CN211697862U - 一种基于光阱力的原子加速度计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于光阱力的原子加速度计，包括原子冷却单元、位移检测单元、光功率探测单元、数据处理单元，电源，外壳，支撑杆，其中外壳是一个金属正方体，外壳与载体固定，载体为飞机、火箭或其它可移动物体；本实用新型采用10‑10米级原子作为检测质量，利用光阱力提供非接触支撑，减小机械环节的影响，在结构上没有了硬连接的支撑元件，减小了弹性支撑元件的摩擦阻尼对测量结果的影响；对微小加速度变化非常敏感，提高了测量灵敏度；采用闭环控制模式，抗干扰能力强；由于存在光学反馈作用，加速度计的检测质量始终工作在中心附近，还可以扩大量程。
Description
技术领域
本实用新型属于惯性导航技术领域，具体涉及一种基于光阱力的原子加速度计。
背景技术
惯性导航因其具有自主性强，隐蔽性好，全天候、全时间工作等优点，成为国家一些战略、战术武器中不可或缺的核心导航方式。同时，高作战性能的需求也对器件的精度提出了更高的要求也对惯性器件提出了更高精度的要求。
目前使用的加速度计大部分都是利用检测质量敏感惯性力实现的。其结构上，检测质量均与测量系统壳体弹性连接。这种弹性连接在使用过程中会不可避免的带来摩擦阻尼，影响测量精度。而且，长时间的使用可能会对零件造成一定程度的磨损。另外，目前加速度计中使用的检测微质量对于微小力学量的变化不敏感的情况，也一定程度上影响了加速度计的测量灵敏度。
近年来，随着激光冷却和激光光镊技术的出现，对于光的力学效应的研究已经对很多学科领域产生了深远的影响。当光与物质接触时会伴随着动量交换，对物体产生力的作用，这种作用力被称为辐射压力，简称光压。越是微小物体对这种力越敏感。除了目前通过磁悬浮和静电悬浮为检测质量提供无接触支承外，光对微小物体的压力可以作为一种新的提供无接触支承的原理。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种一种基于光阱力的原子加速度计，包括原子冷却单元、位移检测单元、光功率探测单元、数据处理单元，电源，外壳，支撑杆，其特征在于：外壳是一个金属正方体，外壳与载体固定，载体为飞机、火箭或其它可移动物体；原子冷却单元位于外壳内部，为正方体结构，原子冷却单元通过支撑杆与外壳固定；位移检测单元固定在外壳内壁上，探测原子位置，输出含有携带位置信息的电信号至原子冷却单元；光功率探测单元固定在原子冷却单元外侧，用于实时探测冷却激光功率值，输出光功率的电信号到数据处理单元；数据处理单元固定在外壳内壁，数据处理单元的输入端与光功率探测单元连接，用于接收光功率探测单元输出的感应信号，并对其进行差分放大、滤波及数据输出；电源安装在外壳内壁上，为原子冷却单元、位移检测单元、光功率探测单元、数据处理单元供电。
进一步的，支撑杆分别连接原子冷却单元的八个顶点和外壳内部的八个顶点上，支撑杆为金属或碳纤维材料制成；位移检测单元采用光电位置探测器探测原子位置。
进一步的，原子冷却单元包括真空腔、激光分束模块、光衰减器、一对亥姆霍兹线圈和冷原子，其中激光分束模块发出的六路冷却激光分别经过六个光衰减器在真空腔中两两对射，形成光阱；一对亥姆霍兹线圈固定在真空腔外部，相互反向，两个线圈竖直中心轴线重合，中心相距6.5cm；冷原子位于真空腔中心位置。
真空腔包括腔体外壳、玻璃窗口，腔体外壳是一个6.5cm*6.5cm*6.5cm的立方体无磁金属结构，六个面的中心位置都有一个直径3.5cm的石英玻璃圆孔，即玻璃窗口，在真空腔上下两个面上安装一对亥姆霍兹线圈。
进一步的，激光分束模块包括激光源、偏振分束器、1/2波片、1/4波片、透镜和光纤，其中偏振分束器数量5个，1/2波片数量也是5个，1/4波片数量为6个，透镜数量为6个；每一个偏振分束器之前都有一个1/2波片，构成一组；1/2波片的作用是改变入射的线偏振光的偏振方向，从而通过调整波片的光轴方向，调整出射的两束激光的光强之比，使最后输出的六束激光的光强基本相等；六束激光通过1/4波片以产生合适的偏振态，并由透镜耦合进入光纤；再由光纤将激光输入光衰减器，六个光衰减器分别位于真空腔上下，左右，前后六个面的外部，1号光纤和4号光纤为一对，2号光纤和5号光纤为一对，3号光纤和6号光纤为一对，6路激光各自经过光衰减器，在真空腔中两两对射。
进一步的，光功率探测单元位于光衰减器前端靠近玻璃窗口附近，光功率探测单元输出对射方向激光光功率信号到数据处理单元。
进一步的，数据处理单元包括前置放大电路、差分放大电路、滤波电路、显示电路，其中，前置放大电路将对射方向激光功率信号进行前置放大并减小噪声带宽，而后输出至差分放大电路；差分放大电路将功率信号同相相减并放大并输出至滤波电路进行滤波；滤波电路输出至到单片机控制的显示电路中显示加速度值。
进一步的，显示电路包括微控制器、显示器和A/D转换模块。
进一步的，激光源选用850nm VCSEL垂直腔面发射激光器，光衰减器选用科海852nm MEMS电控VOA光可调衰减器，光功率探测单元选用Coherent公司PowerMax-Pro USB/RS 150F HD实时测量激光功率计，位移检测单元选用attocube公司皮米精度激光干涉仪IDS3010，冷原子选用铯原子，磁光阱中的反向亥姆霍兹线圈选用直径1mm的漆包线绕制成内径4.5cm,外径6cm,厚2cm的线圈，线圈上所加电流为2A，磁场梯度达到10Gs/cm。
进一步的，数据处理单元中前置放大电路选用OP07芯片，差分放大电路选用CA3140芯片，滤波电路选用LM741芯片，显示电路微控制器选用51单片机，显示器选用LED显示屏，A/D转换模块选用ADC0809。
本实用新型采用10-10米级原子作为检测质量，利用光阱力提供非接触支撑，减小机械环节的影响，在结构上没有了硬连接的支撑元件，减小了弹性支撑元件的摩擦阻尼对测量结果的影响；对微小加速度变化非常敏感，提高了测量灵敏度；采用闭环控制模式，抗干扰能力强；由于存在光学反馈作用，加速度计的检测质量始终工作在中心附近，还可以扩大量程。
附图说明
图1为本实用新型工作原理图；
图2为本实用新型光阱力与光功率相互关系图；
图3为本实用新型结构组成图；
图4为本实用新型中原子冷却单元组成结构图；
图5为本实用新型中真空腔组成结构图(正面)；
图6为本实用新型中激光分束模块组成结构图；
图7为本实用新型中数据处理单元组成结构图。
附图标记说明：1、原子冷却单元；2、位移检测单元；3、光功率探测单元；4、数据处理单元；5、电源；6、外壳；7、支撑杆；11、真空腔；12、激光分束模块；13、光衰减器；14、亥姆霍兹线圈；15、冷原子；16、激光；111、腔体外壳；112、玻璃窗口；121、激光源；122、偏振分束器；123、1/2波片；124、1/4波片；125、透镜；126、光纤；41、前置放大电路；42、差分放大电路；43、滤波电路；44、显示电路；441、微控制器；442、显示器；443、A/D转换模块。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案以及优势更加明晰，下面结合附图和实施例对本实用新型的内容进行进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的主要工作原理是加速度计外壳与载体互连，加速度计的敏感质量为原子。采用原子冷却技术，将该原子囚禁在加速度计内磁光阱中心处，当载体有加速度a时，加速度计内的敏感质量在惯性力F的作用下会偏离中心位置发生位移，当位移传感器检测出位移大小Δs后，调节对应光功率，使其产生一个与惯性力F大小相等，方向相反的平衡光阱力F′作用在敏感质量上，实现零位检测，最后通过探测系统中光束的功率大小P，经过数据处理换算输出测量加速度值β。
如图2所示，由半导体激光器发出的两束相同功率的对射基模高斯激光照射在原子上，两高斯光束光轴重合，定义如下坐标系，以两束光束腰间隔的中点为原点，垂直于高斯光束光轴向前为x轴正方向，沿高斯光束光轴向右为y轴正方向，根据右手定则确定z轴正方向。原子周围介质均匀。假设基模高斯激光的功率为P，束腰半径为w0，束腰的间隔为d，原子半径为r0，周围介质折射率表示为n1，原子折射率表示为n2，其比值表示为
k是介质中的波数，k＝2π/λ，λ为介质中的波长，光速为c，原子所受单束激光沿y轴方向的光阱力与其沿y轴方向的位移Δy的关系可以表示为：
可以看出单束激光光阱力正比于光功率大小。假设原子质量为M，对于对射激光来说，原子在其中所受合力与其功率差成正比。即当载体发生运动时，为使原子保持在原位置，由对射激光通过改变光功率差，产生一个与惯性力大小相等，方向相反的平衡光阱力。那么，载体所受加速度可以表示为：
本实用新型的主要技术构思是采用10-10米级原子作为检测质量，利用光阱力提供非接触支撑，减小机械环节的影响，在结构上没有了硬连接的支撑元件，减小了弹性支撑元件的摩擦阻尼对测量结果的影响。
如图3所示，本实用新型提供一种基于光阱力的原子加速度计，包括原子冷却单元1、位移检测单元2、光功率探测单元3、数据处理单元4，电源5，外壳6，支撑杆7，其中外壳6是一个金属正方体，外壳与载体固定，载体为飞机、火箭或其它可移动物体。
原子冷却单元1位于外壳6内部，为正方体结构，原子冷却单元1通过支撑杆7与外壳6固定，支撑杆7分别连接原子冷却单元1的八个顶点和外壳6内部的八个顶点上，支撑杆7为金属或碳纤维材料制成。
位移检测单元2固定在外壳6内壁上，采用光电位置探测器，对冷却后的原子进行高精度、高频率响应地位置探测，输出含有携带位置信息的电信号至原子冷却单元1，用于反馈控制光衰减大小。
光功率探测单元3固定在原子冷却单元1外侧，用于实时探测冷却激光功率值，输出携带实时光功率的电信号到数据处理单元4。
数据处理单元4固定在外壳6内壁，数据处理单元4的输入端与光功率探测单元3连接，用于接收光功率探测单元3输出的感应信号，并对其进行差分放大、滤波及数据输出。
电源5安装在外壳6内壁上，为原子冷却单元1、位移检测单元2、光功率探测单元3、数据处理单元4供电。
如图4所示，原子冷却单元1包括真空腔11、激光分束模块12、光衰减器13、一对亥姆霍兹线圈14和冷原子15，激光分束模块12发出的六路冷却激光16分别经过六个光衰减器13在真空腔11中两两对射，形成光阱；一对亥姆霍兹线圈14固定在真空腔11外部，相互反向，两个线圈竖直中心轴线重合，中心相距6.5cm；冷原子15位于真空腔11中心位置。
如图5所示，真空腔11包括腔体外壳111、玻璃窗口112。腔体外壳111是一个6.5cm*6.5cm*6.5cm的立方体无磁金属结构，六个面的中心位置都有一个直径3.5cm的石英玻璃圆孔，即玻璃窗口112，可将光束导入真空腔11内，在真空腔11上下两个面上安装一对亥姆霍兹线圈14，形成磁阱。
如图6所示，激光分束模块12包括激光源121、偏振分束器122、1/2波片123、1/4波片124、透镜125和光纤126，其中偏振分束器122数量5个，1/2波片123数量也是5个，1/4波片124数量为6个，透镜125数量为6个；每一个偏振分束器122之前都有一个1/2波片123，构成一组。1/2波片123的作用是改变入射的线偏振光的偏振方向，从而通过调整波片的光轴方向，调整出射的两束光的光强之比，使最后输出的六束光的光强基本相等。六束光通过1/4波片以产生合适的偏振态，并由透镜125耦合进入光纤126。再由光纤126将激光输入光衰减器13，六个光衰减器13分别位于真空腔11上下，左右，前后六个面的外部，1号光纤和4号光纤为一对，2号光纤和5号光纤为一对，3号光纤和6号光纤为一对，6路激光各自经过光衰减器13，在真空腔11中两两对射；
光功率探测单元3位于光衰减器13前端靠近玻璃窗口112附近，光功率探测单元3输出对射方向激光光功率信号到数据处理单元4，
数据处理单元4包括前置放大电路41、差分放大电路42、滤波电路43、显示电路44，对射方向激光光功率信号经过前置放大电路41将功率信号进行前置放大，同时减小噪声带宽，而后输出至差分放大电路42；差分放大电路42将功率信号同相相减并放大并输出至滤波电路43进行滤波；滤波电路43输出至到单片机控制的显示电路44中显示加速度值，显示电路44包括微控制器441、显示器442和A/D转换模块443。
在本实用新型的一个具体实施例中：
激光源121选用850nm VCSEL垂直腔面发射激光器，光衰减器13选用科海852nmMEMS电控VOA光可调衰减器，光功率探测单元3选用Coherent公司PowerMax-Pro USB/RS150F HD实时测量激光功率计，位移检测单元2选用attocube公司皮米精度激光干涉仪IDS3010，冷原子15选用铯原子，磁光阱中的反向亥姆霍兹线圈14选用直径1mm的漆包线绕制成内径4.5cm,外径6cm,厚2cm的线圈，线圈上所加电流为2A，磁场梯度可达到10Gs/cm，满足梯度势阱的要求，数据处理单元4中前置放大电路41选用OP07芯片，差分放大电路42选用CA3140芯片，滤波电路43选用LM741芯片，显示电路44微控制器441选用51单片机，显示器442选用LED显示屏，A/D转换模块443选用ADC0809。
本实用新型以原子作为检测质量，通过敏感惯性力，测量载体加速度。在结构上，以光阱力提供非接触支持力，一定程度上避免了摩擦阻尼和零件的磨损，提高了测量精度。同时，本实用新型采用原子敏感惯性力的方式，对于微小加速度变化非常敏感，提高了测量灵敏度。此外，采用闭环控制模式，抗干扰能力强，由于存在光学反馈作用，加速度计的检测质量始终工作在中心附近，还可以扩大量程。
Claims (10)
1.一种基于光阱力的原子加速度计，包括原子冷却单元(1)、位移检测单元(2)、光功率探测单元(3)、数据处理单元(4)，电源(5)，外壳(6)，支撑杆(7)，其特征在于：外壳(6)是一个金属正方体，外壳(6)与载体固定，载体为飞机、火箭或其它可移动物体；原子冷却单元(1)位于外壳(6)内部，为正方体结构，原子冷却单元(1)通过支撑杆(7)与外壳(6)固定；位移检测单元(2)固定在外壳(6)内壁上，探测原子位置，输出含有携带位置信息的电信号至原子冷却单元(1)；光功率探测单元(3)固定在原子冷却单元(1)外侧，用于实时探测冷却激光功率值，输出光功率的电信号到数据处理单元(4)；数据处理单元(4)固定在外壳(6)内壁，数据处理单元(4)的输入端与光功率探测单元(3)连接，用于接收光功率探测单元(3)输出的感应信号，并对其进行差分放大、滤波及数据输出；电源(5)安装在外壳(6)内壁上，为原子冷却单元(1)、位移检测单元(2)、光功率探测单元(3)、数据处理单元(4)供电。
2.如权利要求1所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：支撑杆(7)分别连接原子冷却单元(1)的八个顶点和外壳(6)内部的八个顶点上，支撑杆(7)为金属或碳纤维材料制成；位移检测单元(2)采用光电位置探测器探测原子位置。
3.如权利要求1或2所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：原子冷却单元(1)包括真空腔(11)、激光分束模块(12)、光衰减器(13)、一对亥姆霍兹线圈(14)和冷原子(15)，激光分束模块(12)发出的六路冷却激光(16)分别经过六个光衰减器(13)在真空腔(11)中两两对射，形成光阱；一对亥姆霍兹线圈(14)固定在真空腔(11)外部，相互反向，两个线圈竖直中心轴线重合，中心相距6.5cm；冷原子(15)位于真空腔(11)中心位置。
4.如权利要求3所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：真空腔(11)包括腔体外壳(111)、玻璃窗口(112)，腔体外壳(111)是一个6.5cm*6.5cm*6.5cm的立方体无磁金属结构，六个面的中心位置都有一个直径3.5cm的石英玻璃圆孔，即玻璃窗口(112)，在真空腔(11)上下两个面上安装一对亥姆霍兹线圈(14)。
5.如权利要求4所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：激光分束模块(12)包括激光源(121)、偏振分束器(122)、1/2波片(123)、1/4波片(124)、透镜(125)和光纤(126)，其中偏振分束器(122)数量5个，1/2波片(123)数量也是5个，1/4波片(124)数量为6个，透镜(125)数量为6个；每一个偏振分束器(122)之前都有一个1/2波片(123)，构成一组；1/2波片(123)的作用是改变入射的线偏振光的偏振方向，从而通过调整波片的光轴方向，调整出射的两束激光的光强之比，使最后输出的六束激光的光强基本相等；六束激光通过1/4波片以产生合适的偏振态，并由透镜(125)耦合进入光纤(126)；再由光纤(126)将激光输入光衰减器(13)，六个光衰减器(13)分别位于真空腔(11)上下，左右，前后六个面的外部，1号光纤和4号光纤为一对，2号光纤和5号光纤为一对，3号光纤和6号光纤为一对，6路激光各自经过光衰减器(13)，在真空腔(11)中两两对射。
6.如权利要求5所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：光功率探测单元(3)位于光衰减器(13)前端靠近玻璃窗口(112)附近，光功率探测单元(3)输出对射方向激光光功率信号到数据处理单元(4)。
7.如权利要求1所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：数据处理单元(4)包括前置放大电路(41)、差分放大电路(42)、滤波电路(43)、显示电路(44)，其中，前置放大电路(41)将对射方向激光功率信号进行前置放大并减小噪声带宽，而后输出至差分放大电路(42)；差分放大电路(42)将功率信号同相相减并放大并输出至滤波电路()43进行滤波；滤波电路(43)输出至到单片机控制的显示电路(44)中显示加速度值。
8.如权利要求7所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：显示电路(44)包括微控制器(441)、显示器(442)和A/D转换模块(443)。
9.如权利要求5所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：激光源(121)选用850nm VCSEL垂直腔面发射激光器，光衰减器(13)选用科海852nm MEMS电控VOA光可调衰减器，光功率探测单元(3)选用Coherent公司PowerMax-Pro USB/RS 150F HD实时测量激光功率计，位移检测单元(2)选用attocube公司皮米精度激光干涉仪IDS3010，冷原子(15)选用铯原子，磁光阱中的反向亥姆霍兹线圈()14选用直径1mm的漆包线绕制成内径4.5cm,外径6cm,厚2cm的线圈，线圈上所加电流为2A，磁场梯度达到10Gs/cm。
10.如权利要求8所述的一种基于光阱力的原子加速度计，其特征在于：数据处理单元(4)中前置放大电路(41)选用OP07芯片，差分放大电路(42)选用CA3140芯片，滤波电路(43)选用LM741芯片，显示电路(44)微控制器(441)选用51单片机，显示器(442)选用LED显示屏，A/D转换模块(443)选用ADC0809。
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| CN201922205150.7U CN211697862U (zh) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | 一种基于光阱力的原子加速度计 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112466506A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-03-09 | 之江实验室 | 一种真空光阱起支方法及装置与应用 |
| CN115206581A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-10-18 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种平顶光束二维磁光阱 |
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2019
- 2019-12-11 CN CN201922205150.7U patent/CN211697862U/zh active Active
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| CN115206581A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-10-18 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种平顶光束二维磁光阱 |
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