[发明专利]多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法

摘要

多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法，它涉及一种测量微冲量的方法。它为解决现有激光外差法在测量微冲量时存在采集激光差频信号质量差和信号处理的运算速度慢的问题而提出。脉冲激光器发出脉冲激光激励工质靶产生等离子体喷射使标准梁的横梁转动；打开H0固体激光器和振镜的驱动电源，振镜在驱动电源作用下做简谐运动，并对不同时刻入射到振镜前表面的光频进行调制；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发出的信号，并对连续获得的所有信号进行处理，获得标准梁的横梁所受到的微冲量I；它具有采集的激光差频信号质量高和信号处理的运算速度快的突出优点。

主权项

多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法，它是采用基于扭摆法的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的系统实现的，所述系统包括H0固体激光器(10)、扭摆系统、四分之一波片(12)、振镜(13)、偏振分束镜PBS(11)、会聚透镜(15)、脉冲激光器(6)、平面标准镜(14)、光电探测器(2)和信号处理系统(1)；其中所述脉冲激光器(6)、H0固体激光器(10)、扭摆系统、四分之一波片(12)、振镜(13)、偏振分束镜PBS(11)、会聚透镜(15)和平面标准镜(14)位于真空室(4)内，该真空室(4)有一个真空窗(3)，所述扭摆系统由标准梁(8)、平面反射镜(9)和工质靶(7)组成；在标准梁(8)的横梁一个末端的平面上黏贴有平面反射镜(9)，与该平面反射镜(9)相对的该横梁的另一侧平面上对称固定有工质靶(7)，所述平面反射镜(9)的反射面与标准梁(8)的横梁的摆动方向垂直；该标准梁(8)处在水平的平衡状态下，所述工质靶(7)的靶面与脉冲激光器发射的激光束的光轴相垂直；H0固体激光器发射激光束至偏振分束镜PBS(11)的前表面，经该偏振分束镜PBS(11)的反射光束经四分之一波片(12)透射之后发射到振镜(13)的入射面，经振镜(13)反射后的反射光束再次经四分之一波片(12)透射之后发射至偏振分束镜，经该偏振分束镜透射之后入射至黏贴在标准梁(8)上的平面反射镜(9)的入射面，该平面反射镜(9)的反射光束以入射角θ0斜入射至平面标准镜(14)，该平面标准镜(14)的反射光经会聚透镜(15)透射后，经该真空室(4)的真空窗(3)聚焦到光电探测器(2)的光敏面上，光电探测器(2)输出电信号给信号处理系统(1)；所述信号处理系统(1)用于根据连续接收到的信号，获得标准梁(8)的横梁所受到的微冲量；其特征在于所述基于扭摆法的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法由以下步骤实现：首先，采用脉冲激光器(6)发出脉冲激光激励工质靶(7)，使该工质靶(7)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(8)的横梁转动；同时，打开H0固体激光器(10)和振镜(13)的驱动电源，振镜(13)在驱动电源作用下做简谐运动，并对不同时刻入射到振镜(13)前表面的光频进行调制；信号处理系统(1)在扭摆系统摆动过程中连续采集光电探测器(2)发出的信号，并对连续获得的所有信号进行处理，获得标准梁(8)的横梁所受到的微冲量I；所述标准梁(8)的横梁所受到的微冲量是根据标准梁(8)的横梁摆动角θ′获得的：冲量与转动角度的关系式为： I = 2 Jω D · θ ′ = 4 πJ DT · θ ′ 公式1式中，k＝4πJ/DT，其中，J为扭摆系统的转动惯量，T为该扭摆系统的阻尼周期，D为横梁长度，θ′为标准梁(8)的摆角；令k＝4πJ/DT，则所述微冲量为： I = k · θ ′ = k θ 0 2 公式2式中，θ0为激光入射角；所述标准梁(8)的摆角θ′是根据不同时刻获得的光电探测器(2)的信号，通过多光束激光外差二次谐波法获得的，具体过程为：由于激光在平面标准镜(14)前表面的反射光与平面标准镜(14)后表面反射k次和k+1次后的透射出玻璃前表面的光混频，产生两个幅度相差2～3个数量级的差频信号，所述方法中的二次谐频差为平面标准镜(14)后表面k次反射的Ek与平面标准镜(14)后表面k+2次反射后的Ek+1光混频所产生的；当激光以入射角θ0斜入射平面标准镜(14)前表面时的入射光场为E(t)＝Elexp(iω0t)，所述振镜(13)采用多普勒振镜；所述振镜(13)的简谐振动方程为x(t)＝x0cos(ωct)；所述振镜(13)的速度方程为v(t)＝‑ωcx0sin(ωct)；由于振镜(13)的运动，反射光的频率变为ω＝ω0(1‑2ωcx0sin(ωct)/c)，上述各式中参数ω0为激光角频率，参数x0为振镜(13)振动的振幅，参数ωc为振镜(13)的角频率，c为光速，t为时间；则t‑l/c时刻到达平面标准镜(14)前表面的反射光场为：E0(t)＝α0Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑l/c))/c)  公式3(t‑l/c)+ω0x0cos(ωc(t‑l/c))/c]}式中α0＝r，r为光从周围介质射入平面标准镜(14)前表面的反射系数，l为振镜(13)到平面标准镜(14)前表面之间的距离，El为振幅常数；经平面标准镜(14)前表面透射的光在不同时刻被平面标准镜(14)在其前表面和后表面之间被后表面连续反射m次，获得相应的透射出平面标准镜(14)前表面的m束透射光的光场分别为：E1(t)＝α1Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(l+2ndcosθ)/c))/c)(t‑(l+2ndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(l+2ndcosθ)/c))/c]}E2(t)＝α2Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(l+4ndcosθ)/c))/c)(t‑(l+4ndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(l+4ndcosθ)/c))/c]}E3(t)＝α3Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(l+6ndcosθ)/c))/c)(t‑(l+6ndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(l+6ndcosθ)/c))/c]}，公式4...Em(t)＝αmElexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(l+2mndcosθ)/c))/c)(t‑(l+2mndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(l+2mndcosθ)/c))/c]}其中，参数α1＝ββ’r’，...，αm＝ββ’r’(2m‑1)，β为平面标准镜(14)前表面的透射系数，β′为光透射出平面标准镜(14)时的透射系数，r′为平面标准镜(14)内部反射光在前后表面反射时的反射率，d为平面标准镜(14)的厚度，θ为平面标准镜(14)的折射角，下标m取值为0，1，2，......，n为平面标准镜(14)的折射率；光电探测器(2)接收到的总光场表示为：E(t)＝E0(t)+E1(t)+…+Em(t)公式5则光电探测器(2)输出的光电流表示为： I ′ = ηe hv 1 Z ∫ ∫ s 1 2 [ E 0 ( t ) + E 1 ( t ) + · · · + E m ( t ) + · · · ] [ E 0 ( t ) + E 1 ( t ) + · · · + E m ( t ) + · · · ] * ds 公式6其中，参数e为电子电量，参数Z为光电探测器(2)表面介质的本征阻抗，参数η为量子效率，参数S为光电探测器(2)光敏面的面积，参数h为普朗克常数，参数v为激光频率，*号表示复数共轭；整理得到激光外差二次谐波信号的中频电流为： I if = ηe 2 hv 1 Z ∫ ∫ s Σ p = 0 ∞ Σ j = p + 2 ∞ ( E p ( t ) E j * ( t ) + E p * ( t ) E j ( t ) ) ds 公式7将公式3和公式4代入公式7，最终结果为： I IF = ηe hv π Z E 0 2 Σ p = 0 m - 1 Σ j = 0 m - p α j + p α j cos [ 8 nd cos θω 0 ω c 2 x 0 c 2 t + 2 ω 0 x 0 c - 4 nd ω 0 cos θ c 公式8 - 8 nd cos θω 0 ω c 2 x 0 ( l + 2 pnd cos θ ) c 3 ] 忽略1/c3的小项之后简化为： I IF = ηe hv π Z E 0 2 Σ p = 0 m - 1 Σ j = 0 m - p α j + p α j cos ( 8 nd cos θω 0 ω c 2 x 0 c 2 t + 2 ω 0 x 0 - 4 nd ω 0 cos θ c ) 公式9其中，p和j均为非负整数；根据公式9，把激光外差二次谐波信号的频率记为： f = 8 nd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 / ( 2 π c 2 ) = 4 nd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 / ( π c 2 ) = K cos θ 公式10根据折射定律，平面标准镜(14)的折射角θ满足下面公式： θ = arcsin ( sin θ 0 n ) , 经计算获得平面标准镜(14)的激光入射角θ0的大小为：θ0＝arcsin(nsinθ)根据公式10和公式11得知，激光外差二次谐波信号的频率与平面标准镜14的激光入射角成反比，比例系数为： K = 4 nd ω 0 ω c 2 x 0 / ( π c 2 ) 公式12将公式11代入公式2中，得到冲量I与激光入射角θ0的关系式为： I = k θ 0 2 = k · arcsin ( n sin sθ ) 2 公式13进而获得冲量I。