多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量金属线胀系数的测量装置及方法

摘要

多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量金属线胀系数的测量装置及方法，它涉及一种测量金属线胀系数的测量装置及方法；它为了解决现有激光外差测量法在测量金属线胀系数时存在采集到的激光差频信号质量和信号处理的运算速度均不理想的问题而提出。第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行；对待测金属棒均匀加热，同时，打开H0固体激光器；采集电热炉内部的温度，获得温度变化量，同时信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，获得第二平面反射镜和薄玻璃板后表面之间的距离变化量，通过该温度变化量和距离变化量获得金属线膨胀系数，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优点。

主权项

一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量金属线胀系数的测量方法，它基于多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量金属线胀系数的测量装置实现，所述测量装置包括H0固体激光器(2)、四分之一波片(12)、振镜(13)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS(11)、会聚透镜(10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射镜(6)、待测金属棒(15)、电热炉(14)、光电探测器(4)和信号处理系统(5)；H0固体激光器(2)发出的线偏振光经第一平面反射镜(3)反射之后入射至偏振分束镜PBS(11)，经该偏振分束镜PBS(11)反射后的光束经四分之一波片(12)透射后入射至振镜(13)的光接收面，经该振镜(13)反射的光束再次经四分之一波片(12)透射后发送至偏振分束镜PBS(11)，经该偏振分束镜PBS(11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9)，经该薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射镜(6)，该光束在相互平行的薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间反复反射和透射多次，获得多束经薄玻璃板(9)透射之后的光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光一起通过会聚透镜(10)汇聚至光电探测器(4)的光敏面上，所述光电探测器(4)输出电信号给信号处理系统(5)；薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间的距离为实数d；所述第二平面反射镜(6)的非反射面中心与待测金属棒(15)的一端固定连接，并且所述待测金属棒(15)的中心轴线垂直于所述第二平面反射镜(6)，所述待测金属棒(15)的整体位于电热炉(14)内；其特征在于：首先，调制电热炉(14)的位置，使与待测金属棒(15)固定连接的第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9)相互平行，并使第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9)之间的距离d为15mm～20mm；然后，采用电热炉(14)对待测金属棒(15)进行均匀加热，并打开振镜(13)的驱动电源使振镜(13)开始振动；同时，打开H0固体激光器(2)；在均匀加热的过程中，采集电热炉(14)内部的温度，读取并记录温度值，获得温度变化量ΔT，同时信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板(9)后表面之间的距离变化量，该距离变化量Δd即为待测金属棒(15)的长度变化量Δl；根据待测金属棒(15)的长度变化量Δl和电热炉(14)内部的温度值的变化量ΔT获得金属线膨胀系数α： α = Δl l 0 ΔT 式中，lo为待测金属棒(15)的初始长度；信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板(9)后表面之间的距离变化量的过程为：由于激光在薄玻璃板(9)前表面的反射光与第二平面反射镜(6)反射k次和k+1次后的透射出薄玻璃板(9)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，所述测量方法中的二次谐频差为薄玻璃板(9)后表面第k次反射的Ek与薄玻璃板(9)后表面k+2次反射后的Ek+2光混频所产生的；在不考虑薄玻璃板(9)自身厚度的情况下，当激光以入射角θ0斜入射薄玻璃板(9)前表面时的入射光场为E(t)＝Elexp(iω0t)；振镜(13)的简谐振动方程为x(t)＝x0cos(ωct)；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＝ωc(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时刻到达薄玻璃板(9)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，参数α0＝r，r为薄玻璃板(9)的反射系数；L为振镜(13)到不计厚度薄玻璃板(9)前表面的光程；El为振幅常数；经薄玻璃板(9)透射的光在不同时刻被第二平面反射镜(6)后表面多次反射并多次透射出薄玻璃板(9)的前表面，获得的多束透射光的光场分别为：E1(t)＝α1Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(L+2nd cosθ)/c))/c)(t‑(L+2ndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(L+2nd cosθ)/c))/c]}E2(t)＝α2Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(L+4nd cosθ)/c))/c)(t‑(L+4ndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(L+4nd cosθ)/c))/c]}E3(t)＝α3Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(L+6nd cosθ)/c))/c)(t‑(L+6ndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(L+6ndcosθ)/c))/c]}            公式4Em(t)＝αmElexp{i[ω0(1‑2ωcx0sin(ωc(t‑(L+2mnd cosθ)/c))/c)(t‑(L+2mndcosθ)/c)+ω0x0cos(ωc(t‑(L+2mnd cosθ)/c))/c]}其中，下标m的取值为0，1，2，......，n为薄玻璃板(9)和第二平面反射镜(6)之间介质的折射率，α1＝β2r′，......，αm＝β2r′mrm‑1，β为薄玻璃板(9)的透射系数，r′为第二平面反射镜(6)的反射系数，参数d为薄玻璃板(9)到第二平面反射镜(6)的距离，θ为入射光透过薄玻璃板(9)后的折射角，光电探测器(4)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(4)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(4)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(4)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中，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 θ ω 0 ω c 2 x 0 c 2 t + 2 ω 0 x 0 c - 4 ndω 0 cos θ c 公式8 - 8 nd cos θ ω 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 θ ω 0 ω c 2 x 0 c 2 t + 2 ω 0 x 0 - 4 ndω 0 cos θ c ) 公式9其中，参数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 πc 2 ) = 4 nd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 / ( πc 2 ) = Kd 公式10根据公式10得到，激光外差二次谐波信号的频率与薄玻璃板(9)与第二平面反射镜(6)之间的距离d成正比，比例系数为： K = 4 n cos θ ω 0 ω c 2 x 0 / ( πc 2 ) 公式11根据公式9得到变化量Δd。