[发明专利]线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置及方法

权利要求书

1.线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(1)、薄玻璃板(3)、第一平面反射镜(4)、待测金属线(5)、砝码(6)、会聚透镜(7)、光电探测器(8)和信号处理系统；

第一平面反射镜(4)的非反射面贴在砝码(6)的底部，且第一平面反射镜(4)的中心与砝码(6)的中心同轴；

待测金属线(5)的一端固定，待测金属线(5)的另一端与砝码(5)的顶端固定连接；

薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)平行；薄玻璃板(3)位于第一平面反射镜(4)的下方，且薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)之间的距离d为30mm；

线性调频激光器(1)发出的线性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)，经该薄玻璃板(3)透射之后的光束入射至第一平面反射镜(4)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间反复反射和透射多次，获得多束光，经薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间反复反射和透射之后的光束与薄玻璃板(3)前表面的反射光一起通过会聚透镜(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；信号处理系统用于处理数据从而获取金属线(5)长度变化前后薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d。

2.根据权利要求1所述线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，其特征在于，它还包括第二平面反射镜(2)；线性调频激光器(1)发出的线性偏振光经第二平面反射镜(2)反射后，再以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)。

3.根据权利要求1或2所述线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，其特征在于，图像处理系统包括滤波器(9)、前置放大器(10)、A/D转换电路(11)和DSP微处理器(12)；

滤波器(9)的输入端与光电探测器(8)的电信号输出端相连；滤波器(9)的输出端与前置放大器(10)的输入端相连；前置放大器(10)的输出端与A/D转换电路(11)的模拟信号输入端相连；A/D转换电路(11)的数字信号输出端与DSP微处理器(12)的输入端相连。

4.根据权利要求3所述线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属丝(5)的一端固定，另一端固定在底端贴有第一平面反射镜(4)的砝码(6)上，使金属线(5)处于铅直方向；

步骤二、打开线性调频激光器(1)，由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d；

薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离的变化量Δd等于金属线(5)的伸长量Δl；

步骤三、逐渐增加砝码(6)的质量m，记录砝码的质量m和金属线(5)的伸长量Δl；

步骤四、根据公式获取金属线(5)的伸长量Δl；

其中，Δl为金属线(5)在长度方向受砝码(6)的拉力F作用时金属线(5)的伸长量；F等于下端悬挂的砝码重量mg，S＝πr²/4，金属线(5)的长度和平均直径分别为l和r。

5.根据权利要求4所述的线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法，其特征在于，步骤二中所述的由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d的获取方法包括以下步骤：

步骤1、线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光以θ₀角入射至薄玻璃板(3)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)汇聚至光电探测器(8)的光敏面上；

步骤2、获取入射至光电探测器(8)的光束的总光场E_Σ(t)：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)+...；

其中：E₁(t)为光束经薄玻璃板(3)前表面反射后的反射光场，且按公式

E1(t)=α1E0exp{i[ω0(t-Lc)+k(t-Lc)2]}]]>获取；

上式中：α₁为系数，α₁＝γ，γ为薄玻璃板(3)的反射率；E₀为入射光场振幅；ω₀为入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且T′为调频周期，ΔF为调频带宽；c为光速；

E₂(t),...,E_m(t)为在薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间多次反射后获得多束反射光的反射光场：

E2(t)=α2E0exp{i[ω0(t-L+2ndcosθc)+k(t-L+2ndcosθc)2+2ω0ndcosθc]}E3(t)=α3E0exp{i[ω0(t-L+4ndcosθc)+k(t-L+4ndcosθc)2+4ω0ndcosθc]}···Em(t)=αmE0exp{i[ω0(t-L+2(m-1)ndcosθc)+k(t-L+2(m-1)ndcosθc)2+2(m-1)ω0ndcosθc]}]]>

其中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝β²γ'，α₃＝β²(γ')²γ，α_m＝β²(γ')^m-1γ^m-2；式中的β为薄玻璃板(3)的透射率，γ'为第一平面反射镜(4)的反射率，θ为入射光透射出薄玻璃板(3)后的折射角，n为薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间介质的折射率，n＝1，L为第二平面反射镜(2)到达薄玻璃板(3)的光程，m为大于等于2的正整数；

步骤3、光电探测器(8)的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：

I=ηehv1Z∫∫D12[E1(t)+E2(t)+···+Em(t)+···][E1(t)+E2(t)+···+Em(t)+···]*ds]]>

其中：e为电子电量，Z为光电探测器(8)表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器(8)光敏面的面积，h为普朗克常数，v为线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；

步骤4、光电探测器(8)输出的光电流由滤波器(9)滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器(10)和A/D转换电路(11)后送入DSP微处理器(12)进行处理；

步骤5、采用DSP微处理器(12)对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波测量法进行处理，在薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间多次反射并从薄玻璃板(3)透射出来的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光与薄玻璃板(3)直接反射的光进行混频，则中频电流I_IF处理为：

IIF=ηehvπZE02Σp=1∞αp+2αpcos(8kndcosθct-8kndcosθ(L+ndcosθ)c2);]]>

其中，p＝2,3,...,m-2；

步骤6、对步骤五获取的中频电流I_IF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；

根据中频电流I_IF公式可以获知，外差信号的频率f记为：

则可获取薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d；

线性调频多光束激光外差二次谐波信号的频率与薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d成正比，比例系数为