捕获光束经透镜聚焦构成光阱捕获微粒，构成敏感单元；四象限探测器作为转换单元，接受微粒的前向散射光，提取其携带的微粒位移信息并转换、放大为电压信号；该电压信号经过信号处理模块，转化为声光调制器驱动电压以调制冷却及捕获光束，冷却光束对微粒施力使得微粒始终处于光阱平衡位置，构成闭环反馈单元。
微粒4形状包括但不限于球状、哑铃状和棒状。微粒4尺寸在0.1～100微米之间，被光阱所捕获。
第一透镜3.1、第二透镜3.2为聚焦透镜，两者的焦距相等，两者对向放置、光轴及焦点重合且位于真空腔内。第三透镜3.3为聚焦透镜，其光轴垂直于第一透镜3.1、第二透镜3.2的光轴，其焦点与第一透镜3.1、第二透镜3.2的焦点重合。
第一捕获光束2.1、第二捕获光束2.2为同波长激光光束；第二捕获光束2.2的功率受第二声光调制器8.2控制。所述冷却光束9为与第一捕获光束2.1、第二捕获光束2.2的波长不同的激光光束，其功率及出射方向受第一声光调制器8.1控制。
如图2所示，本发明的具体应用实施例及其实施过程如下：
步骤1)：在真空腔1实现真空环境下，相等光功率的第一捕获光束2.1、第二捕获光束2.2构成双光束光阱；在静止状态时，微粒4悬浮于光阱平衡位置处，即静止状态下的平衡位置，且由于噪声偏离平衡位置的位移标准差在十纳米到百纳米之间。
光力学式加速度传感分辨率会受微粒布朗运动噪声、激光散粒噪声等噪声影响，通常为了对这些影响因素进行定量分析，将噪声等效为信号输入，将加速度计系统对噪声的响应称为噪声等效加速度。本发明主要针对对噪声影响较大的布朗运动噪声等效加速度。
微粒4位移响应受布朗噪声等效加速度影响见以下公式：
其中，ath为布朗噪声等效加速度，为布朗运动引起的根号噪声功率谱，kB为玻尔兹曼常数。可见布朗运动噪声受阻尼系数γ、温度T0和微粒质量m的综合影响，与微粒半径R的平方成反比，与气压P的平方根成正比。因而气压P越小(真空度越高)、微粒半径R越高，布朗运动噪声等效加速度ath越小，最小可测加速度越低。
故而在实施例中，选择利用真空腔1创造真空环境、大尺寸微粒4进行加速度传感测量。在实际低气压环境中，由于环境阻尼系数低(气压低于10mBar时，阻尼系数γ与气压P成近似成正比)、激光加热等原因，微粒4易逃逸。引入闭环反馈冷却可以抑制微粒4的布朗噪声(降低微粒质心等效温度T0)、减弱前述效应的影响，是实现微粒4在真空环境高精度加速度传感的必要措施。同时，真空度越高，环境阻尼系数就越低，则加速度传感系统的工作带宽越高。
根据实验经验以及式(1)，假设微球半径R＝5μm，密度2.2g/cm3。在气压P＝1atm、温度T0＝300K时，布朗噪声等效加速度ath≈108m/s2；在气压P＝3×10-5mBar、反馈冷却至温度T0＝15mK时，布朗噪声等效加速度ath≈6×10-6m/s2，降低了约1.8×107倍。
同时，根据加速度传感的动态范围DR的定义如下：
其中，amea,max为最大加速度测量值(即量程)。假定amea,max不变，则动态范围DR提升了约145dB。
在光阱平衡位置附近存在线性探测范围，且范围随着微粒4尺寸、光束束腰改变而改变，通常为数十微米量级，满足微粒4位移探测需求；线性探测范围越高，探测灵敏度越低。微粒4轴向、径向位移信息z、r经第一捕获光束2.1、四象限探测器6后转换为电信号Vz、Vr，其关系满足以下公式：
Vi＝βi·i(i＝z,r) (3)
其中，βz、βr分别是轴向、径向位移电压转换系数，可以通过热运动分析法标定获得。
记录并保存静止状态的位移电压谱。
步骤2)：当有外力输入加速度ain时，在光阱平衡位置附近一定范围内，微粒4受到的光阱力与其位置满足线性关系，故而微粒4会发生微小位移、偏离静止状态的平衡位置。其对输入加速度ain产生的响应会改变四象限探测器6输出的位移电压谱，关系满足以下公式：
dis＝κ(ain+ath) (4)
其中，κ()为微粒4位移dis(包括轴向位移信息z、径向位移信息r)对输入加速度ain、布朗噪声等效加速度ath的频域响应函数。
其对输入加速度ain产生的响应会改变四象限探测器6输出的位移电压谱，记录并保存偏离静止状态的平衡位置的位移电压谱；并且四象限探测器6输出的径向电信号Vr和轴向电信号Vz分别经过信号处理模块7后转化为第一声光调制器8.1的驱动电压Ur和第二声光调制器8.2的驱动电压Uz，其中信号处理模块7主要采用比例反馈以及微分反馈。进而控制第一声光调制器8.1调制冷却光束9、第二声光调制器8.2调制第二捕获光束2.2，使得冷却光束9、第二捕获光束2.2分别从径向、轴向对微粒4施加力，直至四象限探测器6输出步骤1)中静止状态下的位移电压谱，此时微粒4恢复步骤1)中静止状态下的平衡位置；
步骤3)：利用热运动分析法对步骤2)中第一声光调制器8.1的驱动电压Ur和第二声光调制器8.2的驱动电压Uz进行标定、拟合，即当存在外部输入加速度ain且微粒4恢复至静止状态的平衡位置时，读取第一声光调制器8.1、第二声光调制器8.2驱动电压Ur、Uz可以通过热运动分析法标定、拟合，计算输出外力输入加速度测量值amea，在此过程中微粒4始终处于光阱平衡位置，从而实现闭环加速度传感。
由于在此过程中微粒4始终处于光阱平衡位置而不脱离线性探测范围，加速度传感的量程amea,max不再受限于线性探测范围，而仅被电学器件(例如四象限探测器6、信号处理模块7)所限制。故而闭环反馈冷却提高了量程amea,max以及系统抗干扰能力，同时根据式(2)，动态范围DR也进一步增大。
在保证最低限度的线性探测范围前提下，通过调整光束束腰还可以进一步提高加速度传感灵敏度。
上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置，其特征在于，包括真空腔(1)、第一透镜(3.1)、第二透镜(3.2)、第三透镜(3.3)、微粒(4)、分束镜(5)、四象限探测器(6)、信号处理模块(7)、第一声光调制器(8.1)和第二声光调制器(8.2)；
第一透镜(3.1)、第二透镜(3.2)、第三透镜(3.3)和微粒(4)均位于真空腔(1)内；第一透镜(3.1)的焦点和第二透镜(3.2)的焦点重合；第一捕获光束(2.1)射入真空腔(1)后被第一透镜(3.1)聚焦，第二捕获光束(2.2)经过第二声光调制器(8.2)后被分束镜(5)反射入真空腔(1)，再被真空腔(1)内的第二透镜(3.2)聚焦；聚焦后的第一捕获光束(2.1)和第二捕获光束(2.2)共同形成光阱，微粒(4)处于光阱的平衡位置；第一捕获光束(2.1)经过微粒(4)后形成前向散射光束，前向散射光束依次经过第二透镜(3.2)和分束镜(5)的透射后被四象限探测器(6)收集；冷却光束(9)经过第一声光调制器(8.1)后射入真空腔(1)，再被第三透镜(3.3)聚焦于微粒(4)上；四象限探测器(6)、第一声光调制器(8.1)和第二声光调制器(8.2)均与信号处理模块(7)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置，其特征在于，所述的微粒(4)形状包括球状、哑铃状和棒状。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置，其特征在于，所述的微粒(4)尺寸在0.1～100微米之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置，其特征在于，所述的第一透镜(3.1)、第二透镜(3.2)为聚焦透镜，两者的焦距相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置，其特征在于，所述的第三透镜(3.3)为聚焦透镜，其光轴垂直于第一透镜(3.1)、第二透镜(3.2)的光轴，其焦点与第一透镜(3.1)、第二透镜(3.2)的焦点重合。
6.根据权利要求1所述的一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置，其特征在于，所述的第一捕获光束(2.1)、第二捕获光束(2.2)为同波长激光光束。
7.根据权利要求1所述的一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置，其特征在于，所述冷却光束(9)为与第一捕获光束(2.1)、第二捕获光束(2.2)的波长不同的激光光束。
8.应用于权利要求1-7任一所述一种基于双光束真空光阱的闭环加速度计装置的方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
步骤1)：在静止状态时，微粒(4)悬浮于光阱平衡位置，记录并保存静止状态下的位移电压谱；
步骤2)：当有外力输入加速度ain时，微粒(4)发生微小位移、偏离静止状态的平衡位置，记录并保存偏离静止状态下的平衡位置的位移电压谱；并且四象限探测器(6)输出的径向电信号Vr和轴向电信号Vz分别经过信号处理模块(7)后转化为第一声光调制器(8.1)的驱动电压Ur和第二声光调制器(8.2)的驱动电压Uz，进而控制第一声光调制器(8.1)调制冷却光束(9)、第二声光调制器(8.2)调制第二捕获光束(2.2)，使得冷却光束(9)、第二捕获光束(2.2)分别从径向、轴向对微粒(4)施加力，直至四象限探测器(6)输出步骤1)中静止状态下的位移电压谱，此时微粒(4)恢复至步骤1)中的光阱平衡位置；
步骤3)：利用热运动分析法对步骤2)中第一声光调制器(8.1)的驱动电压Ur和第二声光调制器(8.2)的驱动电压Uz进行标定、拟合计算输出外力输入加速度测量值amea，从而实现闭环加速度传感。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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