【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术涉及的是一种微粒速度测量和控制装置，主要涉及光操纵、多普勒测速和反馈控制领域。更具体地，涉及一种空芯波导中单个或多个微粒瞬时速度测量和控制新装置。基于多普勒测速原理和声光调制等器件，高精度地控制微粒在波导中的位置、振荡频率、运动速度和方向。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、光镊(optics letters,18(5):288-290,1986)是一种利用光的力学效应在三维空间中操纵、操纵微粒的光学技术。由于具有低损伤、非接触精密操作等优点，光镊已经成为了诸多研究领域中的重要工具，在基础物理、生物医学、气溶胶科学等领域获得了广泛应用。空芯波导光镊是近年来发展出的新型光操控技术，可突破传统自由空间光镊在光操控距离、操控稳度、操控维度方面的局限，是分布式光纤传感、量子精密测量、微物质输运等领域的理想平台。
2、例如专利公告号为cn100580491c提出了一种毛细管光纤光镊及其制作方法，该装置中的中空毛细管为微小粒子提供了一个存储场所，微粒可以通过毛细管内的微负压吸附作用存储在毛细管中，同时也可以通过微正压提供给纤端光镊。该方案可对大量微小粒子实施连续组装的操纵，但是对微粒运动速度和精度的把控不足；中国专利cn102147502b进一步完善了基于中空融嵌芯毛细管光纤的微小粒子运送装置及方法，提出微粒在倏逝场的作用下产生操纵力和推进力，因此微粒在光学力的作用下，沿着紧靠纤芯一侧的毛细管内壁运动，实现毛细管光纤对微小粒子的运送。该方案解决了微粒操控速度的问题，但微粒输运的方向较为单一，可控性差。
3、因此，研究人员(optics letters,36(11):2022-2022,2011)提出利用多普勒频移法来测量空芯光纤中悬浮微粒的轴向瞬时速度。当微粒沿光纤轴向运动时，其背向散射光与入射光之间会出现多普勒频移，即多普勒频移值与微粒轴向速度成正比。实验中可将悬浮微粒引入的背向散射与光纤端面反射光(未产生多普勒频移)干涉，通过对干涉信号应用短时傅里叶变化实时测量，推算出微粒轴向瞬时运动速度。该方案可以克服成像方法中ccd帧率不足对微粒测速带来的影响以及速度测量中视野范围过小的问题，但是由于红移和蓝移信号在没有相对移频时，信号拍频为频率之差的绝对值(处于零频附近)，因而无法判断微粒运动方向。
4、为实现单个和多个微粒的轴向瞬时矢量速度测量，本专利技术提出了一种微粒速度测量和控制装置。基于空芯光波导平台，将操纵微粒与探测光波同时束缚在空气纤芯中，光纤模场提供的光学梯度力将微粒悬浮在纤芯中央，散射力驱动微粒沿光纤轴向运动。通过调节两路功率差可控制微粒两侧的光散射力，实现微粒沿纤芯轴向的光学推进与操纵。相较于传统的微粒光操纵与测量方案，该装置的技术优势包括：应用多普勒测速技术实现微粒的轴向瞬时速度测量；利用光电探测器接收微粒散射光和声光调制器移频后衍射光的拍频信号，从而判断微粒在空芯波导中的运动方向；同时，使用声光调制器可控制操纵光束强度，实现操纵光功率的实时反馈控制。本专利技术所提出装置的技术优势，使之能够适用于分布式光纤传感、量子精密测量、微物质输运等领域。
技术实现思路
0、(三)
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的微粒在空芯波导中运动速度控制精度较低、微粒输运方向较为单一、可控性差、无法测量微粒瞬时矢量速度、难以实时反馈等问题，提供了一种微粒速度测量和控制装置。该装置利用光纤模场提供的光学梯度力将微粒悬浮在纤芯中央，通过调节反向传播双光束光镊的功率差，实现微粒沿纤芯轴向的光学推进与操纵。应用多普勒测速技术实现微粒的轴向瞬时速度测量，利用光电探测器接收微粒背向散射光和声光调制器移频后衍射光的拍频信号，从而判断微粒在空芯波导中的运动方向。同时，使用声光调制器可调整操纵光束强度，实现操纵光功率的实时反馈控制。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、该微粒速度测量与控制装置由激光器、分束器、反射镜、分束镜、耦合透镜、空芯波导、聚焦透镜、声光调制器、驱动控制器、光电探测器以及数据采集卡组成。激光器作为操纵光光源，分束器调节两路光强后，经耦合透镜将激光耦合为空芯波导的纤芯导模。空芯波导的端面前分别放置分束镜，应用光电探测器接收微粒的散射光、空芯波导的端面反射信号以及声光调制器的衍射光，微粒在分束器分出两束光的共同作用下在空芯波导的纤芯中运动，通过调节两光束功率比操纵单个或多个微粒运动速度方向。由于微粒在运动过程中的散射光相对入射光存在多普勒频移，通过测量光电探测器接收信号中的瞬时多普勒频移值可计算微粒瞬时速度。利用数据采集卡实时采集微粒运动过程中的光功率变化量，经处理后的电信号通过驱动控制器作用于声光调制器，通过调制激光光强控制微粒位置、振荡频率、运动速度和方向。
4、下面将详细阐述利用多普勒测速法实现轴向瞬时速度测量和利用拍频信号判断微粒在空芯波导中的运动方向的基本原理。
5、激光多普勒测速法能够高精度、瞬时测量微粒沿光纤的瞬时速度和位置。多普勒效应使光频率发生δυ＝vp/λ的偏移，必须考虑两次。首先，以速度vp离开光源的微粒观察到的频率红移为δυ＝vp/λ；其次，运动微粒发出的光被固定的光电探测器(pd)“观察到”，再次发生红移δυ＝vp/λ。总的来说，对于非相对论性微粒速度，反射光的频率是υd＝υl-2vp/λ。因此，频率差与微粒速度成线性正比：
6、
7、其中vp为纤芯中微粒的运动速度，δυd为微粒和光纤端面反射光的频率差。所以通过在光纤入射端测量两束反射光的拍频信号，即可高速反演出纤芯中微粒的速度和位置信息。
8、声光调制器按照所调制的物理参数的不同，分为强度调制器、频率调制器、位相调制器等。按照调制信号的不同，可分为模拟调制器或称正弦波调制器、数字调制器或称为脉冲调制器。将调制好的电信号去驱动换能器，产生随电信号强度而变化的超声波进入声光调制器内，激光束经透镜聚焦通过声光调制器，产生声光衍射，完成光调制过程。声光调制器的工作原理可由弱声光相互作用的声光衍射效率计算：
9、
10、其中m2称为声光优值，只与声光介质及声光工作模式有关，因此常用它作为声光介质与其工作模式优劣的评价标准。l和h是描述换能器长度和宽度的参数，pa是声波的能流，即声功率。
11、上式表明，衍射效率与声功率成正比，也就是衍射光强与驱动电信号功率成正比，这可以保证声光调制时的信号不失真。同时，改变超声频率υs即可使衍射光频率发生变化。
12、将频率为υs的等幅振荡电信号加载到声光调制器上，从激光器发出的频率为υ0的激光束经过声光调制器，出射光包含频率仍为υ0的零级光和频率变成υ0+υs的衍射光。而没被声光调制器调制的光路，被运动微粒反射而发生多普勒频移，反射光的频本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种微粒速度测量和控制装置，其特征是：它由激光器(1)、分束器(2)、反射镜(3)、分束镜(4)、耦合透镜(5)、空芯波导(6)、聚焦透镜(7)、声光调制器(8)、驱动控制器(9)、光电探测器(10)以及数据采集卡(11)组成，激光器(1)作为操纵光光源，分束器(2)调节两路光强后，经耦合透镜(5)将激光耦合为空芯波导(6)的纤芯导模，空芯波导(6)的端面前分别放置分束镜(4)，应用光电探测器(10)接收微粒散射光、空芯波导(6)的端面反射信号以及声光调制器(8)的衍射光，微粒在分束器(2)分出两束光的共同作用下在空芯波导(6)的纤芯中运动，通过调节两光束功率比操纵单个或多个微粒运动速度和方向；通过测量光电探测器(10)接收信号中的瞬时多普勒频移值可计算微粒轴向瞬时速度；利用数据采集卡(11)实时采集微粒运动过程中的光功率变化量，经处理后的电信号通过驱动控制器(9)作用于声光调制器(8)，通过调制激光光强控制微粒位置、振荡频率、运动速度和方向。
2.根据权利要求1所述的一种微粒速度测量和控制装置，其特征是：所述的空芯波导可传输激光器出射的操纵光。
3.
4.根据权利要求1所述的一种微粒速度测量和控制装置，其特征是：所述的声光调制器的工作频率小于光电探测器和数据采集卡采样频率的一半。
...【技术特征摘要】
1.一种微粒速度测量和控制装置，其特征是：它由激光器(1)、分束器(2)、反射镜(3)、分束镜(4)、耦合透镜(5)、空芯波导(6)、聚焦透镜(7)、声光调制器(8)、驱动控制器(9)、光电探测器(10)以及数据采集卡(11)组成，激光器(1)作为操纵光光源，分束器(2)调节两路光强后，经耦合透镜(5)将激光耦合为空芯波导(6)的纤芯导模，空芯波导(6)的端面前分别放置分束镜(4)，应用光电探测器(10)接收微粒散射光、空芯波导(6)的端面反射信号以及声光调制器(8)的衍射光，微粒在分束器(2)分出两束光的共同作用下在空芯波导(6)的纤芯中运动，通过调节两光束功率比操纵单个或多个微粒运动速度和方向；通过测量光电探测器(10)接收信号中的瞬时多普...
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