CN119667815B - 一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置及方法，属于光镊技术领域。本发明将水平传播的单束激光反射并会聚形成竖直向上的光阱捕获微球，并通过反馈冷却技术使被悬浮微球能够在高真空下稳定悬浮；分别在悬浮微球上下两测放置一个电极板；在两个平行电极板上施加交流电压，根据微球XYZ三轴运动的功率谱密度信号以及电场强度幅值调节多轴位移台，从而控制平行电极板的姿态，使得平行电极板形成的电场是竖直的。本发明实现了高精度的电场倾斜检测与校正，操作简单方便，为更高精度的电场测量以及微弱力值计量提供了保障，具有广泛的应用场景。

Description

一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置及方法

技术领域

本发明涉及光镊技术领域，具体涉及一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置及方法。

背景技术

随着现代科技的进步，对nN级、pN级力的绝对量值准确计量已成为关注焦点，微小弱力的计量和溯源对于工业生产质量的保证以及学术研究都具有极其重要的作用，尤其是皮牛级微小力值计量技术的研究已被列为发展重点。

近些年，由于光学悬浮系统具有超高灵敏度和小型化潜力的特点，使得其在高精度极弱力传感方面具有独特的优势。据报道显示悬浮微球的力灵敏度达到了10^-21N/Hz^1/2量级，是目前能够实现最高精度测量质量、力、磁场等基础物理量的手段之一。

现有技术中也有很多利用光学悬浮系统对微小弱力进行计量的实际应用，例如专利CN117310832A，公开了一种单光束真空光阱的波分复用捕获及极弱力计量装置和方法，利用悬浮光力系统以及电场对微球所受重力进行计量；专利CN117331134A，公开了一种单光束真空光阱的光纤化捕获和计量装置及方法，利用光纤化将悬浮光力系统小型化，并对微球的重力进行计量与溯源；此外，有报道称在高真空中悬浮微球，并利用静电力-光力共悬浮技术，可以对微球的质量进行高精度的计量(Blakemore,Charles P.,et al."Precision mass and density measurement of individual optically levitatedmicrospheres."Physical Review Applied 12.2(2019):024037.)，不确定度可以达到1.8％。可见基于电场和光学悬浮系统的微弱力值计量的方法与装置在传感领域得到了广泛的应用。

但是μm尺度的微球重力一般在pN量级，通过电场力去标定其重力，需要保证电场力的方向和微球的重力方向一致。而现有的电场力标定方式，通常是在一组平行的电极板上施加已知频率、已知幅值的电压，从而在微球上产生电场力。但实际上，由于平行电极板的安装误差，使得电场方向和捕获激光光束的方向存在夹角，导致施加在微球上的电场力方向和微球的重力方向不是严格的一致，存在其他方向的电场分量，从而导致最后对微球的重力标定存在误差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置及方法，采用可在高真空中运行的竖直向上的单光束光学悬浮系统，利用光学悬浮系统捕获微米尺度的二氧化硅小球，并在捕获区域的上下位置放置一组平行的电极板，通过分析小球在平行电极板组产生的电场中的运动状态实现电场的倾斜检测与校正。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，包括：

激光器，其用于发射激光光束；

光功率稳定模块，其安装在激光光路上，用于对由激光器发射的激光进行光功率强度的稳定；

第一分束模块，其用于对稳定后的激光分为垂直的两束光，分别用于捕获并悬浮微球的捕获光束A和用于比较的捕获参考光束B，所述捕获光束A经过电场倾斜检测控制模块后进入信号检测处理模块，所述捕获参考光束B直接进入信号检测处理模块；

电场倾斜检测控制模块，其基于光学悬浮系统设计，包括信号发生器、真空腔室和位于真空腔室内的透镜组、反射镜、基于多轴位移台的姿态可调的平行电极板组件；所述的信号发生器连接平行电极板组件中的一对平行电极板，用于对平行电极板施加交流电压；从电场倾斜检测控制模块出射的光分为与出射光轴同轴的竖直光束和与出射光轴垂直的水平光束，分别进入激光竖直校正模块和信号检测处理模块；

激光竖直校正模块，其用于校正电场倾斜检测控制模块出射的竖直光束；

信号检测处理模块，其用于分析采集的捕获光束A和捕获参考光束B，解调出微球的XYZ三个方向的简谐运动的时域信号并输出XYZ三个方向运动的功率谱密度曲线，计算XYZ三个方向的电场强度幅值，根据功率谱密度曲线和电场强度幅值调整姿态可调的平行电极板组件，直至XYZ三个方向运动的功率谱密度曲线在所述交流电压的频率处不出现峰值且XYZ三个方向的电场强度幅值为零。

优选的，所述的光功率稳定模块包括第一声光调制器、第一分束镜、第一探测器和光强调制器，所述第一声光调制器接入激光器的光输出端，由激光器出射的激光经过声光调制器调制后再经过第一分束镜，其中由第一分束镜反射的光入射到第一探测器中，第一探测器、光强调制器、第一声光调制器通过信号线依次连接，透射经过第一分束镜的光传输至第一分束模块。

优选的，稳定功率后的激光依次经过第二声光调制器和第二分束镜，所述的第二声光调制器用于对稳定后的激光进行光强调制；透射经过第二分束镜的光作为捕获参考光束B，经过第二分束镜反射的光作为捕获光束A，所述捕获光束A经过振镜8后进入电场倾斜检测控制模块，所述振镜的俯仰角和偏转角可调。

优选的，所述的信号检测处理模块包括第二探测器及其相连的控制器，所述控制器还与第一分束模块中的第二声光调制器、振镜相连接；所述的第二探测器为四象限探测器。

优选的，所述的透镜组包括聚焦透镜和收集透镜，所述聚焦透镜位于真空腔室内的前端光路上，对进入电场倾斜检测控制模块的捕获光束A聚焦，聚焦后的捕获光束A再经过反射镜后进入平行电极板组件；收集透镜位于真空腔室内的后端光路上，对从平行电极板组件出射的光进行收集后再从真空腔室出射。

优选的，所述的姿态可调的平行电极板组件包括电极板固定架、固定在电极板固定架上的一对平行电极板、位于一对平行电极板之间的微球、以及用于调整电极板固定架位姿的多轴位移台；所处一对平行电极板垂直于光路设计。

优选的，所述的一对平行电极板之间的距离为4-25mm，上电极板与下电极板的中心位置均开设有供捕获光束通过的小孔，小孔的直径为2-5mm。

优选的，所述的激光竖直校正模块包括第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、液面镜、第二分光镜、平凸透镜和CMOS；从电场倾斜检测控制模块出射的捕获光束A经过第一分光镜一分为二，透射经过第二分光镜的竖直光束再经过第二分光镜透射形成液面光束C且反射形成液面参考光束D；所述的液面光束C经过第一角锥棱镜反射到与水平面平行的液面镜表面，再从液面镜表面反射依次经过第一角锥棱镜和第二分光镜返回，返回的液面光束C再被第二分光镜反射到平凸透镜，由平凸透镜聚焦到CMOS；所述的液面参考光束D经过第二角锥棱镜反射后，再透射经过第二分光镜并被平凸透镜聚焦到CMOS；所述的平凸透镜与水平面呈90°夹角，CMOS放置在平凸透镜的焦点位置处。

优选的，所述的微球带有电荷，材质为对激光透明的材质，直径为1-25um。

第二方面，本发明还提出一种应用于上述装置的电场倾斜检测与校正方法，根据微球XYZ三轴运动的功率谱密度信号以及电场强度幅值调节多轴位移台，从而控制平行电极板的姿态，使得平行电极板形成的电场是竖直的；方法包括：

1)开启激光器，调整振镜和电场倾斜检测控制模块中的反射镜，直至聚焦到激光竖直校正模块中的CMOS的液面光束C和液面参考光束D在成像的中心位置重合；在第一分束镜和第二分束镜之间放置一个挡光板，然后利用压电陶瓷起支方式，使微球在平行电极板组的上电极板和下电极板之间被捕获光束A捕获并悬浮；

2)信号检测处理模块中的第二探测器实时采集捕获光束A和捕获参考光束B的光信号并转成电信号后，并实时传输给控制器；

3)对电场倾斜检测控制模块中的真空腔室进行抽气处理，直至达到设定的真空度阈值为止；抽气过程中，控制器不断微调第二声光调制器以及振镜，使得微球稳定悬浮在平行电极板组件的中心区域；

4)给平行电极板施加一个频率为ω_dr、振幅为200-400V_pp的交流电压，从而在平行电极板之间形成交流电场，使得微球13在交流电场的作用下做简谐运动；控制器解调出微球的XYZ三个方向的简谐运动的时域信号并输出XYZ三个方向运动的功率谱密度曲线，计算XYZ三个方向的电场强度幅值；

若XY方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处未出现峰值，且XY方向的电场强度幅值为零，说明电场是竖直的；否则，说明电场是倾斜的，根据计算结果执行步骤5)，调整平行电极板组件的姿态：

5)仅X方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处存在峰值时，调整多轴位移台的X方向偏转角，直至X方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值消失，且X方向的电场强度幅值为零；

仅Y方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处存在峰值时，调整多轴位移台的Y方向偏转角，直至Y方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值消失，且Y方向的电场强度幅值为零；

XY方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处都存在峰值时，先调整多轴位移台的X方向偏转角，直至X方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值幅度无法继续减小；接着调整多轴位移台的Y方向偏转角，直至Y方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值幅度无法继续减小；交替调整多轴位移台的X方向偏转角和Y方向偏转角，直至XY方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处都不存在峰值，且XY方向的电场强度幅值为零。

本发明具备的有益效果是：

(1)本发明将水平传播的单束激光反射并会聚形成竖直向上的光阱捕获微球，并通过反馈冷却技术使被悬浮微球能够在高真空下稳定悬浮；分别在悬浮微球上下位置放置一组平行的电极板，通过分析小球在平行电极板组产生的电场中的运动状态，能够实现非常高精度的电场倾斜检测与校正，操作简单方便。

(2)本发明可以应用于现有的基于电场和光学悬浮的质量、密度、弱力等计量系统。在利用电场和光学悬浮系统实现质量、密度、极弱力和加速度等微小信号的测量装置中，电场的倾斜检测与校正能够保证电场矢量方向和所探测信号矢量的方向一致，使得测量结果更精确，不确定度更低。

附图说明

图1是本发明所采用的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置原理图；

其中：激光器1、第一声光调制器2、第一分束镜3、第一探测器4、光强调制器5、第二声光调制器6、第二分束镜7、振镜8、聚焦透镜9、反射镜10、平行电极板组11、电极板固定架12、微球13、多轴位移台14、收集透镜15、真空腔室16、信号发生器17、第一角锥棱镜18、第二角锥棱镜19、液面镜20、第二分光镜21、平凸透镜22、CMOS23、第二探测器24、控制器25、第一分光镜26；

图2是本发明利用基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置得到的电场在X方向存在倾斜与不存在倾斜时两种情况下的功率谱密度曲线；

图3是本发明利用基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置得到电场为竖直状态时的功率谱密度曲线；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示的一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其包含以下部分：

激光器1、第一声光调制器2、第一分束镜3、第一探测器4、光强调制器5、第二声光调制器6、第二分束镜7、振镜8、聚焦透镜9、反射镜10、平行电极板组11、电极板固定架12、微球13、多轴位移台14、收集透镜15、真空腔室16、信号发生器17、第一角锥棱镜18、第二角锥棱镜19、液面镜20、第二分光镜21、平凸透镜22、CMOS 23、第二探测器24、控制器25、第一分光镜26；第二探测器24为四象限探测器。

上述装置中，激光器1作为光源，出射的激光波长为1064nm，光功率为0-5W，在其激光出射口前方放置由第一声光调制器2、第一分束镜3、第一探测器4、光强调制器5组成的光功率稳定模块，用于对激光器1出射的激光进行光功率强度的稳定；所述第一声光调制器2接入激光器1的光输出端，由激光器1出射的激光经过声光调制器2调制后再经过第一分束镜3，第一探测器4对经过第一分束镜3反射的光解调成电压信号并通过信号线传输到光强调制器5中，光强调制器5对第一探测器4传输的信号进行分析与调制并反馈给声光调制器2，使得从激光器1出射的激光经过声光调制器2后功率波动的峰峰值减小；然后稳定功率后的激光依次经过第二声光调制器6和第二分束镜7，所述的第二声光调制器6用于对经过光功率稳定模块稳定功率后的激光进行光强调制；所述的第二分束镜7将光强调制后的激光反射形成用于捕获并悬浮微球13的捕获光束A且透射形成用于比较的捕获参考光束B；参考光束B直接输送到第二限探测器24中；捕获光束A经过角分辨率为0.004～0.1urad、扫描范围为±2°的振镜8反射后进入真空腔室16内。

所述的真空腔室16内沿着光路方向依次放置有一个焦距为20-100mm聚焦透镜、一个与水平面呈45°夹角的反射镜10，接着在反射镜10正上方放置一个距离4-20mm的平行电极板组11，平行电极板组的中心开设有2-5mm直径的小孔用于捕获光束A的传输，所述的平行电极板组11固定在一个电极板固定架12上，该电极板固定架12保证平行电极板组11的上电极板和下电极板平行，上电极板和下电极板连接信号发生器17；所述的电极板固定架12安装在一个多轴位移台14上，所述的多轴位移台14用于高精度控制平行电极板组11在真空腔室16内沿水平和竖直方向的位置移动，以及可以高精度控制平行电极板组11在水平面和竖直面内的旋转移动；本实施例中，多轴位移台14在水平和竖直方向移动量的重复定位精度为0.1～0.5um，角偏转量的重复定位精度为1-5urad；所述电极板固定架12上方放置有一个焦距为20-100mm的收集透镜15。

在上述的真空腔室16内，捕获光束A经过聚焦透镜9后被反射镜10反射后，穿过平行电极板组11的下电极板和上电极板的小孔中心，被收集透镜15收集后再从真空腔室16射出。从真空腔室16出射的捕获光束A经过一个与水平面呈45°的第一分光镜26，透射经过第一分光镜26的光再经过一个与水平面呈45°的第二分光镜21透射形成液面光束C且反射形成液面参考光束D；所述的液面光束C经过第一角锥棱镜18反射到与水平面平行的液面镜20表面，再从液面镜20表面反射依次经过第一角锥棱镜18和第二分光镜21返回，返回的液面光束C再被第二分光镜21反射到焦距为50-100mm的平凸透镜22，由平凸透镜22聚焦到200万-500万像素的CMOS23，此时透射经过第二分光镜21返回的液面光束无需处理；所述的液面参考光束D经过第二角锥棱镜19反射后，再透射经过第二分光镜21并被平凸透镜22聚焦到CMOS23，此时经过第二分光镜21反射返回的参考光束无需处理；所述的平凸透镜22与水平面呈90°夹角，CMOS23放置在平凸透镜22的焦点位置处；根据液面光束C和参考光束D在CMOS23上的成像位置调整振镜8和反射镜10的俯仰角和偏转角，直至液面光束C和液面参考光束D在CMOS23上的成像的中心位置重合，此时保证了捕获光束A经过反射镜10反射后是沿着竖直方向传播的。然后在第一分光镜26和第二分光镜21之间放置一个挡光板，阻挡透射经过第二分光镜21返回的液面光束以及经过第二分光镜反射返回的液面参考光束；然后利用压电陶瓷起支方式，使得微球13在平行电极板组的上电极板和下电极板之间被捕获光束A捕获并悬浮；

同时，从真空腔室16出射并经过第二分光镜26反射的捕获光束A直接传输到第二探测器24上，第二探测器24和控制器25通过信号线连接，且控制器25分别和第二声光调制器6以及振镜8通过信号线连接。

所述的第二探测器24采用四象限探测器，其用于接收捕获光束A的光信号以及捕获参考光束B的光信号，将其转换为相应的电信号后传输给控制器25；控制器25用于对所述第二探测器24传输的电信号进行分析比对，并根据比对结果调制声光调制器6的偏置电压从而调制捕获光束A的光功率，使得微球13在光阱区域内的光轴方向的位置不发生偏移；以及根据分析比对结果控制振镜8的俯仰角和偏转角，从而改变捕获光束A入射进真空腔室16内的XY方向的位置，使得微球13在光阱区域内的XY方向的位置不发生偏移。

基于上述电场倾斜检测与校正装置，提供了一种实现电场倾斜检测与校正方法，图2所示基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置检测得到的电场在X方向存在倾斜与不存在倾斜时两种情况下的功率谱密度曲线，该实施例中，施加在平行电极板组11的驱动电压频率ω_dr为71Hz，图2(a)中的功率谱密度曲线在驱动电压频率ω_dr处存在峰值，说明电场在X方向存在倾斜；图2(b)中的曲线在ω_dr处不存在峰值且X方向的电场强度为零，说明电场在X方向不存在倾斜。本发明方法主要包括如下步骤：

步骤S1，首先按照图1搭建基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，保证捕获光束A经过反射镜10反射后是沿着竖直方向传播后，利用一个挡光片放置在第一分光镜26和第二分光镜21之间；

步骤S2，通过压电陶瓷起支的方式，将微球13振动掉落，从而被捕获光束A在平行电极板组11之间形成的光阱捕获并稳定悬浮；

步骤S3，当微球13被光阱捕获之后，真空腔室16开始工作，直至真空度达到设定的阈值为止，在本实施例中，真空度阈值为1e-6mbar；在真空腔室工作的同时，第二限探测器24实时采集由捕获光束A和微球13形成的三维运动信号，和由捕获参考光束B形成的参考信号，实时一起传输到控制器25中进行分析；控制器25通过分析第二限探测器24传输的电信号，微调声光调制器6的偏置电压以及控制振镜8的俯仰角和偏转角，进而对微球13的竖直和水平方向进行运动冷却，从而实现微球13稳定悬浮在平行电极板组11的中心区域；由于微球在xy方向移动距离只有nm级别，所以该步骤对振镜的调节非常微小，忽略对光路竖直度的影响；

步骤S4，当微球13在设定的真空度阈值下稳定悬浮以后，向平行电极板组11施加频率为ωd_r，振幅为200-400V_pp的交流电压，平行电极板组之间会形成一个简谐振荡的电场E(t)＝E₀cos(ω_drt)，其中E₀为电场的振幅常数，因此微球会受到一个简谐振荡的电场力F_el(t)；那么微球在这个电场中的运动方程可以由如下公式所得(以X方向的运动方程为例)：

其中，m为微球的质量，x为微球在X方向的位移，Γ为微球受到的阻尼率，k为光阱的刚度，F_th(t)为微球受到的残余气体分子碰撞随机力，F_th(t)＝ση(t)，η(t)具有高斯概率分布，满足<η(t)η(t+t′)>＝δ(t′)，σ与阻尼通过涨落-耗散定理相关：其中kB为玻尔兹曼常数，T为热裕温度；F_el(t)为微球受到的电场力，F_el(t)＝F₀cos(ω_drt)，F₀＝Nq_eE₀，N为微球携带的元电荷数量，q_e为元电荷；

对上式进行傅里叶变化，可以得到：

S_x(ω)为单边功率谱密度，是热噪声导致的单边功率谱密度，是由对电场力驱动相应的单边功率谱密度，τ表示采样时间，ωω_x表示微球在光阱中X方向的运动谐振频率；

则微球在X方向的电场力幅值E_x可以表示为：

信号检测处理模块会将上述S_i(ω)、以及E_i，解调并输出到前端电脑界面显示，其中i＝x,y,z表示XYZ三个方向中的任一方向；

步骤S5，根据步骤S4中信号检测处理模块解调出来的结果分析，如果仅S_z(ω)在ω_dr频率处出现峰值，且S_x(ω)和S_y(ω)谱线上在ω_dr频率处未出现峰值时，以及E_x和E_y的电场强度幅值都为零，说明电场是竖直的，如图3所示，图3(a)～(c)分别表示电场竖直情况且在驱动电场频率为ω_dr时，微球13在X、Y、Z方向运动的功率谱密度曲线；反之，说明电场是倾斜的；

步骤S6，当步骤S4中仅S_x(ω)以及S_z(ω)谱线上在ωd_r频率处出现峰值时，说明电场是朝着X方向倾斜的，调整多轴位移台14的X方向偏转角，直至S_x(ω)谱线上在ω_dr频率处的峰值消失，且E_x的电场强度幅值为零；

步骤S7，当步骤S4中仅S_y(ω)以及S_z(ω)谱线上在ω_dr频率处出现峰值时，说明电场是朝着Y方向倾斜的，调整多轴位移台14的Y方向偏转角，直至S_y(ω)谱线上在ω_dr频率处的峰值消失，且E_y的电场强度幅值为零；

步骤S8，当步骤S4中S_x(ω)、S_y(ω)以及S_z(ω)的谱线上在ω_dr频率处都出现峰值时，说明电场是在XY方向都是倾斜的，先调整多轴位移台14的X方向偏转角，直至S_x(ω)谱线上在ω_dr频率处的峰值幅度无法继续减小；接着调整多轴位移台14的Y方向偏转角，直至S_y(ω)谱线上在ω_dr频率处的峰值幅度无法继续减小；

步骤S9，重复步骤S8中的操作，直至S_x(ω)、S_y(ω)在ω_dr频率处都不存在峰值，且E_x和E_y的电场强度幅值都为零；

本发明根据悬浮微球在简谐电场中的功率谱密度响应曲线以及探测到的电场幅值大小，判断电场是否倾斜并校正，操作简单方便。

本发明可以应用于现有的基于电场和光学悬浮的质量、密度、弱力等计量系统。在利用电场和光学悬浮系统实现质量、密度、极弱力和加速度等微小信号的测量装置中，电场的倾斜检测与校正能够保证电场矢量方向和所探测信号矢量的方向一致，使得测量结果更精确，不确定度更低。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，包括：

激光器(1)，其用于发射激光光束；

光功率稳定模块，其安装在激光光路上，用于对由激光器(1)发射的激光进行光功率强度的稳定；

第一分束模块，其用于对稳定后的激光分为垂直的两束光，分别用于捕获并悬浮微球(13)的捕获光束A和用于比较的捕获参考光束B，所述捕获光束A经过电场倾斜检测控制模块后进入信号检测处理模块，所述捕获参考光束B直接进入信号检测处理模块；

电场倾斜检测控制模块，其基于光学悬浮系统设计，包括信号发生器(17)、真空腔室(16)和位于真空腔室内的透镜组、反射镜(10)、基于多轴位移台(14)的姿态可调的平行电极板组件；所述的信号发生器(17)连接平行电极板组件中的一对平行电极板，用于对平行电极板施加交流电压；从电场倾斜检测控制模块出射的光分为与出射光轴同轴的竖直光束和与出射光轴垂直的水平光束，分别进入激光竖直校正模块和信号检测处理模块；

激光竖直校正模块，其用于校正电场倾斜检测控制模块出射的竖直光束；

信号检测处理模块，其用于分析采集的捕获光束A和捕获参考光束B，解调出微球(13)的XYZ三个方向的简谐运动的时域信号并输出XYZ三个方向运动的功率谱密度曲线，计算XYZ三个方向的电场强度幅值，根据功率谱密度曲线和电场强度幅值调整姿态可调的平行电极板组件，直至XYZ三个方向运动的功率谱密度曲线在所述交流电压的频率处不出现峰值且XYZ三个方向的电场强度幅值为零。

2.根据权利要求1所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的光功率稳定模块包括第一声光调制器(2)、第一分束镜(3)、第一探测器(4)和光强调制器(5)，所述第一声光调制器(2)接入激光器(1)的光输出端，由激光器(1)出射的激光经过声光调制器(2)调制后再经过第一分束镜(3)，其中由第一分束镜(3)反射的光入射到第一探测器(4)中，第一探测器(4)、光强调制器(5)、第一声光调制器(2)通过信号线依次连接，透射经过第一分束镜(3)的光传输至第一分束模块。

3.根据权利要求1所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的第一分束模块包括第二声光调制器(6)、第二分束镜(7)和振镜(8)，稳定后的激光依次经过第二声光调制器(6)和第二分束镜(7)，所述的第二声光调制器(6)用于对稳定后的激光进行光强调制；透射经过第二分束镜(7)的光作为捕获参考光束B，经过第二分束镜(7)反射的光作为捕获光束A，所述捕获光束A经过振镜(8)后进入电场倾斜检测控制模块，所述振镜(8)的俯仰角和偏转角可调。

4.根据权利要求3所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的信号检测处理模块包括第二探测器(24)及其相连的控制器(25)，所述控制器(25)还与第一分束模块中的第二声光调制器(6)、振镜(8)相连接；所述的第二探测器(24)为四象限探测器。

5.根据权利要求1所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的透镜组包括聚焦透镜(9)和收集透镜(15)，所述聚焦透镜(9)位于真空腔室(16)内的前端光路上，对进入电场倾斜检测控制模块的捕获光束A聚焦，聚焦后的捕获光束A再经过反射镜(10)后进入平行电极板组件；收集透镜(15)位于真空腔室(16)内的后端光路上，对从平行电极板组件出射的光进行收集后再从真空腔室(16)出射。

6.根据权利要求1所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的姿态可调的平行电极板组件包括电极板固定架(12)、固定在电极板固定架(12)上的一对平行电极板、位于一对平行电极板之间的微球(13)、以及用于调整电极板固定架(12)位姿的多轴位移台(14)；所述一对平行电极板垂直于光路设计。

7.根据权利要求6所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的一对平行电极板之间的距离为4-25mm，上电极板与下电极板的中心位置均开设有供捕获光束通过的小孔，小孔的直径为2-5mm。

8.根据权利要求4所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的激光竖直校正模块包括第一角锥棱镜(18)、第二角锥棱镜(19)、液面镜(20)、第二分光镜(21)、平凸透镜(22)和CMOS(23)；从电场倾斜检测控制模块出射的捕获光束A经过第一分光镜(26)一分为二，透射经过第二分光镜(26)的竖直光束再经过第二分光镜(21)透射形成液面光束C且反射形成液面参考光束D；所述的液面光束C经过第一角锥棱镜(18)反射到与水平面平行的液面镜(20)表面，再从液面镜(20)表面反射依次经过第一角锥棱镜(18)和第二分光镜(21)返回，返回的液面光束C再被第二分光镜(21)反射到平凸透镜(22)，由平凸透镜(22)聚焦到CMOS(23)；所述的液面参考光束D经过第二角锥棱镜(19)反射后，再透射经过第二分光镜(21)并被平凸透镜(22)聚焦到CMOS(23)；所述的平凸透镜(22)与水平面呈90°夹角，CMOS(23)放置在平凸透镜(22)的焦点位置处。

9.根据权利要求1所述的基于光学悬浮系统的电场倾斜检测与校正装置，其特征在于，所述的微球(13)带有电荷，材质为对激光透明的材质，直径为1-25um。

10.一种应用于权利要求8所述装置的电场倾斜检测与校正方法，其特征在于，包括：

1)开启激光器(1)，调整振镜(8)和电场倾斜检测控制模块中的反射镜(10)，直至聚焦到激光竖直校正模块中的CMOS(23)的液面光束C和液面参考光束D在成像的中心位置重合；之后在第一分束镜(26)和第二分束镜(21)之间放置一块挡光板，利用压电陶瓷起支方式，使微球(13)在平行电极板组(11)的上电极板和下电极板之间被捕获光束A捕获并悬浮；

2)信号检测处理模块中的第二探测器(24)实时采集捕获光束A和捕获参考光束B的光信号并转成电信号后，并实时传输给控制器(25)；

3)对电场倾斜检测控制模块中的真空腔室(16)进行抽气处理，直至达到设定的真空度阈值为止；抽气过程中，控制器(25)不断微调第二声光调制器(6)以及振镜(8)，使得微球(13)稳定悬浮在平行电极板组件的中心区域；

4)给平行电极板施加一个频率为ω_dr、振幅为200-400V_pp的交流电压，从而在平行电极板之间形成交流电场，使得微球(13)在交流电场的作用下做简谐运动；控制器(25)解调出微球(13)的XYZ三个方向的简谐运动的时域信号并输出XYZ三个方向运动的功率谱密度曲线，计算XYZ三个方向的电场强度幅值；

若XY方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处未出现峰值，且XY方向的电场强度幅值为零，说明电场是竖直的；否则，说明电场是倾斜的，根据计算结果执行步骤5)，调整平行电极板组件的姿态：

5)仅X方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处存在峰值时，调整多轴位移台(14)的X方向偏转角，直至X方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值消失，且X方向的电场强度幅值为零；

仅Y方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处存在峰值时，调整多轴位移台(14)的Y方向偏转角，直至Y方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值消失，且Y方向的电场强度幅值为零；

XY方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处都存在峰值时，先调整多轴位移台(14)的X方向偏转角，直至X方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值幅度无法继续减小；接着调整多轴位移台(14)的Y方向偏转角，直至Y方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处的峰值幅度无法继续减小；交替调整多轴位移台(14)的X方向偏转角和Y方向偏转角，直至XY方向的功率谱密度曲线在ω_dr频率处都不存在峰值，且XY方向的电场强度幅值为零。