一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法与流程

本发明涉及了一种测量被悬浮透明介质微球位移装置，具体涉及了一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法。

背景技术：

1、目前对被悬浮透明介质微球质心位移的测量方案包括直接光电探测和图像探测两类，在直接光电探测方案中，激光聚焦并经过微球后，光束横截面的光强分布会随着微球位置变化而变化，接着四象限光电探测器（或者结构等效的d型镜和平衡光电探测器）测量该光强截面分布变化，输出与微球质心位移成正比的探测电压。激光光强分布随微球运动的变化相当敏感，微球质心位移测量灵敏度在约10 khz频段可达数十，但在更低频段因受到探测激光光强和指向波动、电路1/f噪声、气压和温度等环境因素的漂移的制约，位移测量灵敏度恶化至 量级，严重制约整个装置在khz以下频段的加速度传感灵敏度。在图像探测方案中，ccd直接对微球成像以记录其运动轨迹，其质心位移测量灵敏度受图像传输带宽和镜头衍射效应限制，在khz以下频段也只有量级。

2、调制解调是现代传感器所普遍采用的灵敏度提升方案。类似于双频激光干涉仪，已有研究组提出利用马赫-曾德尔相位调制器提升直径0.5 μm的被悬浮微球的位移测量信噪比。但是，对直径数微米至数百微米的大尺寸微球，激光经过微球时主要表现为衍射和折射，微球运动主要导致激光的横截面光强分布而非相位发生变化。因此上述相位敏感型检测方案并不能有效提高大尺寸微球的位移测量精度。

3、另一种待探索的方案对被悬浮微球的加速度传感传递函数中的参数如位移-电压增益、阻尼率和刚度（谐振频率）等进行调制解调，其属于光强敏感型检测，是在传统的直接光电探测方案基础上的扩展。其中刚度（谐振频率）调制在谐振式传感器中多有应用，例如机抖激光陀螺通过改变腔长进行偏频克服闭锁效应。在光阱中也常通过光强调制器对直径数百纳米的微球施加光辐射力场刚度的周期调制，减小微球质心运动幅度，即参量冷却，此时周期调制频率为微球谐振频率的两倍且与微球运动幅度变化反相。

技术实现思路

1、针对已有的测量被悬浮微球位移方案，一般使用四象限探测器测量激光经过微球散射后的光斑。由于激光光强和指向波动等低频误差的影响，这种直接测量方案在1 khz以下低频段的信噪比较低。聚焦在透明介质微球的激光在光束径向上会对微球产生向心光辐射力，使微球简谐运动。本发明提出一种频率调制抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法。本发明对聚焦激光光强的周期调制，使得微球简谐运动的谐振频率周期性变化，进而对施加在微球上的外界输入加速度信号进行周期调制，然后对四象限探测器输出的被悬浮微球位移测量信号进行解调。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、一、一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置

4、装置包括光强调制模块、信号处理模块、调制激光器、第一二向色镜、聚焦透镜、微球、三维势阱、收集透镜、真空腔、第二二向色镜、光陷阱、测量激光器、反射镜和四象限探测器；真空腔内沿光轴依次设置有聚焦透镜、微球和收集透镜，微球被三维势阱悬浮；调制激光器中出射的激光经光强调制模块的光强调制器的调制和第一二向色镜的反射后再入射至真空腔内，接着从真空腔中出射后再经第二二向色镜的反射后入射至光陷阱中；测量激光器的出射光经反射镜和第一二向色镜的透射后再入射至真空腔内，接着从真空腔中出射后再经第二二向色镜的透射后入射至四象限探测器中；光强调制模块的周期信号发生器和四象限探测器均与信号处理模块相连。

5、所述光强调制模块包括周期信号发生器、偏置信号发生器、加法器和光强调制器，周期信号发生器的第一输出端与加法器的第一输入端、乘法器的第一输入端相连，偏置信号发生器与加法器的第二输入端相连，加法器的输出端与光强调制器相连，调制激光器中出射的激光经光强调制器的调制后入射至第一二向色镜，周期信号发生器的第二输出端还与信号处理模块的乘法器的第一输入端相连。

6、所述信号处理模块包括带通滤波器、乘法器和低通滤波器，四象限探测器经带通滤波器后与乘法器的第二输入端相连，乘法器的输出端与低通滤波器相连，乘法器的第一输入端还与光强调制模块的周期信号发生器的第二输出端相连。

7、具体地：周期信号发生器产生调制频率为 fm的周期性电压信号 v1，偏置信号发生器产生偏置电压信号 v0，周期性电压信号和偏置电压信号输入到加法器，加法器输出电压信号并输入光强调制器，调制激光器输出光强为、波长为的激光并射入光强调制器，光强调制器射出的激光经过第一二向色镜偏转后射入真空腔，激光经过聚焦透镜聚焦在微球上，微球被三维势阱悬浮，经过微球散射的激光经过收集透镜，射出真空腔，经过第二二向色镜偏转射至光陷阱而被吸收。测量激光器输出光强为、波长为的激光经过反射镜偏转，透过第一二向色镜，之后波长的激光，在真空腔内与波长的激光共轴，直至透过第二二向色镜射至四象限探测器上，四象限探测器输出电压信号至带通滤波器，带通滤波器输出电压信号至乘法器，乘法器的另一个输入是周期信号发生器输出的周期性电压信号的同步信号，乘法器输出电压信号至低通滤波器，低通滤波器输出电压信号，低通滤波器输出电压信号即为经过调制解调后的微球的位移测量信号。

8、所述周期信号发生器产生的信号类型包括但不限于正弦波、三角波和方波。

9、光强调制器的输出光光强与输入光光强之比值受光强调制器的输入电压信号控制，所述光强调制器的类型包括但不限于基于普克尔效应、克尔效应或液晶效应的电光调制器和基于声光效应的声光调制器。

10、所述第一二向色镜和第二二向色镜是对波长λ1的激光反射并对波长λ2的激光透射的光学器件，其类型包括但不限于镀介质膜镜和偏振分束镜。

11、所述微球的材质为对激光透明的材质，材质类型包括但不限于二氧化硅、亚克力和聚苯乙烯。

12、二、一种测量被悬浮透明介质微球位移的方法

13、方法采用所述的一种测量被悬浮透明介质微球位移的装置，方法包括以下步骤：

14、1)开启调制激光器、光强调制器、偏置信号发生器和加法器的电源，聚焦在微球的波长λ1的激光在光束径向上会对微球产生向心光辐射力，形成二维势阱。该二维势阱和三维势阱合成总势阱。总势阱对微球的合力fa，满足fa=-kx，x为微球的质心相对新势阱中心的位移，k为合力刚度。将微球从盛装容器中转移至偏置信号发生器出射的波长λ1的激光产生的二维势阱和三维势阱合成的总势阱的中心；

15、2)开启周期信号发生器的电源，使得波长λ1的激光的光强周期性变化，微球的谐振频率从而被调制；

16、3)开启测量激光器、四象限探测器、带通滤波器、乘法器和低通滤波器的电源，低通滤波器输出解调后的微球的位移测量信号。

17、所述周期信号发生器产生的电压信号的调制频率为fm，平均值为零；光强调制器输出的波长λ1的激光的平均光强为p3，最小光强为p3-pa，最大光强为p3+pa，pa为光强调制幅度，测量激光器输出的波长λ2的激光的平均光强为p2，满足p2<p3/10。

18、所述波长λ1的激光对微球施加的外界输入加速度信号的频率分量分布在0至fs频率段内，满足fs< f0/3，f0为谐振频率，fs为输入加速度信号频率上限。

19、所述波长λ1的激光光强为p3-pa时，微球的谐振频率为f0-fa，fa为频率调制幅度，波长激光光强为p3+pa时，微球的谐振频率为f0+fa，满足fa< f0/3，f0< fm/3，fm为调制频率，f0为谐振频率。

20、所述带通滤波器的低截止频率为fm-fb，高截止频率为fm+fb，满足fs<fb<f0，fm为调制频率，fs为输入加速度信号频率上限，fb为带通滤波器带宽，f0为谐振频率；所述低通滤波器的截止频率为，满足fs<fc<f0。

21、本发明的有益效果为：

22、本发明提供了一种可充分抑制低频误差的测量被悬浮透明介质微球位移的装置及方法。本发明对聚焦激光光强的周期调制，使得微球简谐运动的谐振频率周期性变化，进而对施加在微球上的外界输入加速度信号进行周期调制，然后对四象限探测器输出的被悬浮微球位移测量信号进行解调。本发明中的调制解调测量方案相对已有的直接测量方案，将微球位移测量信号和噪声调制至高频段，较大程度上抑制了激光光强和指向波动等低频误差的影响，提高了被悬浮微球位移的测量精度。