线性调频双光束激光外差测量入射角度的方法

摘要

线性调频双光束激光外差测量入射角度的方法，涉及工程领域。本发明是为了解决现有的角度测量方法需要动镜的方向信息，使得信号的解调和调制复杂，并且测量精度低的问题。本发明所述的该方法是基于下列装置实现的，所述装置包括线性调频激光器、第一反射镜、第二反射镜、会聚透镜、平面标准镜、光电探测器和信号处理系统，在测量过程中，信号处理系统接收光电探测器发出的光电流I，并对光电流I进行处理，采用傅里叶变换获得该光电流I中的外差信号频率f_IF，由折射定律获得折射角θ和待测激光入射角θ0之间的关系，进而获得待测的激光入射角θ₀。它可用于激光雷达、机械、仪器仪表和电子产品制造业中。

主权项

线性调频双光束激光外差测量入射角度的方法，该方法是基于下列装置实现的，所述装置包括线性调频激光器(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、会聚透镜(5)、平面标准镜(4)、光电探测器(6)和信号处理系统(7)，所述线性调频激光器(1)发出的线性调频偏振光经第一反射镜(2)反射后入射到第二反射镜(3)，经第二反射镜(3)反射后的光束以入射角θ₀斜入射到平面标准镜(4)的前表面，平面标准镜(4)前表面将该激光分束成一号反射光和折射光，平面标准镜(4)前表面将该折射光折射至平面标准镜(4)的后表面，该折射光经该平面标准镜(4)的后表面与前表面多次反射后获得多束二号反射光，该多束二号反射光经该平面标准镜(4)的前表面透射之后，与一号反射光通过会聚透镜(5)汇聚至光电探测器(6)的光敏面上，所述光电探测器(6)输出电信号给信号处理系统(7)，其特征在于，基于上述装置的线性调频双光束激光外差测量角度的方法为：线性调频激光器(1)以入射角θ₀斜入射至平面标准镜(5)前表面时的入射光场为：E(t)＝E₀exp{i(ω₀t+kt²)}       (公式1)其中，为调频带宽的变化率，T为调频周期，△F为调频带宽，E₀为入射光场振幅，t为时间，ω₀为光场角频率，i表示虚数，线性调频激光器发出的线性调频偏振光到达平面标准镜前表面的光程为l，则t‑l/c时刻到达平面标准镜前表面的反射光场为：$E_1\left(t\right)=\alpha E_0\exp \left\{i\right[{\omega }_0(t-\frac{l}{c})+k{(t-\frac{l}{c})}^2\left]\right\}$       (公式2)同一时刻经过平面标准镜后表面反射后透射出前表面的光场表达式为：$E_2\left(t\right)={\mathrm{\alpha \alpha }}_1^2{E}_0\exp \left\{i\right[{\omega }_0(t-\frac{l+2\mathrm{nd}\cos \theta }{c})+k{(t-\frac{l+2\mathrm{nd}\cos \theta }{c})}^2+\frac{2{\omega }_0\mathrm{nd}\cos \theta }{c}\left]\right\}$ (公式3)其中，α和α₁分别为平面标准镜的反射系数和透射系数，d为平面标准镜厚度，θ为入射光折射角，n为平面标准镜折射率，c为光速，光电探测器接收到的总光场表示为：E′(t)＝E₁(t)+E₂(t)    (公式4)则光电探测器输出的光电流表示为：$\begin{array}{c}I=\frac{\mathrm{\eta e}}{\mathrm{hv}}\frac{1}{Z}\underset{D}{\int \int }\frac{1}{2}[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)]{[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)]}^{*}\mathrm{ds}\\ =\frac{\mathrm{\eta e}}{2\mathrm{hv}}\frac{1}{Z}\underset{D}{\int \int }[E_1^2\left(t\right)+E_2^2\left(t\right)+(E_1\left(t\right){E_2}^{*}\left(t\right)+{E_1}^{*}\left(t\right)E_2\left(t\right))]\mathrm{ds}\end{array}$   (公式5)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，D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，直流项经过低通滤波器滤除后，对公式5进行整理获得只含交流项的中频电流为：$I_{\mathrm{IF}}=\frac{\mathrm{\eta e}}{2\mathrm{hv}}\frac{1}{Z}\underset{D}{\int \int }\left[(E_1\left(t\right){E_2}^{*}\left(t\right)+{E_1}^{*}\left(t\right)E_2\left(t\right))\right]\mathrm{ds}$     (公式6)将(公式2)和(公式3)代入(公式6)，获得计算结果为：$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{IF}}=\frac{\mathrm{\eta e}}{\mathrm{hv}}\frac{\pi }{Z}{E}_0^2{\alpha }^2{\alpha }_1^2\cos \left\{\right[{\omega }_0(t-\frac{l}{c})+k{(t-\frac{l}{c})}^2]-\\ [{\omega }_0(t-\frac{l+2\mathrm{nd}\cos \theta }{c})+k{(t-\frac{l+2\mathrm{nd}\cos \theta }{c})}^2+\frac{2{\omega }_0\mathrm{nd}\cos \theta }{c}\\ =\frac{\mathrm{\eta e}}{\mathrm{hv}}\frac{\pi }{Z}{E}_0^2{\alpha }^2{\alpha }_1^2\cos (\frac{4\mathrm{knd}\cos \theta }{c}t-\frac{4\mathrm{knd}\cos \theta (l+\mathrm{nd}\cos \theta )}{c^2})\end{array}\left]\right\}$ (公式7)信号处理系统(7)接收光电探测器(6)发出的光电流I，并对光电流I进行处理，采用傅里叶变换获得该光电流I中的外差信号频率f_IF，所述外差信号频率f_IF与线性调频激光器(1)入射到平面标准镜(4)前表面后的折射角θ之间的关系式为：$f_{\mathrm{IF}}=\frac{2\mathrm{knd}\cos \theta }{\mathrm{\pi c}}=K\cos \theta$      (公式8)式中，K为比例系数，该比例系数根据公式：$K=\frac{2\mathrm{knd}}{\mathrm{\pi c}}$  (公式10)计算获得，由折射定律获得折射角θ和待测激光入射角θ₀之间的关系为：$\cos \theta =\cos \left[\arcsin \left(\frac{\sin {\theta }_0}{n}\right)\right]$   (公式9)进而获得待测的激光入射角θ₀。