[发明专利]多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置及方法

权利要求书

1.多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置，其特征是：它包括H₀固体激光器(1)、偏振分束镜PBS(2)、四分之一波片(3)、振镜(4)、平面反射镜(5)、待测厚玻璃板(6)、会聚透镜(7)、光电探测器(8)和信号处理系统(9)，

H₀固体激光器(1)发出的线偏振光经偏振分束镜PBS(2)反射后入射至四分之一波片(3)，经所述四分之一波片(3)透射后的光束入射至振镜(4)的光接收面，经所述振镜(4)反射的光束再次经四分之一波片(3)透射后发送至偏振分束镜PBS(2)，经该偏振分束镜PBS(2)透射后的光束入射至平面反射镜(5)的反射面，经该平面反射镜(5)反射后的光束入射至待测厚玻璃板(6)前表面，经该待测厚玻璃板(6)前表面透射的光束在该待测厚玻璃板(6)内，经该待测厚玻璃板(6)后表面与前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经该待测厚度玻璃板(6)的前表面透射之后与经该待测厚玻璃板(6)前表面反射后的光束均通过会聚透镜(7)汇聚至光电探测器(8)的光敏面上，所述光电探测器(8)输出电信号给信号处理系统(9)。

2.根据权利要求1所述的多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置，其特征在于所述信号处理系统(9)由滤波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模数转换器(A/D)和数字信号处理器(DSP)组成，所述滤波器(9-1)对接收到的光电探测器(8)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大器(9-2)，经前置放大器(9-2)放大之后的信号输出给模数转换器(A/D)，所述模数转换器(A/D)将转换后的数字信号发送给数字信号处理器(DSP)。

3.根据权利要求1或2所述的多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置，其特征在于所述振镜(4)为多普勒振镜，所述多普勒振镜的振动方程为：

x(t)=at22]]>

多普勒振镜的速度方程为：

v(t)＝at

式中a为振动加速度，c为光速，t为时间。

4.基于权利要求1的多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的方法，其特征是：它由以下步骤实现：

首先，打开振镜(4)的驱动电源使振镜(4)开始做匀加速振动；同时，打开激光器(1)；

然后通过信号处理系统(9)连续采集光电探测器(8)输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，根据频率与厚度的关系f＝Kd获得待测厚玻璃板(6)的厚度d：

d＝f/K，

式中f为激光外差信号的频率，K为激光外差信号的频率f与待测厚玻璃板(6)的厚度d的比例系数。

5.根据权利要求4所述的多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的方法，其特征在于通过信号处理系统(9)连续采集光电探测器(8)输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，获得待测厚玻璃板(6)的厚度d的过程是通过激光外差信号的频率f和比例系数K获得的，其具体过程为：

设定经该平面反射镜(5)反射后的光束入射至待测厚玻璃板(6)前表面的入射角为θ₀，此时待测厚玻璃板(6)的入射光场为：

E(t)＝E₀exp(iω₀t)

振镜(4)采用多普勒振镜，多普勒振镜的振动方程为：

x(t)=at22]]>

多普勒振镜的速度方程为：

v(t)＝at

由于振镜的运动，根据多普勒效应获得反射光的频率为：

ω=ω0(1+atc)]]>

式中ω₀为激光角频率，a为振动加速度，c为光速，t为时间，则t-l/c时刻到达玻璃前表面的反射光场为：

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

式中，α₁＝r，r为光从周围介质射入待测厚玻璃(6)时的反射率，l振镜(4)入射面到待测玻璃(6)前表面的光程，E₀振幅常数；

而经待测厚玻璃板(6)前表面透射的光在不同时刻被待测厚玻璃板(6)后表面进行m-1次反射，共获得待测厚玻璃板(6)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，α₂＝ββ’r’，...，α_m＝ββ’r’^(2m-3)，β为光从周围介质射入待测厚玻璃(6)时的透射率；r’为待测厚玻璃(6)后表面的反射率；β’为光透射出待测厚玻璃板(6)时的透射率，d为待测厚玻璃的厚度；m为正整数，n为待测厚玻璃板(6)内部的折射率，θ为光束光从周围介质入射待测厚度玻璃板(6)前表面时的折射角；

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；

整理获得二次谐波信号的中频电流为：

Iif=ηe2hv1Z∫∫SΣp=0∞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]]>

p和j为正整数；

则干涉信号的频率记为：

f＝8andω₀cosθ/(2πc²)＝4ancosθω₀/(πc²)＝Kd

则比例系数为：

K＝4anω₀cosθ/(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，获得两个中心频率的比值：

ζ＝cosθ

从而获得光束从周围介质入射待测厚度玻璃板6前表面时的折射角θ的值，从而获得K的值，最终获得待测厚玻璃6的厚度d。