[发明专利]基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置及方法

权利要求书

1.基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置，其特征是：它包括H₀固体激光器(2)、四分之一波片(12)、振镜(13)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS(11)、会聚透镜(10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射镜(6)、待测金属棒(15)、电热炉(14)、光电探测器(4)和信号处理系统(5)；

H₀固体激光器(2)发出的线偏振光经第一平面反射镜(3)反射之后入射至偏振分束镜PBS(11)，经该偏振分束镜PBS(11)反射后的光束经四分之一波片(12)透射后入射至振镜(13)的光接收面，经该振镜(13)反射的光束再次经四分之一波片(12)透射后发送至偏振分束镜PBS(11)，经该偏振分束镜PBS(11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9)，经该薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射镜(6)，该光束在相互平行的薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间反复反射和透射多次，获得多束经薄玻璃板(9)透射之后的光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光一起通过会聚透镜(10)汇聚至光电探测器(4)的光敏面上，所述光电探测器(4)输出电信号给信号处理系统(5)；薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间的距离为实数d；

所述第二平面反射镜(6)的非反射面中心与待测金属棒(15)的一端固定连接，所述待测金属棒(15)的整体位于电热炉(14)内。

2.根据权利要求1所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于温控仪(16)和温度采集装置，所述电热炉(14)的温控信号输入端与数显温控仪(16)的温控信号输出端连接；温度采集装置采集待测金属棒(15)的温度，所述温度采集装置的温度信号输出端与温控仪(16)的温度信号输入端连接。

3.根据权利要求2所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于温控仪(16)为数显温控仪。

4.根据权利要求2所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于温度采集装置为铂电阻。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于信号处理系统(5)由滤波电路(5-1)、前置放大电路(5-2)、模数转换电路(A/D)和数字信号处理器DSP组成，所述滤波电路(5-1)对接收到的光电探测器(4)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大电路(5-2)，经所述前置放大电路(5-2)放大之后的信号输出给模数转换电路(A/D)，所述模数转换电路(A/D)将转换后的信号发送给数字信号处理器DSP。

6.基于权利要求1的所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置的测量方法，其特征是：

首先，调制电热炉(14)的位置，使与待测金属棒(15)固定连接的第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9)相互平行，并使第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9)之间的距离d为15mm～20mm；

然后，采用电热炉(14)对待测金属棒(15)进行均匀加热，并打开振镜(13)的驱动电源使振镜(13)开始振动；同时，打开H₀固体激光器(2)；

最后，采集电热炉(14)内部的温度，读取并记录温度值，获得温度变化量ΔT，同时信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量，该距离变化量Δd即为待测金属棒(15)的长度变化量Δl；根据待测金属棒(15)的长度变化量Δl和电热炉(14)内部的温度值的变化量ΔT获得金属线膨胀系数α：

α=Δll0ΔT]]>

式中，l_o为待测金属棒(15)的初始长度。

7.根据权利要求6的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量方法，其特征在于信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量的过程为：

根据经该偏振分束镜PBS(11)透射后的光束斜入射至薄玻璃板(9)的入射角为θ0，此时的入射光场为：

E(t)＝E₀exp(iω₀t)

以及振镜(13)的振动方程：

x(t)＝a(t²/2)

和振镜(13)的速度方程：

v(t)＝at

获得振镜(13)的反射光的频率：

ω＝ω₀(1+at/c)

式中E₀为常数，i表示虚数，ω₀为激光角频率，a为振镜(13)的振动加速度，c为光速；

则在t-L/c时刻到达薄玻璃板前表面并被该表面反射的反射光的光场为：

E1(t)=α1E0exp{i[ω0(1+a(t-l/c)c)t+ω0a(t-L/c)22c]}]]>

公式中，L表示振镜(13)到薄玻璃板前表面(9)之间的距离，而经薄玻璃板透射的光在不同时刻被第二平面反射镜(6)的m-1次反射，共获得薄玻璃板的m-1束透射光的光场分别为：

E2(t)=α2E0exp{i[ω0(1+at-Lc-2ndcosθcc)t+ω0(a(t-Lc-2ndcosθc)22+2ndcosθ)c]}]]>

···]]>

···]]>

Em(t)=αmE0exp{i[ω0(1+at-Lc-2(m-1)ndcosθcc)t]]>

+ω0(a(t-Lc-2(m-1)ndcosθc)22+2(m-1)ndcosθ)c]}]]>

其中，α₁＝r，α₂＝ββ’r’，...，α_m＝ββ’r’^(2m-3)，r为光从周围介质射入薄玻璃板(9)时的反射率，β为光从周围介质射入薄玻璃板(9)时的透射率，r’为第二平面反射镜(6)的反射率，薄玻璃板(5)和第二平面反射镜(6)之间反射光射出薄玻璃板(5)时的透射率为β’；m为正整数，n为薄玻璃板(9)与平面反射镜(6)之间介质的折射率，θ为光透过薄玻璃板后表面时的折射角，由于忽略了薄玻璃板的厚度这里不考虑后表面的反射率和透射率；

光电探测器(4)接收到的总光场为：

E(t)＝E₁(t)+E₂(t)+…+E_m(t)

则光电探测器(4)输出的光电流为：

I=ηehv1Z∫∫S12[E1(t)+E2(t)+···+Em(t)+···][E1(t)+E2(t)+···+Em(t)+···]*ds]]>

其中，e为电子电量，Z为探测器表面介质的本征阻抗，η为量子效率，S为探测器光敏面的面积，h为普朗克常数，v为激光频率，*号表示复数共轭；

整理获得外差信号二次谐波的中频电流为：

Iif=ηe2hv1Z∫∫SΣp=1∞Σj=p+2∞(Ep(t)Ej*(t)+Ep*(t)Ej(t))ds]]>

将所有光场的公式代入上式，计算积分结果为：

Iif=ηehvπZΣp=1∞αp+2αpE02cos(8ω0andcosθc2t-4ω0ndcosθc-4lω0andcosθc3-8pω0an2d2cos2θc3)]]>

忽略1/c³的小项之后简化为：

Iif=ηehvπZE02cos(8aω0ndcosθc2t-4ω0ndcosθc)Σp=1∞αp+2αp]]>

这里，p和j为正整数；

则将干涉信号的频率记为：

f＝8andcosθω₀/(2πc²)＝4andcosθω₀/(πc²)＝Kd

则比例系数为：

K＝4ancosθω₀/(πc²)

光电探测器(4)输出的光电流表达式经傅里叶变换之后的多光束激光外差二次谐波信号频谱图中，获得斜入射时多光束激光外差二次谐波信号频谱的中心频率和正入射时理论曲线的中心频率的数值，这样，就能够得到的两个中心频率的比值：

ζ＝cosθ

从而获得激光经薄玻璃板(5)后折射角θ的大小，由于忽略薄玻璃板的厚度，根据折射定律获得入射角θ₀的大小，进而获得K的值，最终获得薄玻璃板和平面反射镜之间距离变化量Δd。