专利名称：利用四光束光纤光阱测量加速度的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量加速度的装置，尤其是利用四光束光纤光阱测量加速度的 装置。
背景技术：
由量子理论可知光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子流。 当光束在介质表面发生折射和反射时，光子的速度和方向改变，从而导致其动 量矢量的变化。根据动量守恒定律光子的动量变化量等于微粒的动量变化量。 所以微粒的动量相应变化，也即光束对微粒存在力的作用，称为光辐射压。研 究表明，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强处的梯 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，即令其稳 定在某特定位置，该区域称为光阱。因此光辐射压又称光阱力。利用两对相互 垂直且分别精确对准、相向传播的单模光纤出射基模高斯光束，微粒可以在光 阱中达到受力平衡。改变不同光纤中的光功率大小分配，就可以改变微粒在光 阱中的位移。
当前众多不同的测试加速度的方法和装置，其普遍原理是当被测物体作加 速运动时，惯性力使测量装置中的传感元件的某一物理量发生变化(如形变)， 此时测量装置的探测元件得到的信号也相应地改变。这类微机电加速度计
(MEMS)的重要特征是特殊材料制成的应力变化灵敏度高的质量块通过刚体 支撑与被测物相连，引入的主要缺点在于，对传感元件的机械式、接触式支撑 方式会因为支撑固件而引入误差，如温度影响支撑固件的形态等。而且机械支 撑部分的磨损和腐蚀很容易降低测试精度和使用寿命。当需要测量多个方向的 加速度大小时，很多测量方法是在不同方向设置多组测量装置以保证精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用四光束光纤光阱对粒子的捕获和探测来测量 加速度的装置，以满足同时在两个垂直方向上进行高精度地测量。
本发明的利用四光束光纤光阱测量加速度的装置包括基板，固定在基板上 的激光器、光强调制器、四条单模光纤、有机玻璃固定台、球状SiC粒子、光 电图像探测器和处理器，有机玻璃固定台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汇处，球状SiC粒子放置在有机玻璃固定台的中
央凹槽内，四条单模光纤的输出端分别固定在有机玻璃固定台的十字交叉凹槽中，四条单模光纤的输入端分别与光强调制器的输出端相连，光电图像探测器 位于有机玻璃固定台的上方，光电图像探测器和光强调制器分别与处理器相连， 激光器出射的光经过光强调制器调制成四束光强相同的光后分别输入到四条单 模光纤中，四条单模光纤端面出射的光束两两对准、相向传播。
为了提高球状SiC粒子对加速度的灵敏度，通常，选择球状SiC粒子的半 径为5 20微米，质量为10-9 10-7克。进一步特征是，相对两条单模光纤在有 机玻璃固定台十字交叉凹槽内的输出端面间隔100 800微米。
为保证单模光纤固定稳定性，可使有机玻璃固定台上的十字交叉凹槽为V 形槽，V形槽的深度小于中央凹槽的深度。
为了使球状SiC粒子在受到激光捕获时不受自身重力的影响，可以在有机 玻璃固定台的中央凹槽内填充密度与球状SiC粒子密度相同的透明溶液，例如 煤油、KOH溶液。
本发明的装置用于测试加速度的工作原理
将本发明的装置通过基板固定在被测主体上，利用光强调制器将激光器出 射的光调制成四束光强相同的光，分别输入到四条单模光纤中。四条单模光纤 端面出射的光束通过有机玻璃固定台的V形槽两两对准、相向传播。在光阱力 的作用下，球状SiC粒子在光束垂直交汇处受力平衡，且当粒子离开该平衡位 置时总有回复力使其返回原平衡位置。当被测主体存在加速运动，V形槽内地 球状SiC粒子在惯性力作用下偏离原来的平衡位置。此时，光电图像探测器准 确探测球状SiC粒子的当前位置，并将位置信息送到处理器中，处理器计算得 到能使球状SiC粒子回复到原平衡位置的相应光强调节量。处理器输出该调节 量给光强调制器，光强调制器据此改变四条光束的输出光强，使球状SiC粒子 沿着与偏离初始平衡点方向相反的方向移动，直至回复到原平衡位置。此时光 强调制器出射的四束光的光强不再相等。光强调制器将此光强差信息输入到处 理器中计算即可获得加速度的大小与方向。
本发明和当前的主流加速度传感器比较，本发明的优势体现在几个方面-一是精度高。因为光辐射压对光阱中的粒子的束缚力只有皮牛量级，半径(质 量)极小的粒子的位移对加速度变化十分敏感。相比其他大多数加速度传感器 使用在应力作用下能发生明显形变的传感器件，本发明通过粒子偏移的方式更 好地放大了加速度改变带来的物理变化量。二是使用寿命长、环境适应性好。 本发明利用用光束对粒子力学束缚持来固定传感元件(粒子)，这是一种悬浮式、 非接触式的支撑方式。而传统加速度传感器使用机械悬臂将传感元件和被测物体固定在一起，是一种机械式、接触式的支撑技术。机械臂的安装不仅限制了 整个系统精度的精度，而且环境因素对机械臂可能造成形变或者磨损。另外， 测量的动态范围大。根据本发明的测量原理，加速度信息是由粒子位移信息转 化为光强差再换算得到的，基于光电探测和光强调制器的成熟技术，粒子位移 量可以准确地由光束光强差表示，只要光强差大，则粒子的位移变化范围较大， 也就是说加速度的测量动态范围较大。同时本发明采用四光束在两个垂直方向 上同时作用于粒子，可以十分便捷地在二维方向上同时得到加速度的大小。
图1是利用四光束光纤光阱测量加速度的装置示意图； 图2是四条单模光纤固定在有机玻璃固定台上的示意图； 图3是利用四光束光纤光阱测量加速度的工作原理图。
具体实施例方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图l，利用四光束光纤光阱测量加速度的装置包括基板，固定在基板上 的激光器l、光强调制器2、四条单模光纤3、有机玻璃固定台4、球状SiC粒 子5、光电图像探测器6和处理器7，有机玻璃固定台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汇处，球状SiC粒子5放置在有机 玻璃固定台4的中央凹槽内，四条单模光纤3的输出端分别固定在有机玻璃固定 台4的十字交叉凹槽中，四条单模光纤3的输入端分别与光强调制器2的输出端 相连，光电图像探测器6位于有机玻璃固定台4的上方，光电图像探测器6和光 强调制器2分别与处理器7相连，激光器1出射的光经过光强调制器2调制成四 束光强相同的光后分别输入到四条单模光纤3中，四条单模光纤端面出射的光束 两两对准、相向传播。
四条单模光纤3可以使用固定胶的方式固定在有机玻璃固定台4的十字交 叉V形槽中(见图2)。十字交叉凹槽的交汇处设置中央凹槽，V形槽的深度小 于中央凹槽的深度。
具体实例，中央凹槽中的球状SiC粒子的半径为IO微米，质量为lxi()4克; 中央凹槽内填充有密度配置为3.2><103紐/附3的KOH溶液，以此消除重力对球状 SiC粒子影响；两对在同一直线上的单模光纤在V形槽内的输出端面间隔为500 微米。工作原理参考图3，初始阶段四条单模光纤中的输出光强都相等 A -P2 =P3 =P4 ，球状SiC粒子在光阱力的作用下在两条光轴垂直相交处(a)受力 平衡。当被测物体存在加速运动，球状SiC粒子在惯性力的作用下偏离原平衡 5位置(a)至新位置(b)处。光电图像探测器准确探测到当前位置(b)的坐标信息，处 理器根据该坐标信息计算得到能使球状SiC粒子回复到(a)位置的光强变化量， 并据此控制光强调制器改变四条单模光纤的输出光强。当成功使球状SiC粒子 回复到位置(a)时，存在光强差AP-P,-A、 AP'=i>3-P4,处理器据此可分别获得 x与y方向上的加速度分量大小A-;t.AP、 =A'.AP'。 k和k，是与系统配置相关 的固定常数。由两个方向上的加速度分量大小，就可以获得被测物体的实际加 速度大小与方向。
权利要求
1.利用四光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是包括基板，固定在基板上的激光器(1)、光强调制器(2)、四条单模光纤(3)、有机玻璃固定台(4)、球状SiC粒子(5)、光电图像探测器(6)和处理器(7)，有机玻璃固定台(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汇处，球状SiC粒子(5)放置在有机玻璃固定台(4)的中央凹槽内，四条单模光纤(3)的输出端分别固定在有机玻璃固定台(4)的十字交叉凹槽中，四条单模光纤(3)的输入端分别与光强调制器(2)的输出端相连，光电图像探测器(6)位于有机玻璃固定台(4)的上方，光电图像探测器(6)和光强调制器(2)分别与处理器(7)相连，激光器(1)出射的光经过光强调制器(2)调制成四束光强相同的光后分别输入到四条单模光纤(3)中，四条单模光纤端面出射的光束两两对准、相向传播。
2. 根据权利要求1所述的利用四光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是 有机玻璃固定台(4)上的十字交叉凹槽为V形槽，V形槽的深度小于中央凹 槽的深度。
3. 根据权利要求1所述的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是 球状SiC粒子(5)的半径为5 20微米，质量为10-9 xio-7克。
4. 根据权利要求1所述的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征 是相对两条单模光纤在有机玻璃固定台十字交叉凹槽内的输出端面间隔为 100 800微米。
5. 根据权利要求1所述的利用双光束光纤光阱测量加速度的装置，其特征是 有机玻璃固定台(4)的中央凹槽内填充有密度与球状SiC粒子密度相同的透明 溶液。
全文摘要
本发明公开的利用四光束光纤光阱测量加速度的装置包括基板，固定在基板上的激光器、光强调制器、四条单模光纤、具有十字交叉凹槽和中央凹槽的有机玻璃固定台、球状SiC粒子、光电图像探测器和处理器，球状SiC粒子放置在有机玻璃固定台的中央凹槽内，四条单模光纤的输出端分别固定在十字交叉凹槽中，四条单模光纤的输入端分别与光强调制器的输出端相连，光电图像探测器位于有机玻璃固定台的上方，光电图像探测器和光强调制器分别与处理器相连，激光器出射的光经过光强调制器调制成四束光强相同的光后分别输入到四条单模光纤中，四条单模光纤端面出射的光束两两对准、相向传播。该装置可实时测量较大动态范围的加速度，测量精度高。
文档编号G01P15/02GK101598741SQ200910101288
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者承 刘, 剑 白, 胡慧珠, 舒晓武, 晶 陈 申请人:浙江大学