[发明专利]一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法

权利要求书

1.一种基于真空光镊的绝对重力仪，其特征在于：包括真空系统、微纳小球、微纳小球释放装置、真空光镊、光学干涉仪、信号处理装置；微纳小球释放装置、真空光镊均置于真空系统内，光学干涉仪、信号处理装置均位于真空系统外；微纳小球释放装置内装有微纳小球，微纳小球释放装置位于真空光镊的上方，真空光镊包括左右水平同轴的两束捕获光和两个汇聚透镜，两束捕获光透射过各自的汇聚透镜后汇聚在交点，交点所在区域作为光阱捕获区，微纳小球被两束捕获光稳定捕获在光阱捕获区；光学干涉仪和信号处理装置电连接，光学干涉仪对微纳小球从光阱捕获区开始自由落体的过程进行实时测量获得微纳小球的实时位移，并将实时位移发送到信号处理装置，信号处理装置根据微纳小球的实时位移，进而处理得到绝对重力加速度的测量值；

所述的光学干涉仪包括激光器、上发射镜M2和下发射镜M1、上偏振分光棱镜PBS1、下偏振分光棱镜PBS2、接收偏振分光棱镜PBS3、上玻片P1和下玻片P2以及起偏器Q1，微纳小球重力下落的正上方设有上偏振分光棱镜PBS1和上玻片P1，上偏振分光棱镜PBS1侧方设有上发射镜M2，微纳小球重力下落的正下方设有下偏振分光棱镜PBS2和下玻片P2，下偏振分光棱镜PBS2正下方设下发射镜M1，下发射镜M1侧方设有接收偏振分光棱镜PBS3和起偏器Q1；激光器发出频率不同的两束线偏光，第一束线偏光从微纳小球正上方沿重力方向的正方向依次透射过上偏振分光棱镜PBS1和上玻片P1后照射到微纳小球，经微纳小球表面散射后产生上散射光，上散射光向上沿光路返回，经上玻片P1透射、上偏振分光棱镜PBS1反射后入射到上发射镜M2，经上发射镜M2反射后入射到接收偏振分光棱镜PBS3再发生反射，形成第一束探测光路；第二束线偏光从微纳小球下方沿重力方向的反方向依次经下偏振分光棱镜PBS2反射、下玻片P2透射后照射到微纳小球，经微纳小球表面散射后产生下散射光，下散射光向下沿光路返回，经下玻片P2透射、下偏振分光棱镜PBS2反射后入射到下发射镜M1，经下发射镜M1反射后入射到接收偏振分光棱镜PBS3再发生透射，形成第二束探测光路；经接收偏振分光棱镜PBS3反射和透射出射的光束汇聚干涉后，再经起偏器Q1入射到光电转换电路，最后探测获得干涉信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于真空光镊的绝对重力仪，其特征在于：

所述的微纳小球的材质为二氧化硅，直径为1微米～30微米。

3.应用于权利要求1-2任一所述绝对重力仪的绝对重力测量方法，其特征在于，步骤如下：

a)开启真空光镊的激光器，输出两束水平的捕获光，并经各自的汇聚透镜，在真空腔内形成光阱捕获区；

b)通过微纳小球释放装置释放一个微纳小球，之后微纳小球在重力作用下向下做自由落体运动到达光阱捕获区，被稳定捕获于光阱捕获区的中心；

c)开启光学干涉仪，开始进行微纳小球位移的干涉测量；

关闭真空光镊中激光器发射的捕获光，微纳小球在重力作用下从光阱捕获区的中心释放，沿重力方向向下自由落体运动；

关闭捕获光的同时，通过光学干涉仪测量微纳小球的位移的实时变化过程，得到位移随时间的测量时间序列s；

d)根据测量时间序列s进行拟合，得到绝对重力的一次测量值；

e)关闭光学干涉仪，结束本次测量；

f)重复步骤a)～e)，实现绝对重力的连续测量。

4.根据权利要求3所述的绝对重力测量方法，其特征在于：所述步骤c)中关闭捕获光的同时，通过光学干涉仪测量微纳小球的位移的实时变化过程，得到位移随时间的测量时间序列s，具体为：通过光学干涉仪采集探测到干涉信号，根据干涉信号解析获得当前相位并实时测量和定时输出，每次采集获得一个光相位变化的测量值，采样间隔时间为T，连续采样获得n个光相位变化的实时测量值序列根据下式计算得到第n次测量的微纳小球的位移信号s(n)，进而获得位移随时间的测量时间序列s：

其中，λ为光学干涉仪所采用的光波长，n为测量采样的序号，取为自然数，由原子钟提供统一时序信号和时间基准。

5.根据权利要求3所述的绝对重力测量方法，其特征在于：所述的根据测量时间序列s进行拟合，具体采用最小二乘法进行拟合，按照下式输入测量时间序列s拟合得到绝对重力的测量值g：

s(n)＝s(0)+g×(nT)²/2

其中，s(n)表示第n次测量的微纳小球的位移信号，s(0)为常数系数，n表示测量时间序列中的测量值的总数，T为采样间隔时间，由原子钟提供统一时序信号和时间基准。