CN117091510B - 一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法。本发明利用周期信号发生器、调制激光器和光强调制器对聚焦激光光强的周期调制，使得微球简谐运动的谐振频率周期性变化，进而实现对施加在微球上的外界输入加速度信号进行周期调制，然后对四象限探测器输出的被悬浮微球位移测量信号进行解调，最终实现微球位移的测量。本发明的调制解调测量方案相对已有的直接测量方案，将微球位移测量信号和噪声调制至高频段，较大程度上抑制了激光光强和指向波动等低频误差的影响，提高了被悬浮微球位移的测量精度。

Description

一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法

技术领域

本发明涉及了一种测量被悬浮透明介质微球位移装置，具体涉及了一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法。

背景技术

目前对被悬浮透明介质微球质心位移的测量方案包括直接光电探测和图像探测 两类，在直接光电探测方案中，激光聚焦并经过微球后，光束横截面的光强分布会随着微球 位置变化而变化，接着四象限光电探测器（或者结构等效的D型镜和平衡光电探测器）测量 该光强截面分布变化，输出与微球质心位移成正比的探测电压。激光光强分布随微球运动 的变化相当敏感，微球质心位移测量灵敏度在约10 kHz频段可达数十，但在更低 频段因受到探测激光光强和指向波动、电路1/f噪声、气压和温度等环境因素的漂移的制 约，位移测量灵敏度恶化至 量级，严重制约整个装置在kHz以下频段的加速度传 感灵敏度。在图像探测方案中，CCD直接对微球成像以记录其运动轨迹，其质心位移测量灵 敏度受图像传输带宽和镜头衍射效应限制，在kHz以下频段也只有量级。

调制解调是现代传感器所普遍采用的灵敏度提升方案。类似于双频激光干涉仪，已有研究组提出利用马赫-曾德尔相位调制器提升直径0.5 μm的被悬浮微球的位移测量信噪比。但是，对直径数微米至数百微米的大尺寸微球，激光经过微球时主要表现为衍射和折射，微球运动主要导致激光的横截面光强分布而非相位发生变化。因此上述相位敏感型检测方案并不能有效提高大尺寸微球的位移测量精度。

另一种待探索的方案对被悬浮微球的加速度传感传递函数中的参数如位移-电压增益、阻尼率和刚度（谐振频率）等进行调制解调，其属于光强敏感型检测，是在传统的直接光电探测方案基础上的扩展。其中刚度（谐振频率）调制在谐振式传感器中多有应用，例如机抖激光陀螺通过改变腔长进行偏频克服闭锁效应。在光阱中也常通过光强调制器对直径数百纳米的微球施加光辐射力场刚度的周期调制，减小微球质心运动幅度，即参量冷却，此时周期调制频率为微球谐振频率的两倍且与微球运动幅度变化反相。

发明内容

针对已有的测量被悬浮微球位移方案，一般使用四象限探测器测量激光经过微球散射后的光斑。由于激光光强和指向波动等低频误差的影响，这种直接测量方案在1 KHz以下低频段的信噪比较低。聚焦在透明介质微球的激光在光束径向上会对微球产生向心光辐射力，使微球简谐运动。本发明提出一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法。本发明对聚焦激光光强的周期调制，使得微球简谐运动的谐振频率周期性变化，进而对施加在微球上的外界输入加速度信号进行周期调制，然后对四象限探测器输出的被悬浮微球位移测量信号进行解调。

本发明的具体技术方案如下：

一、一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置

装置包括光强调制模块、信号处理模块、调制激光器、第一二向色镜、聚焦透镜、微球、三维势阱、收集透镜、真空腔、第二二向色镜、光陷阱、测量激光器、反射镜和四象限探测器；真空腔内沿光轴依次设置有聚焦透镜、微球和收集透镜，微球被三维势阱悬浮；调制激光器中出射的激光经光强调制模块的光强调制器的调制和第一二向色镜的反射后再入射至真空腔内，接着从真空腔中出射后再经第二二向色镜的反射后入射至光陷阱中；测量激光器的出射光经反射镜和第一二向色镜的透射后再入射至真空腔内，接着从真空腔中出射后再经第二二向色镜的透射后入射至四象限探测器中；光强调制模块的周期信号发生器和四象限探测器均与信号处理模块相连。

所述光强调制模块包括周期信号发生器、偏置信号发生器、加法器和光强调制器，周期信号发生器的第一输出端与加法器的第一输入端、乘法器的第一输入端相连，偏置信号发生器与加法器的第二输入端相连，加法器的输出端与光强调制器相连，调制激光器中出射的激光经光强调制器的调制后入射至第一二向色镜，周期信号发生器的第二输出端还与信号处理模块的乘法器的第一输入端相连。

所述信号处理模块包括带通滤波器、乘法器和低通滤波器，四象限探测器经带通滤波器后与乘法器的第二输入端相连，乘法器的输出端与低通滤波器相连，乘法器的第一输入端还与光强调制模块的周期信号发生器的第二输出端相连。

具体地：周期信号发生器产生调制频率为f _m的周期性电压信号V ₁，偏置信号发生器 产生偏置电压信号V ₀，周期性电压信号和偏置电压信号输入到加法器，加法器输出电压 信号并输入光强调制器，调制激光器输出光强为、波长为的激光并射入光强调制器， 光强调制器射出的激光经过第一二向色镜偏转后射入真空腔，激光经过聚焦透镜聚焦在微 球上，微球被三维势阱悬浮，经过微球散射的激光经过收集透镜，射出真空腔，经过第二二 向色镜偏转射至光陷阱而被吸收。测量激光器输出光强为、波长为的激光经过反射镜 偏转，透过第一二向色镜，之后波长的激光，在真空腔内与波长的激光共轴，直至透过 第二二向色镜射至四象限探测器上，四象限探测器输出电压信号至带通滤波器，带通滤 波器输出电压信号至乘法器，乘法器的另一个输入是周期信号发生器输出的周期性电压 信号的同步信号，乘法器输出电压信号至低通滤波器，低通滤波器输出电压信号， 低通滤波器输出电压信号即为经过调制解调后的微球的位移测量信号。

所述周期信号发生器产生的信号类型包括但不限于正弦波、三角波和方波。

光强调制器的输出光光强与输入光光强之比值受光强调制器的输入电压信号 控制，所述光强调制器的类型包括但不限于基于普克尔效应、克尔效应或液晶效应的电光 调制器和基于声光效应的声光调制器。

所述第一二向色镜和第二二向色镜是对波长λ₁的激光反射并对波长λ₂的激光透射的光学器件，其类型包括但不限于镀介质膜镜和偏振分束镜。

所述微球的材质为对激光透明的材质，材质类型包括但不限于二氧化硅、亚克力和聚苯乙烯。

二、一种测量被悬浮透明介质微球位移的方法

方法采用所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置，方法包括以下步骤：

1)开启调制激光器、光强调制器、偏置信号发生器和加法器的电源，聚焦在微球的波长λ₁的激光在光束径向上会对微球产生向心光辐射力，形成二维势阱。该二维势阱和三维势阱合成总势阱。总势阱对微球的合力F_a，满足F_a=-kx，x为微球的质心相对新势阱中心的位移，k为合力刚度。将微球从盛装容器中转移至偏置信号发生器出射的波长λ₁的激光产生的二维势阱和三维势阱合成的总势阱的中心；

2)开启周期信号发生器的电源，使得波长λ₁的激光的光强周期性变化，微球的谐振频率从而被调制；

3)开启测量激光器、四象限探测器、带通滤波器、乘法器和低通滤波器的电源，低通滤波器输出解调后的微球的位移测量信号。

所述周期信号发生器产生的电压信号的调制频率为f_m，平均值为零；光强调制 器输出的波长λ₁的激光的平均光强为P₃，最小光强为P₃-P_a，最大光强为P₃+P_a，P_a为光强调制 幅度，测量激光器输出的波长λ₂的激光的平均光强为P₂，满足P₂<P₃/10。

所述波长λ₁的激光对微球施加的外界输入加速度信号的频率分量分布在0至f_s 频率段内，满足f_s< f₀/3，f₀为谐振频率，f_s为输入加速度信号频率上限。

所述波长λ₁的激光光强为P₃-P_a时，微球的谐振频率为f₀-f_a，f_a为频率调制幅度，波 长激光光强为P₃+P_a时，微球的谐振频率为f₀+f_a，满足f_a< f₀/3，f₀< f_m/3，f_m为调制频率， f₀为谐振频率。

所述带通滤波器的低截止频率为f_m-f_b，高截止频率为f_m+f_b，满足f_s<f_b<f₀，f_m为调 制频率，f_s为输入加速度信号频率上限，f_b为带通滤波器带宽，f₀为谐振频率；所述低通滤波 器的截止频率为，满足f_s<f_c<f₀。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种可充分抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法。本发明对聚焦激光光强的周期调制，使得微球简谐运动的谐振频率周期性变化，进而对施加在微球上的外界输入加速度信号进行周期调制，然后对四象限探测器输出的被悬浮微球位移测量信号进行解调。本发明中的调制解调测量方案相对已有的直接测量方案，将微球位移测量信号和噪声调制至高频段，较大程度上抑制了激光光强和指向波动等低频误差的影响，提高了被悬浮微球位移的测量精度。

附图说明

图1为本发明所述的一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置的连接示意图。

图2为本发明中的频率调制抑制低频误差的原理示意图，其中①为四象限探测器输出电压信号的频谱，②为四象限探测器输出电压信号经过调制后的频谱，③为带通滤波器输出电压信号的频谱，④为乘法器输出电压信号的频谱，⑤为低通滤波器输出电压信号的频谱。

图3为应用实施例一中一种微球谐振频率调制的结构示意图。

图4为应用实施例一中一种磁阱结构的磁感应强度分布仿真计算图。

图5为应用实施例一中光辐射力与微球质心位移的关系图。

图6为应用实施例一中微球质心位移测量信号在零频和调制频率附近的噪声功率谱密度图。

图中：周期信号发生器1，偏置信号发生器2，加法器3，调制激光器4，光强调制器5，第一二向色镜6，聚焦透镜7，微球8，三维势阱9，收集透镜10，真空腔11，第二二向色镜12，光陷阱13，测量激光器14，反射镜15，四象限探测器16，带通滤波器17，乘法器18，低通滤波器19。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，从而对本发明要求保护的范围作出更清楚地限定，下面就本发明的某些具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，以下仅是本发明构思的某些具体实施方式仅是本发明的一部分实施例，其中对于相关结构的具体的直接的描述仅是为方便理解本发明，各具体特征并不当然、直接地限定本发明的实施范围。本领域技术人员在本发明构思的指导下所作的常规选择和替换，以及在本发明构思指导下的若干技术特征的合理排列组合，均应视为在本发明要求保护的范围内。

一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置，如图1所示，装置包括周期信号发生器1、偏置信号发生器2、加法器3、调制激光器4、光强调制器5、第一二向色镜6、聚焦透镜7、微球8、三维势阱9、收集透镜10、真空腔11、第二二向色镜12、光陷阱13、测量激光器14、反射镜15、四象限探测器16、带通滤波器17、乘法器18和低通滤波器19；

真空腔11内沿光轴依次设置有聚焦透镜7、微球8和收集透镜10，聚焦透镜7的焦点与收集透镜10的焦点重合，微球8被三维势阱9稳定悬浮；周期信号发生器1与加法器3的第一输入端、乘法器18的第一输入端相连，偏置信号发生器2与加法器3的第二输入端相连，加法器3的输出端与光强调制器5相连，调制激光器4中出射的激光经光强调制器5的调制和第一二向色镜6的反射后再入射至真空腔11内，接着从真空腔11中出射后再经第二二向色镜12的反射后入射至光陷阱13中；测量激光器14的出射光经反射镜15的反射和第一二向色镜6的透射后再入射至真空腔11内，接着从真空腔11中出射后再经第二二向色镜12的透射后入射至四象限探测器16中；四象限探测器16经带通滤波器17后与乘法器18的第二输入端相连，乘法器18的输出端与低通滤波器19相连。

具体地：周期信号发生器1产生调制频率为的周期性电压信号，偏置信号发生 器2产生偏置电压信号，周期性电压信号和偏置电压信号输入到加法器3，加法器3输 出电压信号并输入光强调制器5，调制激光器4输出光强为、波长为的激光并射入光强 调制器5，光强调制器5射出的激光经过第一二向色镜6偏转后射入真空腔11，激光经过聚焦 透镜7聚焦在微球8上，微球8被三维势阱9悬浮，经过微球8散射的激光经过收集透镜10，射 出真空腔11，经过第二二向色镜12偏转射至光陷阱13而被吸收。测量激光器14输出光强为、波长为的激光经过反射镜15偏转，透过第一二向色镜6，之后波长的激光，在真空腔 11内与波长的激光共轴，直至透过第二二向色镜12射至四象限探测器16上，四象限探测 器16输出电压信号至带通滤波器17，带通滤波器17输出电压信号至乘法器18，乘法器18 的另一个输入是周期信号发生器1输出的周期性电压信号的同步信号，乘法器18输出电 压信号至低通滤波器19，低通滤波器19输出电压信号，低通滤波器19输出电压信号即 为经过调制解调后的微球8的位移测量信号。

周期信号发生器1产生的信号类型包括但不限于正弦波、三角波和方波。光强调制 器5的输出光光强与输入光光强之比值受光强调制器5的输入电压信号控制，光强调制器 5的类型包括但不限于基于普克尔效应、克尔效应或液晶效应的电光调制器和基于声光效 应的声光调制器。

第一二向色镜6和第二二向色镜12是对波长激光反射并对波长激光透射的光 学器件，类型包括但不限于镀介质膜镜和偏振分束镜；微球8的材质为对激光透明的材质， 材质类型包括但不限于二氧化硅、亚克力和聚苯乙烯。

一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的方法，方法采用一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置，方法包括以下步骤：

1)开启调制激光器4、光强调制器5、偏置信号发生器2和加法器3的电源，聚焦在微 球8的波长λ₁激光在光束径向上会对微球8产生向心光辐射力，形成二维势阱。该二维势阱 和三维势阱9合成总势阱。总势阱对微球8的合力，满足，为微球8的质心相对新 势阱中心的位移，为合力刚度。将微球8从盛装容器中转移至偏置信号发生器2出射的波长的激光产生的二维势阱和三维势阱9合成的总势阱的中心；

2)开启周期信号发生器1的电源，使得波长λ₁的激光的光强周期性变化，微球8的谐振频率从而被调制；

3)开启测量激光器14、四象限探测器16、带通滤波器17、乘法器18和低通滤波器19的电源，低通滤波器19输出解调后的微球8的位移测量信号。

其中，周期信号发生器1产生电压信号的调制频率为f_m，平均值为零；光强调制器 5输出波长λ₁的激光的平均光强为P₃，最小光强为P₃-P_a，最大光强为P₃+P_a，P_a为光强调制幅 度，测量激光器14输出波长λ₂的激光的平均光强为P₂，满足P₂<P₃/10；

波长λ₁的激光对微球8施加的外界输入加速度信号的频率分量分布在0至f_s频 率段内，满足f_s< f₀/3，f₀为谐振频率；波长λ₁的激光光强为P₃-P_a时，微球8的谐振频率为f₀- f_a，f_a为频率调制幅度，波长激光光强为P₃+P_a时，微球8的谐振频率为f₀+f_a，满足f_a< f₀/3， f₀< f_m/3，f_m为调制频率。

带通滤波器17的低截止频率为f_m-f_b，高截止频率为f_m+f_b，满足f_s<f_b<f₀，f_m为调制 频率，f_s为输入加速度信号频率上限，f_b为带通滤波器带宽，f₀为谐振频率；低通滤波器19的 截止频率为，满足f_s<f_c<f₀。

测量激光器14的光强和指向波动、四象限探测器16的电路1/f噪声和气压温度等环境因素的漂移和微球8本身的质心运动一样，都会导致入射至四象限探测器16光敏面上的测量激光的光强截面分布变化，从而构成了微球8质心位移测量的低频误差来源，本发明中的频率调制解调方案可充分抑制该类低频误差。

如图2所示，为频率调制抑制低频误差的原理示意图。

在实施步骤1)后，聚焦在微球的波长激光在光束径向上会对微球8产生向心光 辐射力，形成二维势阱。该二维势阱和三维势阱9合成总势阱，此时偏置信号发生器2的电源 开启但是周期信号发生器1的电源关闭，光强调制器5输出波长激光的光强为平均光强 ，总势阱对微球8的合力，，为平均势阱刚度，此时微球8的谐振频率为。此时若开启测量激光器14、四象限探测器16，但仍关闭周期信号发生器1 的电源，即对微球8的位移实施直接光强探测，而非频率调制解调探测。此时四象限探测器 16输出电压信号为，满足如下公式：

其中，为探测电压位移转化增益，为四象限探测器16输出电压信号的频率，表示位移测量噪声的主要分量在0至的频率段内，其随机功率谱密度如图2的 ①所示。

接着依次实施步骤2)和3)，即对微球8的位移实施频率调制解调探测。设施加在微 球上的外界输入加速度信号，其频率分量分布在0至频率段内，小于被悬浮微球8简 谐运动的谐振频率的1/3，微球8质心位移对输入加速度的响应可表示为公式(1)：

(1)

其中，为微球8的质量。聚焦在微球的波长激光在光束径向上会对微球产生向 心光辐射力，形成二维势阱。该二维势阱和三维势阱合成总势阱，总势阱对微球的合力，为势阱刚度。势阱刚度被光强调制器5周期性调制为公式(2)：

(2)

其中，为调制频率，为平均刚度，为刚度调制幅度。当时，可认为 调制深度较浅。从微球8的谐振频率被调制的角度看，有公式(3)：

(3)

其中，，，将公式(2)代入公式(1)并取一阶展开近似， 可得微球8位移响应为公式(4)：

(4)

可知项是将输入加速度乘以一正弦函数，即进行幅度调制。如图 2的②所示，四象限探测器16输出电压信号经过调制后，其频谱有部分分量从零频被搬移 至调制频率处，但是幅度降低为原来的。

接着经过带通滤波器17后的电压信号频谱如图2的③所示，只保留了调制频率处附近，即至频率范围的被调制信号。假定周期信号发生器1输出的周 期性电压信号的同步信号，满足，经过乘法器18后，如图2的④所示， 被调制信号频谱的一半能量被搬回零频，另一半被搬移至频率处附近。被搬回零频的 还有调制频率处附近的位移测量噪声。最后，经过低通滤波器19后，如图2的⑤所示，只 保留了零频附近的位移测量信号及其噪声。

虽然经过带通滤波器17、乘法器18和低通滤波器19的解调步骤后，微球8位移测量 信号的幅度仅为光电直接探测的，一般有。但是，经过解调后的微球8 位移测量信号中混含的噪声为频率处附近的位移测量噪声，而 光电直接探测的微球8位移测量信号中混含的噪声为零频附近的位移测量噪声，与的幅度比值一般远小于1/6，因此 本发明的频率调制解调方案能够有效减小激光光强和指向波动等低频误差对被悬浮微球 的质心位移测量的影响，提高被悬浮微球位移测量的信噪比，位移测量信噪比提升的程度 可表示为公式(5)：

(5)

其中，为位移信噪比提升倍数，为本发明调制解调方法信噪比，为直接光电探测方法信噪比，为微球8的质心位移测量噪声随机功率谱 密度，为在调制频率的开根号值，为在下 限频率至平均谐振频率这一频率段内的等效噪声随机功率谱密度，下限频率为 总测量时长的倒数。

应用实施例一

下面给出一个具体的实施例对本发明的通过改变激光光强调制微球谐振频率和频率调制解调方案对微球质心位移测量的信噪比提升效果予以说明。

图3显示了一种微球谐振频率调制的结构示意图，其中三维势阱9具体为磁阱，两个含尖端的软磁合金分别被通电线圈包裹构成上磁极组，同样的结构构成下磁极组，上、下磁极组尖端相对而组成整个磁阱，四个软磁合金尖端的磁性从左上角顺时针遍历依次为N、S、N和S，四个通电线圈由左上角的恒流源驱动。由于透明介质微球具有微弱的抗磁性（磁极化率为10^-5量级），透明介质微球趋向于磁感应强度最弱的位置，即四个软磁合金尖端之间的中心处，透明介质微球被三维磁力克服重力而悬浮。

假定微球的直径为5 μm，材质为聚苯乙烯，则其质量为。根据静 磁场理论可仿真得出磁阱中的磁感应强度分布，如图4所示，接着可根据磁感应强度分布计 算三维磁力的刚度。在该参与仿真的磁阱结构中，仅由于磁力导致微球沿着波长的激光 对应的聚焦光束径向运动的谐振频率为，则对微球施加的磁力的刚度为。

输出波长的调制激光器4经过光强调制器5、第一二向色镜6和聚焦透 镜7后入射至微球8，光强调制器5输出激光的被调制频率，最小光强为，最大光强为，聚焦在微球8上的波长 的激光的数值孔径NA=0.15，波长的激光在光束径向上会对微球产生向心光辐射力，形成 二维势阱。光强调制器5输出激光光强为10 W时，光辐射力与微球8质心位移的关系如图5 所示，可得出在质心位移为零附近沿着光束径向对微球施加的光辐射力的刚度为。

光辐射力形成的二维势阱和磁力形成的三维势阱合成总势阱，沿着波长的激光 光束径向的势阱力的总刚度可表示为公式(6)：

(6)

即。，调制深度小于1/3，可作 线性近似。从微球8的谐振频率被调制的角度看，有公式(7)：

(7)

图6显示了微球质心位移测量信号在零频和调制频率附近的噪声功率谱密度（纵 坐标以开根号显示，下同），其中实线基于不进行调制解调而是直接光电探测的电压信号 的测量数据，由电压信号，根据探测电压位移转化增益，可推得位移测量值，，由外界激励法标定得到。图6中的实线即为位移测量值的连续随机 功率谱密度。

虽然该功率谱密度同时包含了微球8的位移测量信号和测量噪声，但是微球8的位 移信号在一定条件下可由气体动理论解析得到，理论位移信号如图6中的虚线所示。因此， 通过图6中实线的纵坐标值减去虚线的纵坐标值，可近似得到微球8的位移测量噪声随机功 率谱密度。显然该位移测量噪声随机功率谱密度在10^-2 Hz至10⁰ Hz频段为1/f噪声，即每频 率提高2个数量级，位移测量噪声随机功率谱密度的开根号值（即幅度谱密度）下降一个数 量级。为微球8的质心位移测量噪声随机功率谱密度在下限频率至平均 谐振频率这一频率段内的等效噪声随机功率谱密度，下限频率为总测量时长的倒数。 假定对微球8的总测量时长为100s。则有公式(8)：

(8)

其中，根据图6测得为，则上述谐振频率调制 解调方案相对于光电直接探测方案，位移测量信噪比提升的程度为公式(9)：

(9)

即通过本发明中的谐振频率调制解调方案，相对已有的光电直接测量方案，可将微球8的质心位移测量精度提高略超过一个数量级。

最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置，其特征在于，包括光强调制模块、信号处理模块、调制激光器（4）、第一二向色镜（6）、聚焦透镜（7）、微球（8）、三维势阱（9）、收集透镜（10）、真空腔（11）、第二二向色镜（12）、光陷阱（13）、测量激光器（14）、反射镜（15）和四象限探测器（16）；真空腔（11）内沿光轴依次设置有聚焦透镜（7）、微球（8）和收集透镜（10），微球（8）被三维势阱（9）悬浮；调制激光器（4）中出射的激光经光强调制模块的调制和第一二向色镜（6）的反射后再入射至真空腔（11）内，接着从真空腔（11）中出射后再经第二二向色镜（12）的反射后入射至光陷阱（13）中；测量激光器（14）的出射光经反射镜（15）和第一二向色镜（6）的透射后再入射至真空腔（11）内，接着从真空腔（11）中出射后再经第二二向色镜（12）的透射后入射至四象限探测器（16）中；光强调制模块和四象限探测器（16）均与信号处理模块相连；

所述光强调制模块包括周期信号发生器（1）、偏置信号发生器（2）、加法器（3）和光强调制器（5），周期信号发生器（1）与加法器（3）、乘法器（18）相连，偏置信号发生器（2）与加法器（3）相连，加法器（3）与光强调制器（5）相连，调制激光器（4）中出射的激光经光强调制器（5）的调制后入射至第一二向色镜（6），周期信号发生器（1）还与信号处理模块相连；

所述信号处理模块包括带通滤波器（17）、乘法器（18）和低通滤波器（19），四象限探测器（16）经带通滤波器（17）后与乘法器（18）相连，乘法器（18）与低通滤波器（19）相连，乘法器（18）还与光强调制模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置，其特征在于，所述周期信号发生器（1）产生的信号类型包括正弦波、三角波和方波；所述光强调制器（5）的类型包括基于普克尔效应、克尔效应或液晶效应的电光调制器和基于声光效应的声光调制器。

3.根据权利要求1所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置，其特征在于，所述第一二向色镜（6）和第二二向色镜（12）的类型包括镀介质膜镜和偏振分束镜；所述微球（8）的材质为对激光透明的材质。

4.一种测量被悬浮透明介质微球位移的方法，其特征在于，方法采用权利要求1-3任一所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置，方法包括以下步骤：

1)开启调制激光器（4）、光强调制器（5）、偏置信号发生器（2）和加法器（3）的电源，将微球（8）从盛装容器中转移至偏置信号发生器（2）出射的波长λ ₁的激光产生的二维势阱和三维势阱（9）合成的总势阱的中心；

2)开启周期信号发生器（1）的电源，使得波长λ ₁的激光的光强周期性变化，微球（8）的谐振频率从而被调制；

3)开启测量激光器（14）、四象限探测器（16）、带通滤波器（17）、乘法器（18）和低通滤波器（19）的电源，低通滤波器（19）输出解调后的微球（8）的位移测量信号；

所述周期信号发生器（1）产生的电压信号的调制频率为f _m，平均值为零；光强调制器（5）输出的波长λ ₁的激光的平均光强为P ₃，最小光强为P ₃-P _a，最大光强为P ₃+P _a，P _a为光强调制幅度，测量激光器（14）输出的波长λ ₂的激光的平均光强为P ₂，满足P ₂<P ₃/10。

5.根据权利要求4所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的方法，其特征在于，所述波长λ ₁的激光对微球（8）施加的外界输入加速度信号的频率分量分布在0至f _s频率段内，满足f _s< f ₀/3，f ₀为谐振频率，f _s为输入加速度信号频率上限。

6.根据权利要求4所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的方法，其特征在于，所述波长λ ₁的激光光强为P ₃-P _a时，微球（8）的谐振频率为f ₀-f _a，f _a为频率调制幅度，波长激光光强为P ₃+P _a时，微球（8）的谐振频率为f ₀+f _a，满足f _a< f ₀/3，f ₀< f _m/3，f _m为调制频率，f ₀为谐振频率，P ₃为波长λ ₁的激光的平均光强，P _a为光强调制幅度。

7.根据权利要求4所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的方法，其特征在于，所述带通滤波器（17）的低截止频率为f _m-f _b，高截止频率为f _m+f _b，满足f _s<f _b<f ₀，f _m为调制频率，f _s为输入加速度信号频率上限，f _b为带通滤波器（17）带宽，f ₀为谐振频率；所述低通滤波器（19）的截止频率为，满足f _s<f _c<f ₀。