基于激光捕获的加速度测量原理及仿真

　　0 引言

　　光的力学效应是当今科学技术研究的前沿问题，对它的研究与应用已经对很多学科产生了重大而深远的影响。美国贝尔实验室科学家A.Ashkin 发明了光镊之后[1-2]，激光捕获技术成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。近20 年来激光捕获技术的研究和应用得到了迅速的发展，由于激光捕获技术兼有微纳米尺度粒子的捕获和皮牛顿量级力的测量两项功能，目前，已被广泛应用于物理、化学和生命科学等研究领域[3-4]。

　　光纤光阱是利用光纤实现的一种光阱形式，其最大优点就是光纤形成的光阱及其操纵与光学显微镜分离，使观察和操纵样品有更大的自由度，并且可以实现一般光镊不可能实现的对光阱弹性的测量， 因此，自问世以来受到了广泛的关注，并已经应用于很多领域[5-6]。目前，国际上对微机械结构的多光束光纤光阱的研究又有了新的进展，由多个单模光纤装在一个微机械加工的硅结构或玻璃壳中，微机械结构保证多个光纤的准直精度[7]。另外，光纤耦合输出的高功率激光二极管模块具有体积小、光束质量好等特点[8-9]，将其作为多光束光纤光阱的光源也有利于系统的微型化。这种光阱系统不仅成本低、结构简单、易安装，而且还可以方便地修改光束位置和强度，是一种极具潜在应用前景的光阱形式。

　　文中将近年来得到迅速发展的激光捕获技术应用于惯性加速度测量，利用多束激光在粒子表面产生的辐射压实现粒子悬停，进而实现无机械支撑的加速度测量。该方案具有诸多传统机械加速度计技术所不具备的优点，如精度高、测量范围大、线性度好、小型化和集成化水平高、可多轴集成[10]等，为新一代光学加速度计的研究开辟了一条创新的途径。

　　1 基于激光捕获原理的加速度计方案

　　文中提出的基于激光捕获技术的加速度计采用多光束光纤光阱方案。图1 是基于双光束光纤光阱的单轴光学闭环加速度计的示意图。

　　系统可分为捕获与传感、微位移检测、光学闭环3个模块。捕获与传感模块采用小型化大功率半导体激光器作为光源，通过光纤耦合搭建光学系统，对微米级粒子进行激光捕获、控制与传感。微位移检测模块利用光电图像传感器对被捕获粒子进行高精度、高频率响应的位移测量。光学闭环模块通过光强调制器实现，当粒子由于加速度作用产生微小位移时，系统通过外部光强调制器对施加在粒子上的相对方向的光束强度进行调制，使之产生一定的光强差以补偿加速度引起的微小惯性力， 使粒子始终处于空间平衡位置。此时，该光强差正比于系统的加速度。