CN111983708B - 基于光阱的重力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光阱的重力测量装置及方法。装置包含光阱捕获模块，真空模块、反馈模块以及位置探测模块，真空模块用以实现进行重力测试时微球处于高真空环境；光阱捕获模块用以在真空环境中捕获微球并冷却其质心运动，通过声光调制器（AOM）调节激光光强为零从而关闭光阱，此时微球将在重力作用下自由降落，在短暂时间后，控制AOM重新打开光阱，微球被重新捕获，通过位置探测模块测量微球自由降落过程，则可以根据微球的降落过程进行绝对重力测量。重复上述过程，可实现绝对重力的连续测量。本发明利用光阱在高真空条件下实现悬浮微球的自由降落，从而标定出环境绝对重力，具有测试时间短、装置体积小以及可连续测量绝对重力的优势。

Description

基于光阱的重力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及基于光阱测量技术领域，更具体地，是基于光阱的重力测量装置及方法。

背景技术

根据量子理论，光束是一群以光速运动的，既有质量又有动量的光子，当光子入射到介质表面时会产生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化，由动量守恒定律就可以推出，当光束照射至微粒，光子的动量变化量与微粒的动量变化量相等，所以光束对微粒存在力学作用，称为光辐射压，光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较大处的梯度力，在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。

现有重力测量的方式主要利用机械释放质量块的方式，通过机械块的自由落体运动实现对其绝对重力的测量，但该测量方式存在复位复杂，体积大，并且误差因数多等诸多不足。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于光阱的重力测量装置及方法。

一种基于光阱的重力测量装置，所述的装置包括四个模块：光阱捕获模块、真空模块、位置探测模块与反馈模块；

光阱捕获模块用于稳定悬浮微球，同时可通过声光调制器（AOM）控制光阱打开与关闭，从而实现微球自由降落；

真空模块用以保证在高真空条件下实现微球悬浮捕获并进行重力测量，从而减少空气分子流动与碰撞对探测精度的影响；

位置探测模块用以实现微球运动信息探测，从而获取微球自由降落时的降落距离；

反馈模块用于传输微球的运动信息至上位机，同时根据采集得到的微球运动信息，输出反馈信号用以完成对微球的质心运动冷却。

所述的光阱捕获模块包括激光器、声光调制器AOM、反射镜以及聚焦透镜，激光器输出高强度激光以悬浮微球，AOM通过调节激光光强，从而完成对微球的质心运动冷却，并控制光阱关闭使微球自由降落，聚焦透镜用于聚焦激光从而在焦点处构造捕获微球的光阱。

所述的真空模块包括真空腔与真空泵，真空腔用于保证微球捕获时处于高真空条件，真空泵用以调节真空腔内压强，真空腔两侧为光学窗口以保证捕获激光通过。

所述的位置探测模块包括光斑位移探测器与汇聚透镜，汇聚透镜用于收集微球的散射光，然后将散射光汇聚在光斑位置探测器上，通过分析光斑位置探测器上光场分布得到微球的位置信息。

所述的反馈模块包括现场可编程逻辑门阵列（FPGA）与上位机PC，其中FPGA能够采集微球位置信息并将其输出至上位机实现通信，同时FPGA内部的反馈控制算法根据的微球运动信号输出反馈信号控制AOM调节光强，从而实现微球运动的质心冷却。

所述的微球为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微球。

所述的装置的测试方法，包括如下步骤：

1）在光阱捕获微球后，通过位置探测模块实时地检测微球的运动信息，将位置探测模块探测得到的位移信号输入至FPGA，FPGA在将位置信息传送至上位机后，同时使用内部算法输出反馈信号，该反馈信号调节AOM从而控制激光强度以抑制微球的质心运动；

2）当需要微球自由降落时，通过FPGA控制AOM使得输出光强为0，此时光阱处于非工作状态，微球将在重力作用下自由降落，在数毫秒后，重新通过AOM打开光阱，记录下微球降落初始与最后状态的位置，则根据微球的降落时间与距离计算出重力；

3）重新打开光阱后，微球将在光阱力的作用下克服重力，重新升高至初始捕获位置，此时利用AOM重新冷却微球的运动状态，则可以在***中重复进行环境重力标定。

本发明的有益效果：

本发明根据光阱可以悬浮微球的特点，利用光阱在高真空环境中悬浮微球后，通过AOM调制激光强度，使得光阱短暂关闭，在此期间，微球会在重力作用下自由降落，随后通过AOM重新打开光阱测量微球位置，计算出微球的降落时间与距离，从而完成对环境重力的测量标定；

利用AOM打开和关闭光阱，可以实现在极短时间内的完成重力的测量，此外，当打开光阱再次稳定捕获微球后，可以利用上述过程再次实现微球的重力测量，因此该方案可以具有多次重力测量的优势；

在高真空条件中利用光阱对重力进行测量，微球受环境的空气分子干扰较小，在微球降落前通过AOM抑制微球竖直方向运动速度，使其初始降落速度趋近于零，从而可以获取更高的重力测量精度。

本发明具有一般重力测量装置所不具有的优势：相较于传统的重力仪，该重力测量装置的工作区间仅为数个毫米，具有小型化的优势；此外利用光致悬浮微球，可以实现在高真空环境中对微球的重力进行测量，高真空中空气分子碰撞少，因此该方法具有高灵敏度；每次探测后，均可以利用光阱重新完成对微球的捕获，从而可以实现对重力的重复测量，该重力测试方法具有小型化、高速性与重复测量的优势。

附图说明

图1是本发明一种基于光阱的重力测量装置模块示意图。

图2是本发明装置具体实现的一个模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步阐述。

参照图1，所述的基于光阱的重力测量装置包括四个模块，即光阱捕获模块，位置探测模块、反馈模块以及真空模块。

参照图2，所述的光阱捕获模块包含激光器1，AOM2、反射镜3与聚焦透镜4，激光器可以发射高功率的激光，经过AOM光强调制与汇聚透镜聚焦后，可以构造成一个高聚焦的光斑，在该聚焦光斑处可以稳定的捕获微球。

参照图2，所述的真空模块包括真空腔10与真空泵11，其中真空腔为一个封闭的腔体，用于保证重力测试环境为真空状态，真空泵包含空气泵与分子泵，用于降低真空腔内的压强至高真空条件。

参照图2，所述的位置探测模块包括汇聚透镜6与光斑位置探测器7，其中汇聚透镜用以收集微球与光场相互作用后的散射光场，当微球位置发生移动时，此时经过汇聚透镜投射至光斑位置探测器上的光斑形态也会发生相应变化，进而完成对微球位置的分析。

参照图2，所述的反馈装置包含上位机PC8与FPGA9，其中位置探测模块中的位置信号输入至FPGA中，FPGA将微球的位置信息输入至上位机进行实时显示，同时通过PID算法输出抑制微球运动速度控制信号，该反馈信号调解AOM控制激光光强，进而实现对微粒运动的质心冷却。

本发明的具体实施步骤为：

1）光阱捕获微球后，通过位置探测模块实时地检测微球运动信息，将位置探测模块探测得到的位移信号输入至FPGA，FPGA中使用相关算法输出抑制微球运动的信号，将该信号输出至AOM，通过AOM控制激光强度从而抑制微球的质心运动；

2）当需要微球自由降落时，通过FPGA控制AOM使得输出光强为0，此时光阱处于非工作状态，微球将在重力作用下自由降落，在短暂时间后（数毫秒），通过AOM重新打开光阱，此时计算出微球降落距离，则根据微球的降落时间可以计算出重力；

3）重新打开光阱后，微球将在光阱力的作用下克服重力，重新升高至初始捕获位置，再利用AOM重新冷却微球的运动状态，重复上述过程则可以重新进行环境重力标定。

最后，上述实施方式仅用于说明而不是限制本发明，本领域普通技术人员应当理解，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的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求的保护范围当中。

Claims (2)

1.一种基于光阱的重力测量装置，其特征是，所述的装置包括四个模块：光阱捕获模块、真空模块、位置探测模块与反馈模块；

光阱捕获模块用于稳定悬浮微球，同时可通过声光调制器（AOM）控制光阱打开与关闭，从而实现微球自由降落；

真空模块用以保证在高真空条件下实现微球悬浮捕获并进行重力测量，从而减少空气分子流动与碰撞对探测精度的影响；

位置探测模块用以实现微球运动信息探测，从而获取微球自由降落时的降落距离；

反馈模块用于传输微球的运动信息至上位机，同时根据采集得到的微球运动信息，输出反馈信号用以完成对微球的质心运动冷却；

所述的光阱捕获模块包括激光器、声光调制器AOM、反射镜以及聚焦透镜，激光器输出高强度激光以悬浮微球，AOM通过调节激光光强，从而完成对微球的质心运动冷却，并控制光阱关闭使微球自由降落，聚焦透镜用于聚焦激光从而在焦点处构造捕获微球的光阱；

所述的真空模块包括真空腔与真空泵，真空腔用于保证微球捕获时处于高真空条件，真空泵用以调节真空腔内压强，真空腔两侧为光学窗口以保证捕获激光通过；

所述的位置探测模块包括光斑位移探测器与汇聚透镜，汇聚透镜用于收集微球的散射光，然后将散射光汇聚在光斑位置探测器上，通过分析光斑位置探测器上光场分布得到微球的位置信息；

所述的反馈模块包括现场可编程逻辑门阵列（FPGA）与上位机PC，其中FPGA能够采集微球位置信息并将其输出至上位机实现通信，同时FPGA内部的反馈控制算法根据的微球运动信号输出反馈信号控制AOM调节光强，从而实现微球运动的质心冷却；

所述的微球为尺寸在纳米到毫米量级的光学均匀透明微球。

2.根据权利要求1所述的装置的测试方法，其特征是，包括如下步骤：

1）在光阱捕获微球后，通过位置探测模块实时地检测微球的运动信息，将位置探测模块探测得到的位移信号输入至FPGA，FPGA在将位置信息传送至上位机后，同时使用内部算法输出反馈信号，该反馈信号调节AOM从而控制激光强度以抑制微球的质心运动；

2）当需要微球自由降落时，通过FPGA控制AOM使得输出光强为0，此时光阱处于非工作状态，微球将在重力作用下自由降落，在数毫秒后，重新通过AOM打开光阱，记录下微球降落初始与最后状态的位置，则根据微球的降落时间与距离计算出重力；

3）重新打开光阱后，微球将在光阱力的作用下克服重力，重新升高至初始捕获位置，此时利用AOM重新冷却微球的运动状态，则可以在***中重复进行环境重力标定。

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