[发明专利]基于线性调频多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的装置及方法

权利要求书

1.基于线性调频多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(1)、第一平面反射镜(2)、扭摆系统、脉冲激光器(6)、平面标准镜(7)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)和信号处理系统；

所述线性调频激光器(1)、第一平面反射镜(2)、扭摆系统、脉冲激光器(6)、平面标准镜(7)和会聚透镜(8)位于真空室(14)内，真空室(14)设置一个真空窗(15)；所述扭摆系统由标准梁(3)、第二平面反射镜(4)和工质靶(5)组成；在标准梁(3)的一个末端下表面上黏贴有第二平面反射镜(4)，标准梁(3)上表面与第二平面反射镜(4)对应位置固定工质靶(5)，标准梁(3)处在水平的平衡状态下，工质靶(5)的靶面与脉冲激光器(6)发射的激光束的光轴相垂直；

线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一平面反射镜(2)和第二平面反射镜(4)两次反射后，以θ₀角入射至平面标准镜(7)；经平面标准镜(7)前表面透射的光束在平面标准镜(7)内、经平面标准镜(7)的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜(7)的前表面透射之后与经平面标准镜(7)前表面反射后的光束均通过会聚透镜(8)、透过真空窗(15)会聚到真空室(14)外的光电探测器(9)的光敏面上；

光电探测器(9)输出电信号给信号处理系统；所述信号处理系统用于根据连续接收到的电信号，获得标准梁(3)所受到的微冲量。

2.根据权利要求1所述基于线性调频多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的装置，其特征在于，信号处理系统包括滤波器(10)、前置放大器(11)、A/D转换电路(12)和DSP微处理器(13)；

滤波器(10)的输入端与光电探测器(9)的电信号输出端相连；滤波器(10)的输出端与前置放大器(11)的输入端相连；前置放大器(11)的输出端与A/D转换电路(12)的模拟信号输入端相连；A/D转换电路(12)的数字信号输出端与DSP微处理器(13)的输入端相连。

3.基于权利要求2所述基于线性调频多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、同时打开线性调频激光器(1)和脉冲激光器(6)；

采用脉冲激光器(6)发出脉冲激光激励工质靶(5)，使工质靶(5)产生等离子体喷射，所产生的等离子喷射的反喷作用使标准梁(3)转动；

步骤二、信号处理系统在扭摆系统摆动过程中连续采集光电探测器(9)发出的电信号，并对连续获得的电信号进行处理，采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜(7)的入射角θ₀；

步骤三、标准梁(3)的摆角θ′按公式θ′＝θ₀/2获取；

步骤四、根据标准梁(3)的摆角θ′获取标准梁(3)所受到的微冲量I′；

I′=2JωD·θ′=4πJDT′·θ′]]>

式中，J为扭摆系统的转动惯量，T′为该扭摆系统的阻尼周期，D为标准梁(3)长度。

4.根据权利要求3所述基于线性调频多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的装置的方法，其特征在于，步骤二中采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜(7)的入射角θ₀的获取方法：

步骤二一、光电探测器(9)的光束的总光场E_Σ(t)：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)，m为大于或等于2的正整数；

其中：E₁(t)为光束经平面标准镜(7)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为光从周围介质射入平面标准镜(7)时的反射率；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)为在平面标准镜(7)的后表面和前表面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+4ω0cosθc]}...Em(t)=αmE0exp{i[ω0(t-l+2(m-1)ndcosθc)+k(t-l+2(m-1)ndcosθc)2+2ω0(m-1)ndcosθc]}]]>

其中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝ββ'γ'，α₃＝ββ'(γ')³，α_m＝ββ'(γ')^(2m-3)；式中的β为光从周围介质射入平面标准镜(7)时的透射率，β'为平面标准镜(7)前后表面多次反射光射出平面标准镜(7)时的透射率，γ'为平面标准镜(7)后表面的反射率；d为平面标准镜(7)的厚度，θ为折射角，n为平面标准镜(7)的折射率，l为到达平面标准镜(7)的光程；

步骤二二、光电探测器(9)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(9)表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器(9)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；

步骤二三、光电探测器(9)输出的光电流由滤波器(10)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(11)和A/D转换电路(12)后送入DSP微处理器(13)进行处理；

步骤二四、DSP微处理器(13)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，在平面标准镜(7)前后表面多次反射并从平面标准镜(7)透射出来的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光与入射平面标准镜(7)直接反射的光进行混频，则中频电流I_IF处理为：

IIF=ηehvπZE02Σp=2m-2αp+2αpcos(8kndcosθct-8kndcosθ(l+ndcosθ)c2);]]>

其中，p＝2,3,...,m-2；

步骤二五、对步骤二四获取的中频电流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：

f=8kndcosθ2πc=4kndcosθπc,]]>则可获取平面标准镜(7)的折射角θ；

步骤二六、根据折射定律，并按公式θ₀＝arcsin(nsinθ)获取入射至平面标准镜(7)的光束的入射角θ₀。