本發(fā)明屬于高精度重力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高精度重力測(cè)量?jī)x，尤其涉及一種光力驅(qū)動(dòng)的高精度絕對(duì)相對(duì)重力測(cè)量?jī)x，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)重力測(cè)量和相對(duì)重力測(cè)量。
背景技術(shù)：
光力效應(yīng)是指攜帶能量和動(dòng)量的光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生動(dòng)量的交換，從而表現(xiàn)為光對(duì)物體施加力的作用。力的大小等于光引起的單位時(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的改變，并由此可引起物體位移，速度狀況的變化。由光產(chǎn)生的力與光強(qiáng)度成正比，光強(qiáng)度越強(qiáng)、受輻射的物體質(zhì)量越小，這種輻射光壓效應(yīng)將越明顯。量子光學(xué)的發(fā)展，使得光與物質(zhì)相互作用的方法研究進(jìn)展越來(lái)越迅速，納米科學(xué)以及半導(dǎo)體工業(yè)在先進(jìn)材料和工藝上的發(fā)展，使得制造超敏感的微納米裝置成為可能，這些裝置在空間上可以做到原子尺度。這兩個(gè)方面結(jié)合起來(lái)便形成了量子光力學(xué)。
重力儀可以分為絕對(duì)重力儀和相對(duì)重力儀，絕對(duì)重力儀用來(lái)測(cè)定一點(diǎn)的絕對(duì)重力加速度，后者用來(lái)測(cè)定兩點(diǎn)的絕對(duì)重力加速度差。
相對(duì)重力儀的缺點(diǎn)是只能測(cè)量重力的相對(duì)變化，不能給出重力加速度的絕對(duì)值，因此相對(duì)重力儀的準(zhǔn)確性依賴(lài)于絕對(duì)重力儀對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。
目前，絕對(duì)重力儀測(cè)量精度高，但是絕對(duì)測(cè)量的周期長(zhǎng)，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小，應(yīng)用環(huán)境要求高，相對(duì)重力儀測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍較大，但是測(cè)量精度低，所以研制既能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量絕對(duì)重力加速度，又能實(shí)時(shí)測(cè)量相對(duì)重力加速度，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大的重力儀是非常重要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光力驅(qū)動(dòng)的高精度絕對(duì)相對(duì)重力測(cè)量?jī)x，該裝置能同時(shí)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)重力測(cè)量和相對(duì)重力測(cè)量。
本發(fā)明的光力驅(qū)動(dòng)的高精度絕對(duì)相對(duì)重力測(cè)量?jī)x，包括第一激光器、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、反射鏡、第一分束器、第二分束器、落體棱鏡、參考棱鏡、光電探測(cè)器、第二激光器、轉(zhuǎn)向透鏡、聚焦透鏡和四象限探測(cè)器；
所述的第一激光器、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)和反射鏡依次位于同一水平直線上，第一分束器、第二分束器和光電探測(cè)器依次在同一水平線上并且位于激光器下方，落體棱鏡和參考棱鏡分別位于第一分束器的上下兩側(cè)；
在第二激光器和轉(zhuǎn)向透鏡之間為一空心光子晶體光纖光阱系統(tǒng)，在該光阱系統(tǒng)中設(shè)置有微粒，參考棱鏡設(shè)置于第二激光器和轉(zhuǎn)向透鏡之間，參考棱鏡中間開(kāi)有一圓形通光孔，用于供空心光子晶體光纖從中穿過(guò)。轉(zhuǎn)向透鏡、聚焦透鏡和四象限探測(cè)器位于同一水平線上。
上述技術(shù)方案中，所述的空心光子晶體光纖直徑小于50微米。
所述的參考棱鏡中部圓形通光孔的直徑通常為100微米。
所述的微粒質(zhì)量小于1ng。
采用該測(cè)量?jī)x進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量時(shí)，第一激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)及反射鏡后被第一分束器分為參考光束和測(cè)量光束，其中測(cè)量光束分別經(jīng)過(guò)參考棱鏡及落體棱鏡的反射后與參考光束相會(huì)于第二分束器，形成干涉條紋，再經(jīng)透鏡聚焦于光電探測(cè)器的光敏面上。
采用該測(cè)量?jī)x進(jìn)行相對(duì)重力測(cè)量時(shí)，第二激光器出射的光經(jīng)過(guò)空心光子晶體光纖光阱系統(tǒng)，經(jīng)轉(zhuǎn)向透鏡和聚焦透鏡，由四象限探測(cè)器探測(cè)，使用bfp法測(cè)量微粒位移。
本發(fā)明提出了利用光力效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高精度的重力加速度方案，在精確測(cè)量重力加速度的同時(shí)，測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍更廣，既能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量絕對(duì)重力加速度，又能實(shí)時(shí)測(cè)量相對(duì)重力加速度，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，能適用航空航天和航海領(lǐng)域。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明的重力儀基于光力效應(yīng)進(jìn)行高精度重力測(cè)量，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)重力測(cè)量和相對(duì)重力測(cè)量。本發(fā)明采用如圖所示的裝置，包括第一激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2、反射鏡3、第一分束器4、第二分束器5、落體棱鏡6、參考棱鏡7、光電探測(cè)器8、第二激光器9、轉(zhuǎn)向透鏡10、聚焦透鏡11和四象限探測(cè)器12。其中第一激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2和反射鏡3依次在同一水平直線上，第一分束器4、第二分束器5和光電探測(cè)器依次在同一水平線上并且位于激光器1下方。落體棱鏡6和參考棱鏡7分別位于第一分束器4的上下兩側(cè)，第二激光器9和轉(zhuǎn)向透鏡10之間為一空心光子晶體光纖光阱系統(tǒng)，參考棱鏡7設(shè)置于第二激光器9和轉(zhuǎn)向透鏡10之間，轉(zhuǎn)向透鏡10、聚焦透鏡11和四象限探測(cè)器12位于同一水平線上。參考棱鏡7中間為一圓形通光孔，直徑約為100微米，用于空心光子晶體光纖從中穿過(guò)。在進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量和相對(duì)重力測(cè)量時(shí)使用不同部分進(jìn)行測(cè)量：(1)絕對(duì)重力測(cè)量
在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2及反射鏡3后被第一分束器4分為參考光束和測(cè)量光束，其中測(cè)量光束向下分別經(jīng)過(guò)落體棱鏡6及參考棱鏡7的反射后與參考光束相會(huì)于第二分束器5，形成干涉條紋，再經(jīng)透鏡聚焦于光電探測(cè)器8的光敏面上。由于這兩束光來(lái)自同一光源，雖然初相位不斷變化，但是具有固定的位相差。因此測(cè)量光束經(jīng)過(guò)落體和參考棱鏡的反射后，與參考光束重合，形成干涉。干涉光強(qiáng)可以表示為兩束光的合成，設(shè)合成光能量為e，參考光束的最大能量為e1，測(cè)量光束的最大能量為e2，初始狀態(tài)干涉儀的兩臂之間的差為z0，當(dāng)落體下落δz時(shí)合成光束的光強(qiáng)度可表示為：
i＝e1e2{1-cos[keff(z0+δz)]}(1)
其中：
干涉光束傳至光電二極管8后被接收，落體每下落λ/2，就會(huì)形成一個(gè)干涉條紋，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，就可以得到落體每下落半個(gè)激光波長(zhǎng)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。然后可以得到干涉條紋每個(gè)過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移坐標(biāo)(ti,di)。為了減小過(guò)零點(diǎn)計(jì)算時(shí)引入的時(shí)間不確定性誤差，選取n個(gè)過(guò)零點(diǎn)(一般取n＝2001),將落體下落的距離分成固定距離,不同時(shí)間的新的時(shí)間—位移坐標(biāo)(xi,ti)，然后根據(jù)下式按照最小二乘法進(jìn)行解算：
式中的x0，v0，g0分別是起始位置坐標(biāo)、初速度和起始位置的重力加速度，是最佳估值的自由參數(shù)。實(shí)際上在整個(gè)下落的高度中，地球重力場(chǎng)的垂直梯度γ約為3μgal/cm，因此考慮重力梯度γ的影響，由于干涉儀反射落體的光路在落體下落的過(guò)程中不斷變短，而光速是有限的，條紋生成的時(shí)間總是滯后于落體到達(dá)的位置，因此可得：
其中ti′是延遲時(shí)間，由公式5給出：
利用最小二乘法求解，便可以得到絕對(duì)重力值的最佳估值
(2)相對(duì)重力測(cè)量
本發(fā)明采用單光束梯度力光阱實(shí)現(xiàn)對(duì)落體粒子的捕獲，其實(shí)質(zhì)是利用光作用在微粒時(shí),微粒改變了光的傳播方向,即改變了光子的線動(dòng)量,從而使微粒在一定時(shí)間內(nèi)獲得了動(dòng)量,在宏觀表現(xiàn)為光對(duì)粒子的力學(xué)作用。
在進(jìn)行相對(duì)重力測(cè)量時(shí)，測(cè)量所需部件主要有激光器9、轉(zhuǎn)向透鏡10、聚焦透鏡11和四象限探測(cè)器12構(gòu)成。激光器9出射的光經(jīng)過(guò)空心光子晶體光纖光阱系統(tǒng)，光子由于折射傳遞給微粒的為梯度力,力的方向始終指向光束聚焦中心，光子由于反射傳遞給微粒的散射力,方向始終指向光線傳播方向。橫向上梯度力束縛微粒處于光束中心,軸向梯度力和散射力在偏離中心的某一位置上相互平衡,光阱便在三維空間上穩(wěn)定俘獲微粒。最后通過(guò)四象限探測(cè)器12，使用bfp法測(cè)量微粒位移。其中，微粒質(zhì)量小于1ng，光纖直徑小于50微米。