[发明专利]一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法

说明书

本发明公开了一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法。微纳粒子释放装置内装有微纳粒子，并位于激光光镊的上方，激光光镊中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，微纳粒子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，光学干涉仪对微纳粒子从光阱捕获区开始自由落体过程中实时测量位移并发送到信号处理装置，信号处理装置根据微纳粒子实时位移通过方法处理得到绝对重力加速度的测量值。本发明实时测量微纳小球在自由落体过程中的位移和时间实现绝对重力的测量，消除了环境空气干扰，可实现绝对重力加速度测量，改进了测量速度和效率。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域的一种绝对重力仪器和测量方法，具体是涉及了一种用于测量绝对重力加速度值的仪器和测量方法。

背景技术

重力仪是一种用于测量重力加速度(重力)的精密仪器，其能够广泛应用于地球探测，探矿，勘察等应用领域，对于国民经济的发展具有重要的意义。重力仪的基本测量原理是根据牛顿第二定律，通过检测质量块的自由落体时间t和距离s，然后根据自由落体方程g＝2s/t²计算或者拟合重力加速度的测量值g；如果测量的重力加速度是相对大小，则该重力仪称为相对重力仪，如果测量的是重力加速度的绝对大小，则称为绝对重力仪。重力加速度测量也常简称为重力测量。

质量块自由落体过程开始松开机械固定结构的释放过程导致的质量块初速度，自由落体落体过程中的气体扰动干扰，所采用的质量块物体的表面形状会影响测量的精度，进而影响实际的重力测量的精度。

现有重力仪一般采用分米到米量级的自由落体距离作为测量距离以获得高的测量精度，并采用数据拟合的方式，降低质量块自由落体初速的影响，同时通过真空系统，降低空气对于物体运动扰动，从而综合提高重力仪的测量精度，但传统重力仪在测量开始前需要通过机械固定质量块，在释放过程中容易引入不可控和不可预测的初速度；同时其质量块需要重复利用，在一次测量过程后，需要复位机构将质量块进行复位，导致测量效率低下，系统庞大，复杂，测量速度受限等问题。简单而言，传统重力仪的机械接触使得其本质上具有一些不可消除的误差缺陷。

现有重力测量的方式主要利用机械释放质量块的方式，利用质量块的复位实现重力的重复测量，这种测量方式存在复位复杂，体积大，并且误差因素多等诸多不足，而根据现在的光学技术发展，特别是光力领域和光阱领域的技术发展，以基于光力悬浮系统的真空光镊新技术为基础，有望发展一种新的绝对重力测量技术，提高绝对重力的测量精度，降低系统的复杂性，同时实现重力的高精度快速测量方式，从而满足惯性导航、大地测量和矿产普查等领域对于重力角速度测量的迫切需求和科学应用需求。

发明内容

针对重力测量的技术现状，目前的重力仪体积庞大，测量质量块需要机械支撑和释放，易受干扰，需要复位，难以持续测量的技术现状，本发明结合量子理论和微纳技术、光力技术等新领域技术，提出了一种基于真空光镊的绝对重力仪和测量方法，通过微纳小球充当下落质量块，利用光学干涉仪构成差分相位测量方式，实现下落微纳小球的位移测量，并通过拟合方式可以获得绝对重力的值。

本发明所采用的技术方案如下：

一、一种基于真空光镊的绝对重力仪：

主要由真空系统、微纳小球、微纳小球释放装置、真空光镊、光学干涉仪、信号处理装置构成；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；真空系统为一个真空腔，真空腔的上下方和侧方设为透明的窗口，通过一个真空腔为微纳小球自由落体过程提供一个真空环境，从而避免空气对测量过程的影响，真空腔壁上开有透光光学窗口，真空腔内外的光信号通过光学窗口传输。