[發明專利]一種基于雙光束光阱系統的光子懸浮陀螺

在審

• 申請號: 201811024340.2
• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN109059892A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 肖光宗;韓翔;鄧丹;陳鑫麟;楊開勇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01C19/06
• 分類號: G01C19/06;G01C19/18
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

本發明涉及一種基于雙光束光阱系統的光子懸浮陀螺。利用半波片、偏振分束器、λ/4玻片將激光器輸出的光調制成兩束光強相同的圓偏光，圓偏光通過透鏡聚焦輸入到真空室中。兩個光電探測器檢測到的光強與線偏光和最大慣性主軸夾角α存在對應關系，e光光強與o光光強比值為tan2α，即通過測得的光強可以計算得出偏轉角度α，從而完成對光子懸浮陀螺偏轉角度的測定。該裝置沒有機械接觸，克服了支承軸對整個系統精度的影響，避免了支承軸和轉子之間摩擦阻力而產生的誤差，提高系統的使用壽命，可以達到較高精度。

技術領域

本發明涉及一種基于雙光束光阱系統的光子懸浮陀螺，屬于慣性測量技術以及光學工程領域。

背景技術

慣性導航系統是利用慣性敏感器件、基準方向和最初的位置、速度信息來確定載體的方位和速度的自主式航跡推遞導航系統。慣導系統具有自主性、隱蔽性、實時性、全天候等優點，因而在各種載體的導航、制導、定位和穩定控制中得到了廣泛的應用。陀螺儀作為慣導系統的重要組成部分，已廣泛應用于航空、航天、航海、測量等領域。

隨著科學技術的發展，人們發現可以利用各種物理現象檢測相對于慣性空間的旋轉，在此基礎上研制了各種不同原理和類型的陀螺儀。其中，懸浮轉子類陀螺儀是目前精度最高的一類陀螺儀。目前已知的懸浮轉子類陀螺包括靜電懸浮轉子微陀螺和磁懸浮轉子微陀螺。在懸浮轉子類陀螺中，利用靜電力、電磁力等將轉子來懸浮于真空或環境介質中，沒有支承軸，消除了因為支承軸和轉子之間摩擦阻力而產生的誤差。但現有的懸浮轉子類陀螺對轉子的加工工藝要求很高，且存在陀螺轉子在高轉速狀態下無法長期保持穩定的缺點，這在一定程度上限制了懸浮轉子類陀螺的發展。

區別于其他傳統的懸浮轉子類陀螺，光子懸浮陀螺利用光力懸浮支撐，具有工藝簡單，精度高的優勢，是懸浮轉子類陀螺未來的發展方向。光子懸浮陀螺的工作原理是利用光力使微球懸浮并繞其最大慣性主軸作高速旋轉，形成陀螺轉子；當外界施加負載角度時，轉子由于其定軸性保持位置不變，而定子位置隨外界負載發生變化，二者產生相對位置變化；通過一定的方法測出二者的相對姿態，則可計算出外界施加的負載角度。目前對于光子懸浮陀螺角速度的測量，最普遍的方法是利用圖像法，具體方法是：通過光刻技術在微球表面濺射上一些不透明對稱圖案，微球姿態發生變化后，光電圖像探測器采集微球隨轉動角度變化的光斑形狀和光強分布，從而獲得外界角速度的信息，施加光束使微球恢復平衡位置，通過調制光強變化計算角速度。用這種方法測量角速度存在一定的誤差，而且在微球上濺射不對稱圖案難度系數大。利用線偏光測量光子懸浮陀螺偏轉角度的裝置和方法還未見報道。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明提出了一種利用線偏光測量光子懸浮陀螺偏轉角度的裝置及方法。

本發明基于以下原理：兩束相向傳播的高斯激光束，將形成能束縛微米尺度粒子的雙光束光阱。利用半波片、偏振分束器、λ/4玻片將激光器輸出的光調制成兩束光強相同的圓偏光，圓偏光通過透鏡聚焦輸入到真空室中。微球為雙折射微球，采用噴射或其他方式將其放置在真空室中。利用該系統對微球進行捕獲時，光子本身自旋角動量傳遞給微球，當兩側圓偏振光偏振方向相反(即一側左旋一側右旋)時，微球將繞其最大慣性主軸旋轉。微球繞其最大慣性主軸高速旋轉后，將一側半波片轉動180°，此時兩側圓偏振光扭矩相互抵消，微球將在真空環境中持續高速旋轉。用一束線偏光沿其最大慣性主軸入射作用于微球上，記錄另一側光電探測器探測到的光強；當光子懸浮陀螺整體偏轉角度α時，即線偏光與最大慣性主軸成夾角α入射，此時光電探測器探測的光強將發生變化。光強與光子懸浮陀螺偏轉角度α存在對應關系，通過計算可得出光子懸浮陀螺的偏轉角度α。

本發明采用的技術方案如下：光子懸浮陀螺測量偏轉角度的裝置，包括激光器、半波片、一號偏振分束器、二號偏振分束器、三號偏振分束器、四號偏振分束器、λ/4玻片、透鏡、濾波片、光電探測器和真空室，

真空室位于中部，真空室外部兩側從里往外依次擺放：透鏡、λ/4玻片、偏振分束器、半波片和激光器，