一種基于重力的光壓標(biāo)定裝置及標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于光壓標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種基于重力的光壓標(biāo)定裝置及 標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光量子理論指出，光具有波粒二象性。鑒于波以及粒子兩者皆具有動(dòng)量，故而當(dāng)光 直接照射在物體上并產(chǎn)生反射時(shí)，由動(dòng)量定理可知，物體便可獲得動(dòng)能。
[0003] 近年來(lái)，太陽(yáng)帆成為了未來(lái)深空探測(cè)設(shè)備中的熱門。太陽(yáng)帆作為一種無(wú)需自帶推 進(jìn)劑的外太空運(yùn)行裝置，光壓是其主要的動(dòng)力來(lái)源。此外，隨著真空試驗(yàn)技術(shù)的日益發(fā)展， 在地面實(shí)驗(yàn)室中模擬太空環(huán)境的條件業(yè)已成熟。因此，為了對(duì)太陽(yáng)帆的設(shè)計(jì)和控制提供指 導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)室真空環(huán)境中對(duì)光壓進(jìn)行標(biāo)定以及測(cè)量就顯得尤為關(guān)鍵。
[0004] 鑒于光壓的量級(jí)相當(dāng)小，故而無(wú)法使用普通的測(cè)力裝置以及標(biāo)定裝置對(duì)其進(jìn)行測(cè) 量與標(biāo)定。
[0005] 歷史上首位較為準(zhǔn)確地測(cè)量光壓的Π . Η .列別捷夫，在實(shí)驗(yàn)中采用一個(gè)系在玻璃 絲上的薄片測(cè)量光壓;光壓作用于薄片上從而帶動(dòng)玻璃絲扭轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量玻璃絲的扭轉(zhuǎn)角 度值，計(jì)算出光壓的大小。
[0006] 發(fā)明專利CN102322951A中公開(kāi)了一種通過(guò)反射鏡受光照后產(chǎn)生的微位移解算出 光壓值的方法;該方法需要使用到吸震元件、光纖位移傳感器和電容位移傳感器，其器件組 成較為復(fù)雜。
[0007] 發(fā)明專利CN102252753A中提出了一種利用懸臂梁諧振結(jié)構(gòu)來(lái)探測(cè)紅外輻射量的 方法;該方法需要使用微納加工技術(shù)制作諧振結(jié)構(gòu)，工藝較為復(fù)雜，且懸臂梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈 敏度不高。
[0008] 發(fā)明專利CN103728017A中公開(kāi)了一種通過(guò)納米銀膜受光照產(chǎn)生振動(dòng)后的反射光 與調(diào)制光耦合形成的干涉光的強(qiáng)度和頻率計(jì)算出光壓的方法。該方法需要使用光纖耦合器 產(chǎn)生干涉光，且另需光相位解調(diào)儀解調(diào)干涉光，器件組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
[0009] 此外，其它可用來(lái)測(cè)量光壓的設(shè)備主要有溫差電堆或者壓電倍增管。溫差電堆的 原理主要是將熱能轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)當(dāng)?shù)販囟忍荻鹊臄?shù)值輸出與其大小呈線性關(guān)系的電
壓，由此可反向計(jì)算得到光強(qiáng)，然后根據(jù)狹義相對(duì)論所指出的光強(qiáng)-光壓關(guān)系式： 中，Ρ為光壓，I為光強(qiáng)，c為光速，可計(jì)算出光壓的大小。光電倍增管的原理主要是利用光電 效應(yīng)將由光照所產(chǎn)生的電流放大幾百倍，并由放大后的電流值反向計(jì)算得到光強(qiáng)，同樣利 用光強(qiáng)-光壓關(guān)系式即可計(jì)算出光壓的大小。
[0010] 隨著材料科學(xué)的研究發(fā)展，厚度在納米量級(jí)的薄膜得已成功制備。如，應(yīng)用李智睿 在《納米鋁膜的非線性電阻效應(yīng)》一文中所提到的真空蒸發(fā)法，可制成厚度在20nm的金屬薄 膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，克服其設(shè)備需要使用聲、溫度、電子器件結(jié)構(gòu)較為 復(fù)雜的的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于重力的光壓標(biāo)定裝置及標(biāo)定方法;光壓標(biāo)定裝置放置 在真空艙內(nèi)，消除空氣對(duì)流的干擾，通過(guò)該標(biāo)定裝置及方法解決精度在百分之一微牛量級(jí) 的光壓標(biāo)定問(wèn)題。
[0012] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：包括真空艙、標(biāo)定平臺(tái)、激光發(fā)射 器、激光擴(kuò)束器，所述真空艙上設(shè)置有密封艙蓋，依真空艙豎直軸線兩側(cè)的艙壁上分別開(kāi)有 上下錯(cuò)位的兩個(gè)入射口，激光發(fā)射器與激光擴(kuò)束器連接，與真空艙艙壁上兩入射口相對(duì)安 裝，且真空艙艙壁上的入射口與激光發(fā)射器、激光擴(kuò)束器位于同一豎直平面內(nèi)，真空艙艙壁 上設(shè)有觀測(cè)窗，標(biāo)定平臺(tái)固定在真空艙內(nèi)中間部位；
[0013] 所述標(biāo)定平臺(tái)包括反射鏡、純鋁薄膜、石英支撐面板、支架，石英支撐面板固定在 支架上1/3部位，石英支撐面板上面中間放置有純鋁薄膜;所述反射鏡為兩塊矩形薄板，表 面鍍銀，兩塊反射鏡分別位于石英支撐面板上方的支架頂部和石英支撐面板下方的支架 上，兩塊反射鏡鍍銀面相對(duì)平行安裝，軸向可調(diào)，反射鏡鍍銀面與真空艙入射口相對(duì)，且與 激光擴(kuò)束器位于同一軸線上;石英支撐面板、純鋁薄膜的中心與兩塊反射鏡中心位于支架 的中軸線上。
[0014] -種采用所述基于重力的光壓標(biāo)定裝置進(jìn)行光壓標(biāo)定的方法，其特征在于包括以 下步驟：
[0015] 步驟1.進(jìn)行標(biāo)定之前，采用三臺(tái)絕對(duì)重力儀同時(shí)測(cè)量試驗(yàn)地的重力加速度值，取 三次測(cè)量平均值，獲得試驗(yàn)地的重力加速度的值；
[0016] 步驟2.將真空艙內(nèi)部抽成真空，保持真空艙內(nèi)部壓強(qiáng)在1 X l(T5Pa;
[0017] 步驟3.開(kāi)啟兩臺(tái)激光發(fā)射器，激光束經(jīng)安裝在激光發(fā)射器上的激光擴(kuò)束器后，光 源透過(guò)真空艙艙壁上的入射口射進(jìn)真空艙內(nèi)，照射在反射鏡上；
[0018] 步驟4.保持上方激光發(fā)射器的輸出功率不變；以激光發(fā)射器輸出功率可調(diào)的最小 輸出功率單位為步長(zhǎng)，逐漸增大下方激光發(fā)射器的輸出功率，當(dāng)達(dá)到上下激光光壓力差等 于純鋁薄膜的重力臨界點(diǎn)后，繼續(xù)增大下方激光發(fā)射器的輸出功率，純鋁薄膜開(kāi)始向上運(yùn) 動(dòng)從而脫離石英支撐面板；
[0019] 步驟5.調(diào)節(jié)上下兩臺(tái)激光發(fā)射器的輸出功率，直至上下激光的光壓力差等于純鋁 薄膜的重力，使純鋁薄膜靜止懸浮于空中；
[0020] 步驟6.由位移檢測(cè)儀確定純鋁薄膜已靜止懸浮于空中時(shí)，上下兩束激光的光壓力 差A(yù)p等于純鋁薄膜的重力，通過(guò)純鋁薄膜的重力標(biāo)定了光壓;標(biāo)定完成。
[0021] 有益效果
[0022] 本發(fā)明提出的一種基于重力的光壓標(biāo)定裝置及標(biāo)定方法，標(biāo)定平臺(tái)放置在真空艙 內(nèi)，消除空氣對(duì)流的干擾;高功率可調(diào)諧激光發(fā)射器與激光擴(kuò)束器連接，激光發(fā)射器發(fā)射激 光束，激光束經(jīng)過(guò)安裝在激光發(fā)射器上的激光擴(kuò)束器后，作為面光源透過(guò)真空艙艙壁上的 入射口進(jìn)真空艙內(nèi)。放置在真空艙內(nèi)支架上的反射鏡，將入射進(jìn)真空艙內(nèi)的激光束調(diào)整至 豎直方向。經(jīng)過(guò)反射鏡調(diào)整后的下方豎直激光束透過(guò)石英支撐面板后，照射在放置在石英 支撐面板上的金屬薄膜的下表面，經(jīng)過(guò)反射鏡調(diào)整后的上方豎直激光束直接照射在金屬薄 膜的上表面。當(dāng)金屬薄膜靜止懸浮在半空中，此時(shí)上下兩束激光的光壓力差等于金屬薄膜 的重力，即通過(guò)金屬薄膜的重力標(biāo)定了光壓。
[0023] 本發(fā)明基于重力的光壓標(biāo)定裝置，采用激光擴(kuò)束器擴(kuò)大高功率可調(diào)諧激光器所發(fā) 射的激光束的照射面積，有效地制造了小型激光面光源。采用重力標(biāo)定方式作為"標(biāo)尺"，通 過(guò)光壓力平衡金屬薄膜的重力的方法，實(shí)現(xiàn)在真空條件下標(biāo)定精度為百分之一微牛的光壓 力。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種基于重力的光壓標(biāo)定裝置及標(biāo)定方法作 進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025] 圖1為本發(fā)明基于重力的光壓標(biāo)定裝置的真空艙及光源發(fā)射部位示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明基于重力的光壓標(biāo)定裝置示意圖。
[0027]圖3為本發(fā)明的激光發(fā)射器及激光擴(kuò)束器示意圖。
[0028]圖4為本發(fā)明的標(biāo)定平臺(tái)示意圖。
[0029] 圖中：
[0030] 1.激光發(fā)射器2.激光擴(kuò)束器3.反射鏡4.純鋁薄膜5.石英支撐面板6.支架 7.真空艙
【具體實(shí)施方式】
[0031] 本實(shí)施例是一種基于重力的光壓標(biāo)定裝置及標(biāo)定方法。
[0032] 參閱圖1~圖4,本實(shí)施例基于重力的光壓標(biāo)定裝置由真空艙、標(biāo)定平臺(tái)、激光發(fā)射 器、激光擴(kuò)束器組成;標(biāo)定平臺(tái)放置在直徑為3m，內(nèi)部壓強(qiáng)控制在1 X l(T5Pa的真空艙內(nèi)。真 空