專利名稱：利用四光束光纖光阱測量加速度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量加速度的裝置，尤其是利用四光束光纖光阱測量加速度的 裝置。
背景技術(shù)：
由量子理論可知光束是一群以光速運(yùn)動(dòng)的、既有質(zhì)量又有動(dòng)量的光子流。 當(dāng)光束在介質(zhì)表面發(fā)生折射和反射時(shí)，光子的速度和方向改變，從而導(dǎo)致其動(dòng) 量矢量的變化。根據(jù)動(dòng)量守恒定律光子的動(dòng)量變化量等于微粒的動(dòng)量變化量。 所以微粒的動(dòng)量相應(yīng)變化，也即光束對(duì)微粒存在力的作用，稱為光輻射壓。研 究表明，光輻射壓包括了沿光束傳播方向的散射力和總是指向光強(qiáng)較強(qiáng)處的梯 度力。在這兩個(gè)力的作用下，光束能在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)微粒進(jìn)行捕捉，即令其穩(wěn) 定在某特定位置，該區(qū)域稱為光阱。因此光輻射壓又稱光阱力。利用兩對(duì)相互 垂直且分別精確對(duì)準(zhǔn)、相向傳播的單模光纖出射基模高斯光束，微?？梢栽诠?阱中達(dá)到受力平衡。改變不同光纖中的光功率大小分配，就可以改變微粒在光 阱中的位移。
當(dāng)前眾多不同的測試加速度的方法和裝置，其普遍原理是當(dāng)被測物體作加 速運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性力使測量裝置中的傳感元件的某一物理量發(fā)生變化(如形變)， 此時(shí)測量裝置的探測元件得到的信號(hào)也相應(yīng)地改變。這類微機(jī)電加速度計(jì)
(MEMS)的重要特征是特殊材料制成的應(yīng)力變化靈敏度高的質(zhì)量塊通過剛體 支撐與被測物相連，引入的主要缺點(diǎn)在于，對(duì)傳感元件的機(jī)械式、接觸式支撐 方式會(huì)因?yàn)橹喂碳胝`差，如溫度影響支撐固件的形態(tài)等。而且機(jī)械支 撐部分的磨損和腐蝕很容易降低測試精度和使用壽命。當(dāng)需要測量多個(gè)方向的 加速度大小時(shí)，很多測量方法是在不同方向設(shè)置多組測量裝置以保證精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用四光束光纖光阱對(duì)粒子的捕獲和探測來測量 加速度的裝置，以滿足同時(shí)在兩個(gè)垂直方向上進(jìn)行高精度地測量。
本發(fā)明的利用四光束光纖光阱測量加速度的裝置包括基板，固定在基板上 的激光器、光強(qiáng)調(diào)制器、四條單模光纖、有機(jī)玻璃固定臺(tái)、球狀SiC粒子、光 電圖像探測器和處理器，有機(jī)玻璃固定臺(tái)上具有十字交叉凹槽和中央凹槽，中 央凹槽位于十字交叉凹槽的交匯處，球狀SiC粒子放置在有機(jī)玻璃固定臺(tái)的中
央凹槽內(nèi)，四條單模光纖的輸出端分別固定在有機(jī)玻璃固定臺(tái)的十字交叉凹槽中，四條單模光纖的輸入端分別與光強(qiáng)調(diào)制器的輸出端相連，光電圖像探測器 位于有機(jī)玻璃固定臺(tái)的上方，光電圖像探測器和光強(qiáng)調(diào)制器分別與處理器相連， 激光器出射的光經(jīng)過光強(qiáng)調(diào)制器調(diào)制成四束光強(qiáng)相同的光后分別輸入到四條單 模光纖中，四條單模光纖端面出射的光束兩兩對(duì)準(zhǔn)、相向傳播。
為了提高球狀SiC粒子對(duì)加速度的靈敏度，通常，選擇球狀SiC粒子的半 徑為5 20微米，質(zhì)量為10-9 10-7克。進(jìn)一步特征是，相對(duì)兩條單模光纖在有 機(jī)玻璃固定臺(tái)十字交叉凹槽內(nèi)的輸出端面間隔100 800微米。
為保證單模光纖固定穩(wěn)定性，可使有機(jī)玻璃固定臺(tái)上的十字交叉凹槽為V 形槽，V形槽的深度小于中央凹槽的深度。
為了使球狀SiC粒子在受到激光捕獲時(shí)不受自身重力的影響，可以在有機(jī) 玻璃固定臺(tái)的中央凹槽內(nèi)填充密度與球狀SiC粒子密度相同的透明溶液，例如 煤油、KOH溶液。
本發(fā)明的裝置用于測試加速度的工作原理
將本發(fā)明的裝置通過基板固定在被測主體上，利用光強(qiáng)調(diào)制器將激光器出 射的光調(diào)制成四束光強(qiáng)相同的光，分別輸入到四條單模光纖中。四條單模光纖 端面出射的光束通過有機(jī)玻璃固定臺(tái)的V形槽兩兩對(duì)準(zhǔn)、相向傳播。在光阱力 的作用下，球狀SiC粒子在光束垂直交匯處受力平衡，且當(dāng)粒子離開該平衡位 置時(shí)總有回復(fù)力使其返回原平衡位置。當(dāng)被測主體存在加速運(yùn)動(dòng)，V形槽內(nèi)地 球狀SiC粒子在慣性力作用下偏離原來的平衡位置。此時(shí)，光電圖像探測器準(zhǔn) 確探測球狀SiC粒子的當(dāng)前位置，并將位置信息送到處理器中，處理器計(jì)算得 到能使球狀SiC粒子回復(fù)到原平衡位置的相應(yīng)光強(qiáng)調(diào)節(jié)量。處理器輸出該調(diào)節(jié) 量給光強(qiáng)調(diào)制器，光強(qiáng)調(diào)制器據(jù)此改變四條光束的輸出光強(qiáng)，使球狀SiC粒子 沿著與偏離初始平衡點(diǎn)方向相反的方向移動(dòng)，直至回復(fù)到原平衡位置。此時(shí)光 強(qiáng)調(diào)制器出射的四束光的光強(qiáng)不再相等。光強(qiáng)調(diào)制器將此光強(qiáng)差信息輸入到處 理器中計(jì)算即可獲得加速度的大小與方向。
本發(fā)明和當(dāng)前的主流加速度傳感器比較，本發(fā)明的優(yōu)勢體現(xiàn)在幾個(gè)方面-一是精度高。因?yàn)楣廨椛鋲簩?duì)光阱中的粒子的束縛力只有皮牛量級(jí)，半徑(質(zhì) 量)極小的粒子的位移對(duì)加速度變化十分敏感。相比其他大多數(shù)加速度傳感器 使用在應(yīng)力作用下能發(fā)生明顯形變的傳感器件，本發(fā)明通過粒子偏移的方式更 好地放大了加速度改變帶來的物理變化量。二是使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性好。 本發(fā)明利用用光束對(duì)粒子力學(xué)束縛持來固定傳感元件(粒子)，這是一種懸浮式、 非接觸式的支撐方式。而傳統(tǒng)加速度傳感器使用機(jī)械懸臂將傳感元件和被測物體固定在一起，是一種機(jī)械式、接觸式的支撐技術(shù)。機(jī)械臂的安裝不僅限制了 整個(gè)系統(tǒng)精度的精度，而且環(huán)境因素對(duì)機(jī)械臂可能造成形變或者磨損。另外， 測量的動(dòng)態(tài)范圍大。根據(jù)本發(fā)明的測量原理，加速度信息是由粒子位移信息轉(zhuǎn) 化為光強(qiáng)差再換算得到的，基于光電探測和光強(qiáng)調(diào)制器的成熟技術(shù)，粒子位移 量可以準(zhǔn)確地由光束光強(qiáng)差表示，只要光強(qiáng)差大，則粒子的位移變化范圍較大， 也就是說加速度的測量動(dòng)態(tài)范圍較大。同時(shí)本發(fā)明采用四光束在兩個(gè)垂直方向 上同時(shí)作用于粒子，可以十分便捷地在二維方向上同時(shí)得到加速度的大小。


圖1是利用四光束光纖光阱測量加速度的裝置示意圖； 圖2是四條單模光纖固定在有機(jī)玻璃固定臺(tái)上的示意圖； 圖3是利用四光束光纖光阱測量加速度的工作原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
參照?qǐng)Dl，利用四光束光纖光阱測量加速度的裝置包括基板，固定在基板上 的激光器l、光強(qiáng)調(diào)制器2、四條單模光纖3、有機(jī)玻璃固定臺(tái)4、球狀SiC粒 子5、光電圖像探測器6和處理器7，有機(jī)玻璃固定臺(tái)4上具有十字交叉凹槽和 中央凹槽，中央凹槽位于十字交叉凹槽的交匯處，球狀SiC粒子5放置在有機(jī) 玻璃固定臺(tái)4的中央凹槽內(nèi)，四條單模光纖3的輸出端分別固定在有機(jī)玻璃固定 臺(tái)4的十字交叉凹槽中，四條單模光纖3的輸入端分別與光強(qiáng)調(diào)制器2的輸出端 相連，光電圖像探測器6位于有機(jī)玻璃固定臺(tái)4的上方，光電圖像探測器6和光 強(qiáng)調(diào)制器2分別與處理器7相連，激光器1出射的光經(jīng)過光強(qiáng)調(diào)制器2調(diào)制成四 束光強(qiáng)相同的光后分別輸入到四條單模光纖3中，四條單模光纖端面出射的光束 兩兩對(duì)準(zhǔn)、相向傳播。
四條單模光纖3可以使用固定膠的方式固定在有機(jī)玻璃固定臺(tái)4的十字交 叉V形槽中(見圖2)。十字交叉凹槽的交匯處設(shè)置中央凹槽，V形槽的深度小 于中央凹槽的深度。
具體實(shí)例，中央凹槽中的球狀SiC粒子的半徑為IO微米，質(zhì)量為lxi()4克; 中央凹槽內(nèi)填充有密度配置為3.2><103紐/附3的KOH溶液，以此消除重力對(duì)球狀 SiC粒子影響；兩對(duì)在同一直線上的單模光纖在V形槽內(nèi)的輸出端面間隔為500 微米。工作原理參考圖3，初始階段四條單模光纖中的輸出光強(qiáng)都相等 A -P2 =P3 =P4 ，球狀SiC粒子在光阱力的作用下在兩條光軸垂直相交處(a)受力 平衡。當(dāng)被測物體存在加速運(yùn)動(dòng)，球狀SiC粒子在慣性力的作用下偏離原平衡 5位置(a)至新位置(b)處。光電圖像探測器準(zhǔn)確探測到當(dāng)前位置(b)的坐標(biāo)信息，處 理器根據(jù)該坐標(biāo)信息計(jì)算得到能使球狀SiC粒子回復(fù)到(a)位置的光強(qiáng)變化量， 并據(jù)此控制光強(qiáng)調(diào)制器改變四條單模光纖的輸出光強(qiáng)。當(dāng)成功使球狀SiC粒子 回復(fù)到位置(a)時(shí)，存在光強(qiáng)差A(yù)P-P,-A、 AP'=i>3-P4,處理器據(jù)此可分別獲得 x與y方向上的加速度分量大小A-;t.AP、 =A'.AP'。 k和k，是與系統(tǒng)配置相關(guān) 的固定常數(shù)。由兩個(gè)方向上的加速度分量大小，就可以獲得被測物體的實(shí)際加 速度大小與方向。
權(quán)利要求
1.利用四光束光纖光阱測量加速度的裝置，其特征是包括基板，固定在基板上的激光器(1)、光強(qiáng)調(diào)制器(2)、四條單模光纖(3)、有機(jī)玻璃固定臺(tái)(4)、球狀SiC粒子(5)、光電圖像探測器(6)和處理器(7)，有機(jī)玻璃固定臺(tái)(4)上具有十字交叉凹槽和中央凹槽，中央凹槽位于十字交叉凹槽的交匯處，球狀SiC粒子(5)放置在有機(jī)玻璃固定臺(tái)(4)的中央凹槽內(nèi)，四條單模光纖(3)的輸出端分別固定在有機(jī)玻璃固定臺(tái)(4)的十字交叉凹槽中，四條單模光纖(3)的輸入端分別與光強(qiáng)調(diào)制器(2)的輸出端相連，光電圖像探測器(6)位于有機(jī)玻璃固定臺(tái)(4)的上方，光電圖像探測器(6)和光強(qiáng)調(diào)制器(2)分別與處理器(7)相連，激光器(1)出射的光經(jīng)過光強(qiáng)調(diào)制器(2)調(diào)制成四束光強(qiáng)相同的光后分別輸入到四條單模光纖(3)中，四條單模光纖端面出射的光束兩兩對(duì)準(zhǔn)、相向傳播。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用四光束光纖光阱測量加速度的裝置，其特征是 有機(jī)玻璃固定臺(tái)(4)上的十字交叉凹槽為V形槽，V形槽的深度小于中央凹 槽的深度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置，其特征是 球狀SiC粒子(5)的半徑為5 20微米，質(zhì)量為10-9 xio-7克。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置，其特征 是相對(duì)兩條單模光纖在有機(jī)玻璃固定臺(tái)十字交叉凹槽內(nèi)的輸出端面間隔為 100 800微米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置，其特征是 有機(jī)玻璃固定臺(tái)(4)的中央凹槽內(nèi)填充有密度與球狀SiC粒子密度相同的透明 溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開的利用四光束光纖光阱測量加速度的裝置包括基板，固定在基板上的激光器、光強(qiáng)調(diào)制器、四條單模光纖、具有十字交叉凹槽和中央凹槽的有機(jī)玻璃固定臺(tái)、球狀SiC粒子、光電圖像探測器和處理器，球狀SiC粒子放置在有機(jī)玻璃固定臺(tái)的中央凹槽內(nèi)，四條單模光纖的輸出端分別固定在十字交叉凹槽中，四條單模光纖的輸入端分別與光強(qiáng)調(diào)制器的輸出端相連，光電圖像探測器位于有機(jī)玻璃固定臺(tái)的上方，光電圖像探測器和光強(qiáng)調(diào)制器分別與處理器相連，激光器出射的光經(jīng)過光強(qiáng)調(diào)制器調(diào)制成四束光強(qiáng)相同的光后分別輸入到四條單模光纖中，四條單模光纖端面出射的光束兩兩對(duì)準(zhǔn)、相向傳播。該裝置可實(shí)時(shí)測量較大動(dòng)態(tài)范圍的加速度，測量精度高。
文檔編號(hào)G01P15/02GK101598741SQ200910101288
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者承 劉, 劍 白, 胡慧珠, 舒曉武, 晶 陳 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)