片上光阱传感单元的关键技术研究

摘要

光阱技术是人类目前所掌握的最高精度力学测量手段之一，以其高灵敏度、强抗电磁干扰能力等优点，在力学传感上具有独特的优势。基于光阱技术的加速度计技术还可以克服传统的光学加速度计中采用刚性连接质量块所带来的误差，是比冷原子干涉技术更有小型化前景的、有望实现ng级精度的技术。因此开展光阱加速度计的研究对实现高灵敏度高精度的加速度测量具有重要意义。 为满足光阱加速度计实用化的发展需求，本文提出了一种新型的光纤光阱加速度传感单元的设计方案。该方案将光纤光阱技术和加速度测量技术相结合，利用光纤光阱系统模块化且稳定性好等优点，并对传感单元中单微粒的重复发射及捕获这一实用化关键问题进行了针对性设计，致力于解决光阱加速度传感单元的实用化、小型化、集成化等问题。 首先，本文根据光的力学效应与光阱力的理论模型阐述了光阱悬浮微粒的原理基础，介绍了基于双光纤光阱技术的加速度传感测量原理和方案。在此基础上，根据光阱加速度计的要求，详尽地分析了设计片上光阱传感单元的关键技术及其研究现状。 然后，对片上光阱传感单元进行了仿真分析与参数优化，包括捕获光源、微粒、光纤对准误差等，并且仿真得到其初始捕获范围。根据仿真结果设计制作了三种不同的传感单元结构，实现了±6μm以内的光纤对准精度，利用拉锥探针在封闭型传感单元中精确装载1～5个直径10μm的微粒，并且利用压电陶瓷实现了对单一微粒的重复起振。 最后，对片上光阱传感单元的初始捕获进行了实验验证，并测试了系统的静态稳定性能。本文利用压电陶瓷振动可以实现百分之百的微粒发射效率，毛细管封闭结构传感单元能够实现传感单元的小型化、集成化的目标，且可以达到5％以上的微粒捕获效率，为实现实用化的光阱加速度计奠定了基础。

目录

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致谢

摘要

1绪论

1．1光阱技术概述

1．2光阱加速度计的发展

1．3光阱传感单元的关键技术及研究现状

1．4研究的意义与内容

2光阱传感单元的理论基础

2．1光的力学效应与光阱

2．2光阱力的理论模型

2．2．1几何光学模型

2．2．2 Rayleigh近似的电磁模型

2．2．3电磁散射模型

2．3基于光阱的加速度传感测量原理

2．4本章小结

3片上光阱传感单元的设计与实现

3．1传感单元的性能分析

3．1．1捕获光源对传感单元性能的影响

3．1．2微粒对传感单元性能的影响

3．1．3光纤对准精度对传感单元性能的影响

3．2传感单元的初始捕获分析

3．3传感单元的设计实现

3．3．1十字V型槽

3．3．2封闭微腔结构

3．3．3毛细管封闭结构

3．4本章小结

4片上光阱传感单元的实验研究与性能分析

4．1实验方案

4．1．1实验参数设置与性能测试方案

4．1．2位置探测方案

4．2初始捕获分析

4．2．1微粒起振

4．2．2微粒捕获

4．3静态稳定性测试

4．4本章小结

5总结与展望

5．1总结

5．2展望

参考文献

作者简历