基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法及装置，采用全息光镊将N个纳米微粒悬浮在光学腔中，N≥2，通过激光驱动光学腔，使光学腔内产生稳定的驻波光场；通过调节全息光镊，使得每个纳米微粒与光学腔中光场的耦合强度相等，形成稳定的光悬浮多微球阵列探测系统；通过测量光学腔的透射光，获取透射光的功率谱密度；利用加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系，计算加速度功率谱密度，从而获取加速度信息。本发明专利技术提出的加速度测量方法利用机械振子的集体质心运动进行加速度测量可以等效地增大机械振子质量的原理，提升加速度测量灵敏度。本发明专利技术的方法的加速度测量灵敏度随机械振子数量的增加不断提高。灵敏度随机械振子数量的增加不断提高。灵敏度随机械振子数量的增加不断提高。

【技术实现步骤摘要】
基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法及装置


[0001]本专利技术涉及加速度测量领域，尤其涉及一种基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法及装置。

技术介绍

[0002]光镊作为一种操控微纳尺度物体的有效工具，广泛地应用在生物学、材料科学、物理学、信息学等诸多领域，其专利技术者阿瑟
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阿什金也因此被授予2018年诺贝尔物理学奖。近些年，利用真空光镊悬浮微纳尺度物体构成悬浮光力系统成为物理学的研究热点。悬浮光力系统具有超高精度测量和操控微纳尺度物体（机械振子）运动的能力，因而被广泛地应用在基础科学和工程技术中。光悬浮机械振子的方式避免了机械支承带来的损耗与噪声，高真空环境又能极大地减小周围气体分子热噪声的影响，让悬浮光力系统具有了超高的探测灵敏度，使悬浮光力系统成为精密测量和传感领域的热门研究方向。不仅如此，悬浮光力系统中的机械振子几乎处在与外界环境完全隔离的状态，形成了一个近孤立的系统，是进行基础物理研究的理想体系。因此，悬浮光力系统成为了精密测量和前沿基础物理研究的有力工具。悬浮光力系统本身体积小巧、俘获光阱灵活可控、可工作在室温状态且可片上集成，这些特点使悬浮光力系统在商业探测器和传感器领域展现出广阔的应用前景。
[0003]近些年，随着光镊技术和微纳加工技术的不断进步，悬浮光力学系统中机械振子的品质因子越来越高，捕获寿命也越来越长，这使悬浮光力系统在精密测量和传感领域迅速发展。基于悬浮光力学的探测装置已实现对力、加速度等多种力学量的高精度探测。但是，悬浮光力系统的进一步发展仍面临诸多挑战。
[0004]传统单振子悬浮光力探测装置利用光镊将单个微纳尺度的微粒（机械振子）悬浮在真空中，机械振子在光镊产生的光阱中进行微小简谐运动。待测外力作用在机械振子上改变机械振子运动状态，相应的变化反映在机械振子的散射光中，从而通过测量散射光实现力学量探测。在加速度测量方面，传统单振子悬浮光力加速度测量方案的灵敏度为其中，为玻尔兹曼常数，为环境温度，为机械振子阻尼率。从上式中可以看出，加速度测量灵敏度与机械振子质量成反比，增大机械振子质量可以提高加速度测量灵敏度。但是，技术上利用光镊悬浮大质量机械振子却十分困难。其主要原因在于机械振子所受重力随其质量增加而增大，导致光镊需要提供很大的光场梯度力来平衡机械振子所受重力。增加激光器输出功率可以增大光镊产生的光场力，但同时会增强光镊对机械振子的加热效应，导致其内温上升，降低灵敏度，甚至过大的光功率还会融化机械振子。

技术实现思路

[0005]针对现有基于单振子悬浮光力系统加速度测量技术的不足，本专利技术提供一种基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法及装置。利用全息光镊将多个微纳尺度微球（微粒）悬
浮在一个光学腔中形成光悬浮多微球阵列系统，每个纳米微球作为一个机械振子，纳米微球的集体质心运动通过光力相互作用耦合到腔内光场中，从而通过测量腔透射光场获取纳米微球的加速度信息。
[0006]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法，使用全息光镊将N个纳米微粒悬浮在光学腔中，N≥2，通过激光驱动光学腔，使光学腔内产生稳定的驻波光场；通过调节全息光镊，使得每个纳米微粒与光学腔中光场的耦合强度相等，形成稳定的光悬浮多微球阵列探测系统；通过测量光学腔的透射光，获取透射光功率谱密度；利用加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系，计算加速度功率谱密度，从而获取加速度信息。
[0007]进一步地，所述加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系如下：进一步地，所述加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系如下：其中，为待测加速度的功率谱密度，包含待测加速度信息，对其在频域积分可获取加速度幅值；为光学腔透射光的功率谱密度，可通过探测装置获取；、、分别为环境布朗随机力功率谱密度、腔光场振幅输入噪声功率谱密度、腔光场相位输入噪声功率谱密度；为机械振子转移函数；为光场转移函数；为联合转移函数；为约化普朗克常数；为纳米微粒质量；为纳米微粒个数；为纳米微粒的共振频率；为腔光场失谐量；为纳米微粒阻尼率；为光学腔光场衰减率；为纳米微粒和腔光场的耦合强度。
[0008]进一步地，将N个纳米微粒在沿光学腔的腔轴方向上等间距排列，且间距满足，其中为光学腔中驻波场波长，n为正整数。
[0009]进一步地，采用零差探测或外差探测的方式测量光学腔的透射光。
[0010]进一步地，采用波长为1064 nm的激光驱动光学腔。
[0011]一种实现基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法的装置，该装置包括激光器、
光学腔、全息光镊、光场探测装置；其中光学腔中悬浮有N个纳米微粒；其中，所述激光器的光轴和光学腔的光轴重合；所述激光器从所述光学腔的一侧入射，在所述光学腔中激发形成稳定驻波光场；所述全息光镊用于将N个纳米微粒悬浮在光学腔中，并调节它们在光学腔中的平衡位置；所述光场探测装置用于探测光学腔另一侧的透射光，获取透射光功率谱密度；利用加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系，计算加速度功率谱密度，从而获取加速度信息。
[0012]进一步地，所述光场探测装置是零差探测装置或外差探测装置。
[0013]本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的加速度测量方法利用机械振子集体质心运动进行加速度测量，通过机械振子集体质心运动可以等效地增大机械振子质量的原理提升加速度测量灵敏度。本专利技术的方法的加速度测量灵敏度随机械振子数量的增加不断提高。在热噪声极限条件下（环境热噪声为主要噪声来源），本专利技术方法的灵敏度是传统单振子悬浮光力加速度测量方法灵敏度的1/N，即加速度灵敏度提升了N倍，突破机械振子质量对加速度灵敏度的限制。
附图说明
[0014]图1为根据一示例性实施例示出的本专利技术的装置示意图。
[0015]图2为根据一示例性实施例示出的本专利技术加速度测量方法的原理图。
[0016]图3为根据一示例性实施例示出的本专利技术的方法流程图。
[0017]图4为不同机械振子数量下加速度测量灵敏度的变化曲线；其中，(a)为加速度灵敏度随频率的变化曲线，(b)为共振条件下加速度测量灵敏度随机械振子数量的变化曲线。
[0018]图5为利用光悬浮三微球阵列系统测量不同频率加速度的数值模拟结果。
[0019]图6为在相同条件下，使用传统单振子加速度测量方案和本专利技术基于光悬浮三微球阵列的加速度测量方法测量相同强度加速度的数值模拟结果。
[0020]图1中，激光器1、光学腔2、全息光镊3、光场探测装置4、第一纳米微粒5、第二纳米微粒6
……
第N纳米微粒N+4。
具体实施方式
[0021]下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0022]如图1所示，作为其中一种实施方式，本专利技术的基于光悬浮多微球阵列的加速度测量装置，包括激光器1、光学腔2、全息光镊3、光场探测装置4、第一纳米微粒5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法，其特征在于，使用全息光镊将N个纳米微粒悬浮在光学腔中，N≥2，通过激光驱动光学腔，使光学腔内产生稳定的驻波光场；通过调节全息光镊，使得每个纳米微粒与光学腔中光场的耦合强度相等，形成稳定的光悬浮多微球阵列探测系统；通过测量光学腔的透射光，获取透射光功率谱密度；利用加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系，计算加速度功率谱密度，从而获取加速度信息。2.根据权利要求1所述的基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法，其特征在于，所述加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系如下：加速度功率谱密度与透射光功率谱密度的关系如下：其中，为待测加速度的功率谱密度，包含待测加速度信息，对其在频域积分可获取加速度幅值；为光学腔透射光的功率谱密度，可通过探测装置获取；、、分别为环境布朗随机力功率谱密度、腔光场振幅输入噪声功率谱密度、腔光场相位输入噪声功率谱密度；为机械振子转移函数；为光场转移函数；为联合转移函数；为约化普朗克常数；为纳米微粒质量；为纳米微粒个数；为纳米微粒的共振频率；为腔光场失谐量；为纳米微粒阻尼率；为光学腔光场衰减率；为纳米微粒和腔光场的耦合强度。3.根据权利要求1所述的基于光悬浮多微球阵列的加速度测量方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李闯，董莹，胡慧珠，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：