一种基于重力的光压标定装置及标定方法

摘要

本发明公开了一种基于重力的光压标定装置及标定方法,标定平台放置在真空舱内，消除空气对流的干扰；激光发射器与激光扩束器连接,激光发射器发射激光束，经激光扩束器扩大的激光束作为面光源透过真空舱舱壁上的入射口射进真空舱；激光照射在真空舱内支架上的反射镜上，将入射激光调节至竖直方向。经过反射镜调节的下方竖直激光束透过石英支撑面板后,照射在放置石英支撑面板上的金属薄膜的下表面，经过反射镜调节的上方竖直激光束照射在金属薄膜的上表面。当金属薄膜静止悬浮在半空中，此时上下两束激光的光压力差等于金属薄膜的重力，通过光压力平衡金属薄膜的重力的方法,实现在真空条件下标定精度为百分之一微牛的光压力。

权利要求

1.一种基于重力的光压标定装置，其特征在于:包括真空舱、标定平台、激光发射器、激光扩束器，所述真空舱上设置有密封舱盖，依真空舱竖直轴线两侧的舱壁上分别开有上下错位的两个入射口，激光发射器与激光扩束器连接，与真空舱舱壁上两入射口相对安装，且真空舱舱壁上的入射口与激光发射器、激光扩束器位于同一竖直平面内，真空舱舱壁上设有观测窗，标定平台固定在真空舱内中间部位；

所述标定平台包括反射镜、纯铝薄膜、石英支撑面板、支架，石英支撑面板固定在支架上1/3部位，石英支撑面板上面中间放置有纯铝薄膜；所述反射镜为两块矩形薄板，表面镀银，两块反射镜分别位于石英支撑面板上方的支架顶部和石英支撑面板下方的支架上，两块反射镜镀银面相对平行安装，轴向可调，反射镜镀银面与真空舱入射口相对，且与激光扩束器位于同一轴线上；石英支撑面板、纯铝薄膜的中心与两块反射镜中心位于支架的中轴线上。

2.一种采用权利要求1所述的基于重力的光压标定装置进行光压标定的方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1.进行标定之前，采用三台绝对重力仪同时测量试验地的重力加速度值，取三次测量平均值，获得试验地的重力加速度的值；

步骤2.将真空舱内部抽成真空，保持真空舱内部压强在1×10-5Pa；

步骤3.开启两台激光发射器，激光束经安装在激光发射器上的激光扩束器后，光源透过真空舱舱壁上的入射口射进真空舱内,照射在反射镜上；

步骤4.保持上方激光发射器的输出功率不变；以激光发射器输出功率可调的最小输出功率单位为步长,逐渐增大下方激光发射器的输出功率,当达到上下激光光压力差等于纯铝薄膜的重力临界点后，继续增大下方激光发射器的输出功率,纯铝薄膜开始向上运动从而脱离石英支撑面板；

步骤5.调节上下两台激光发射器的输出功率，直至上下激光的光压力差等于纯铝薄膜的重力，使纯铝薄膜静止悬浮于空中；

步骤6.由位移检测仪确定纯铝薄膜已静止悬浮于空中时，上下两束激光的光压力差△p等于纯铝薄膜的重力，通过纯铝薄膜的重力标定了光压；标定完成。

说明书

一种基于重力的光压标定装置及标定方法

技术领域

[0001] 本发明属于光压标定技术领域，具体地说，涉及一种基于重力的光压标定装置及标定方法。

背景技术

[0002] 光量子理论指出，光具有波粒二象性。鉴于波以及粒子两者皆具有动量，故而当光直接照射在物体上并产生反射时，由动量定理可知，物体便可获得动能。

[0003] 近年来，太阳帆成为了未来深空探测设备中的热门。太阳帆作为一种无需自带推进剂的外太空运行装置，光压是其主要的动力来源。此外，随着真空试验技术的日益发展，在地面实验室中模拟太空环境的条件业已成熟。因此，为了对太阳帆的设计和控制提供指导，在实验室真空环境中对光压进行标定以及测量就显得尤为关键。

[0004] 鉴于光压的量级相当小，故而无法使用普通的测力装置以及标定装置对其进行测量与标定。

[0005] 历史上首位较为准确地测量光压的П.Н.列别捷夫,在实验中采用一个系在玻璃丝上的薄片测量光压；光压作用于薄片上从而带动玻璃丝扭转，通过测量玻璃丝的扭转角度值，计算出光压的大小。

[0006] 发明专利CN102322951A中公开了一种通过反射镜受光照后产生的微位移解算出光压值的方法；该方法需要使用到吸震元件、光纤位移传感器和电容位移传感器，其器件组成较为复杂。

[0007] 发明专利CN102252753A中提出了一种利用悬臂梁谐振结构来探测红外辐射量的方法；该方法需要使用微纳加工技术制作谐振结构，工艺较为复杂,且悬臂梁的动态响应灵敏度不高。

[0008] 发明专利CN103728017A中公开了一种通过纳米银膜受光照产生振动后的反射光与调制光耦合形成的干涉光的强度和频率计算出光压的方法。该方法需要使用光纤耦合器产生干涉光,且另需光相位解调仪解调干涉光，器件组成结构较为复杂。

[0009] 此外，其它可用来测量光压的设备主要有温差电堆或者压电倍增管。温差电堆的原理主要是将热能转换为电能，根据当地温度梯度的数值输出与其大小呈线性关系的电压，由此可反向计算得到光强，然后根据狭义相对论所指出的光强-光压关系式: 式中,P为光压，I为光强，c为光速，可计算出光压的大小。光电倍增管的原理主要是利用光电效应将由光照所产生的电流放大几百倍，并由放大后的电流值反向计算得到光强，同样利用光强-光压关系式即可计算出光压的大小。

[0010] 随着材料科学的研究发展，厚度在纳米量级的薄膜得已成功制备。如，应用李智睿在《纳米铝膜的非线性电阻效应》一文中所提到的真空蒸发法,可制成厚度在20nm的金属薄膜。

发明内容

[0011] 为了避免现有技术存在的不足，克服其设备需要使用声、温度、电子器件结构较为复杂的的问题，本发明提出一种基于重力的光压标定装置及标定方法；光压标定装置放置在真空舱内，消除空气对流的干扰,通过该标定装置及方法解决精度在百分之一微牛量级的光压标定问题。

[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括真空舱、标定平台、激光发射器、激光扩束器，所述真空舱上设置有密封舱盖，依真空舱竖直轴线两侧的舱壁上分别开有上下错位的两个入射口，激光发射器与激光扩束器连接，与真空舱舱壁上两入射口相对安装，且真空舱舱壁上的入射口与激光发射器、激光扩束器位于同一竖直平面内，真空舱舱壁上设有观测窗，标定平台固定在真空舱内中间部位；

[0013] 所述标定平台包括反射镜、纯铝薄膜、石英支撑面板、支架，石英支撑面板固定在支架上1/3部位，石英支撑面板上面中间放置有纯铝薄膜；所述反射镜为两块矩形薄板，表面镀银，两块反射镜分别位于石英支撑面板上方的支架顶部和石英支撑面板下方的支架上，两块反射镜镀银面相对平行安装，轴向可调，反射镜镀银面与真空舱入射口相对，且与激光扩束器位于同一轴线上；石英支撑面板、纯铝薄膜的中心与两块反射镜中心位于支架的中轴线上。

[0014] 一种采用所述基于重力的光压标定装置进行光压标定的方法,其特征在于包括以下步骤:

[0015] 步骤1.进行标定之前，采用三台绝对重力仪同时测量试验地的重力加速度值，取三次测量平均值，获得试验地的重力加速度的值；

[0016] 步骤2.将真空舱内部抽成真空，保持真空舱内部压强在1×10-5Pa；

[0017] 步骤3.开启两台激光发射器，激光束经安装在激光发射器上的激光扩束器后，光源透过真空舱舱壁上的入射口射进真空舱内,照射在反射镜上；

[0018] 步骤4.保持上方激光发射器的输出功率不变；以激光发射器输出功率可调的最小输出功率单位为步长,逐渐增大下方激光发射器的输出功率,当达到上下激光光压力差等于纯铝薄膜的重力临界点后，继续增大下方激光发射器的输出功率,纯铝薄膜开始向上运动从而脱离石英支撑面板；

[0019] 步骤5.调节上下两台激光发射器的输出功率，直至上下激光的光压力差等于纯铝薄膜的重力，使纯铝薄膜静止悬浮于空中；

[0020] 步骤6.由位移检测仪确定纯铝薄膜已静止悬浮于空中时，上下两束激光的光压力差Δp等于纯铝薄膜的重力，通过纯铝薄膜的重力标定了光压；标定完成。

[0021] 有益效果

[0022] 本发明提出的一种基于重力的光压标定装置及标定方法,标定平台放置在真空舱内，消除空气对流的干扰；高功率可调谐激光发射器与激光扩束器连接,激光发射器发射激光束，激光束经过安装在激光发射器上的激光扩束器后，作为面光源透过真空舱舱壁上的入射口进真空舱内。放置在真空舱内支架上的反射镜，将入射进真空舱内的激光束调整至竖直方向。经过反射镜调整后的下方竖直激光束透过石英支撑面板后,照射在放置在石英支撑面板上的金属薄膜的下表面，经过反射镜调整后的上方竖直激光束直接照射在金属薄膜的上表面。当金属薄膜静止悬浮在半空中，此时上下两束激光的光压力差等于金属薄膜的重力，即通过金属薄膜的重力标定了光压。

[0023] 本发明基于重力的光压标定装置,采用激光扩束器扩大高功率可调谐激光器所发射的激光束的照射面积，有效地制造了小型激光面光源。采用重力标定方式作为“标尺”，通过光压力平衡金属薄膜的重力的方法,实现在真空条件下标定精度为百分之一微牛的光压力。

附图说明

[0024] 下面结合附图和实施方式对本发明一种基于重力的光压标定装置及标定方法作进一步详细说明。

[0025] 图1为本发明基于重力的光压标定装置的真空舱及光源发射部位示意图。

[0026] 图2为本发明基于重力的光压标定装置示意图。

[0027] 图3为本发明的激光发射器及激光扩束器示意图。

[0028] 图4为本发明的标定平台示意图。

[0029] 图中:

[0030] 1.激光发射器 2.激光扩束器 3.反射镜 4.纯铝薄膜 5.石英支撑面板 6.支架 7.真空舱

具体实施方式

[0031] 本实施例是一种基于重力的光压标定装置及标定方法。

[0032] 参阅图1～图4，本实施例基于重力的光压标定装置由真空舱、标定平台、激光发射器、激光扩束器组成；标定平台放置在直径为3m，内部压强控制在1×10-5Pa的真空舱内。真空舱7上面设置有密封舱盖,依真空舱7竖直轴线两侧的舱壁上分别开有上下错位的两个入射口，激光发射器1与激光扩束器2连接，与真空舱舱壁上两入射口相对安装，且真空舱舱壁上的入射口与激光发射器1、激光扩束器2位于同一竖直平面内；高功率可调谐激光发射器1的输出功率范围为P＝80*120W，输出的激光波长为λ＝512nm，激光束的直径为3mm。所产生的激光束的照射直径经过激光扩束器2扩大10倍，并调整为准直状态后进入真空舱7内。因激光束的直径扩大了10倍，此时强度下降为原先的1/100。真空舱舱壁上设有观测窗。

[0033] 标定平台固定在真空舱7内中间部位；标定平台包括反射镜3、纯铝薄膜4、石英支撑面板5、支架6,石英支撑面板5固定在支架6上1/3部位,石英支撑面板5中间放置有纯铝薄膜4。反射镜3为两块矩形薄板,表面镀银,两块反射镜3分别位于石英支撑面板5上方的支架6顶部和石英支撑面板5下方的支架6上，两块反射镜3镀银面相对平行安装，轴向可调，反射镜3镀银面与真空舱入射口相对，且与激光扩束器2位于同一轴线上；进入真空舱内的激光束的方向照射在表面镀银的反射镜3上，调节上方入射激光至竖直向下方向，调节下方入射激光至竖直向上方向。下方的激光束透过由支架6固定的石英支撑面板5后照射在厚度为
20nm、直径d＝25.0mm的圆形纯铝薄膜4的下表面，上方的激光束直接照射在纯铝薄膜4的上表面。石英支撑面板5、纯铝薄膜4的中心与两块反射镜3的中心位于支架6的中轴线上。

[0034] 基于重力的光压标定装置，本实施例还提出一种进行光压标定的标定方法,其特征在于包括以下步骤:

[0035] 首先,在进行标定之前，采用三台绝对重力仪同时进行测量光压标定试验地的重力加速度值，测量三次试验地的重力加速度值，取平均值获得试验地的重力加速度的精确值。由于地质结构每时刻都在发生着变化，故而重力加速度的数值实际上随着时间会产生动态变化。因此，较为理想的方法是在试验地点处同时放置多台绝对重力仪，通过比较最终测得的读数得出该试验地重力加速度的精确值。此外，应当考虑每台绝对重力仪的系统偏差，采用多次测量取平均值的方法。

[0036] 然后，将真空舱内抽至成真空，内部压强保持在1×10-5Pa。同时开启两台高功率可调谐激光发射器，激光束经过安装在激光发射器上的激光扩束器扩大照射面积后，通过真空舱舱壁上的入射口入射至真空舱内。保持上方激光器的输出功率不变，以高功率可调谐激光器输出功率可调的最小输出功率单位为步长,逐渐增大下方激光器的输出功率。调节上下激光发射器的输出功率，当达到上下激光光压力差等于纯铝薄膜的重力临界点后，继续增大下方激光器的输出功率,使纯铝薄膜开始向上运动脱离石英支撑面板静止悬浮于空中。

[0037] 最终，由位移检测仪确定纯铝薄膜已静止悬浮于空中时，此时上下两束激光的光压力差Δp等于纯铝薄膜的重力，即通过纯铝薄膜的重力实现标定了光压。

[0038] 此外，改变纯铝薄膜的堆叠层数，即可标定与单层纯铝薄膜所能标定的光压大小呈整数倍的光压。

[0039] 本实施例中,使用两束激光分别照射在纯铝薄膜的上下表面,目的是为了避免纯铝薄膜因单面光照不均匀而产生表面变形或者发生转动。本实施例中所提出的基于重力标定光压的装置的标定最小刻度由相应的单张薄膜的重量确定。此处，圆形纯铝薄膜的密度ρ＝2700Kg/m3，厚度h＝20nm、直径d＝25.0mm，试验地的重力加速度g为9.832，那么,此纯铝薄膜的重量G为:

[0040] G＝mg＝ρShg＝2.70×103×3.14×(12.5×10-3)2×20.0×10-9×9.832＝0.261μN[0041] 由此可得出，采用厚度为20nm、直径为25.0mm的圆形纯铝薄膜，在当地重力加速度为9.832的情况下，可标定的最小光压力差为0.261μN；相应地，如若标定所需的上下光压力差为261μN，则对应布置1000张圆形纯铝薄膜即可。

[0042] 采用重力标定方式作为“标尺”，通过光压力平衡金属薄膜的重力的方法,实现在真空条件下标定精度为百分之一微牛的光压力。