多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法

摘要

多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法，涉及一种测量杨氏模量的方法。它解决了现有采用多光束激光外差测量杨氏模量的方法存在的由于激光外差拍频信号采集效果差、信号处理速度慢导致的测量精度较低的问题。它通过在光路中引入振镜，根据多普勒效应使不同时刻入射的光信号附加了一个光频，因此经过平面反射镜k次反射的光和k+2次反射光透过薄玻璃板后在满足干涉的条件下，产生多光束外差二次谐波信号，从而将待测信息成功地调制在中频外差二次谐波信号的频率差中。在测量样品杨氏模量的过程中，在频域得到了包含金属长度变化量的频率值，经信号解调后得到样品长度随砝码质量的变化量，计算可以获得样品的杨氏模量。本发明适用于测量杨氏模量。

主权项

多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法，它是基于多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置实现的，所述系统包括多光束激光外差测量距离的装置，它由H0固体激光器(1)、平面反射镜(6)、四分之一波片(3)、振镜(2)、振镜驱动电源、偏振分束镜(4)、会聚透镜(9)、薄玻璃板(5)、光电探测器(10)和信号处理系统组成，振镜驱动电源用于驱动振镜(2)振动；薄玻璃板(5)水平固定，该薄玻璃板(5)的正上方距离d处设置一块平面反射镜(6)，所述薄玻璃板(5)与平面反射镜(6)的反射面相对、且相互平行，H0固体激光器(1)、四分之一波片(3)、振镜(2)、偏振分束镜(4)、会聚透镜(9)、光电探测器(10)均位于薄玻璃板(5)的下方，所述H0固体激光器(1)发射激光束至偏振分束镜(4)的前表面，经该偏振分束镜(4)反射的光束经四分之一波片(3)透射之后发射到振镜(2)的入射面，经振镜(2)反射后的反射光束再次经四分之一波片(3)透射至偏振分束镜(4)，经所述偏振分束镜(4)透射之后入射至薄玻璃板(5)，该透射光束在该薄玻璃板(5)的入射面的入射角θ0小于90且大于等于0度；该透射光经该薄玻璃板(5)形成反射光束和透射光束，所述透光束经平面反射镜(6)反射的反射光束再次经薄玻璃板(5)透射之后入射至会聚透镜(9)，经该薄玻璃板(5)前表面反射形成的反射光束也入射至会聚透镜(9)，会聚透镜(9)将入射光束聚焦至光电探测器(10)的探测面上，光电探测器(10)的电信号输出端与滤波器(11)的信号输入端连接，滤波器(11)的信号输出端与前置放大器(12)的信号输入端连接，前置放大器(12)的信号输出端与A/D转换器(13)的信号输入端连接，所述A/D转换器(13)的信号输出端与DSP数字信号处理器(14)的信号输入端连接，所述DSP数字信号处理器(14)中固化有FFT算法，DSP数字信号处理器(14)根据接收到的信号解调后获得平面反射镜(6)和薄玻璃板(5)之间的距离；其特征是：多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法，它由以下步骤实现：步骤一、把一根长L，平均直径为r的待测金属丝(8)悬挂于固定支架上，所述待测金属丝(8)的下端与砝码(7)固定连接，所述砝码(7)在重力作用下，对待测金属丝(8)施加拉力F以使所述待测金属丝(8)产生内部应力；所述砝码(7)的底部与平面反射镜(6)的非反射面固定连接，使得待测金属丝(8)垂直于平面反射镜(6)的反射面，然后打开激光器(1)，并同时控制振镜驱动电源驱动振镜(2)开始振动；步骤二、信号处理系统采集光电探测器(10)输出的信号，获得薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间的距离参数，当平面反射镜(6)处于静止状态时，记录该距离参数；步骤三、增加砝码的质量m，步骤四、信号处理系统再次采集光电探测器(10)输出的信号，获得薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间的距离参数，当平面反射镜(6)处于静止状态时，记录该距离参数，步骤五、根据步骤二和四获得的两个距离参数，获得薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间距离的变化量Δd，该距离变化量Δd即为待测金属丝(8)在质量m的作用下的伸长量ΔL；根据胡克定律，获得待测金属丝的杨氏模量为： E = FL SΔL 式中，S为待测金属丝的截面积，S＝πr2/4；F为在伸长方向上的拉力，即为砝码重量mg；参数g为重力加速度；则，力F对应的杨氏模量为： E = 4 mgL πr 2 ΔL 步骤六、在待测金属丝的弹性限度内，多次增加砝码的质量m，每次增加砝码之后，执行步骤五获得一个距离参数，根据该距离参数和步骤二获得的距离参数获得相应的距离变化量，进而获得在力xmg作用下的杨氏模量，其中x＝1、2、3……；步骤二和步骤四中所述的获得距离参数的过程为：在振镜(2)的运动作用下，经振镜(2)反射的反射光的频率变为：ω＝ω0(1+at/c)，式中：ω0为激光角频率，a为振动加速度，c为光速；则t‑l/c时刻到达薄玻璃板(5)前表面并被该薄玻璃板(5)前表面反射的反射光的光场为： E 1 ( t ) = α 1 E 0 exp { i [ ω 0 ( 1 + a ( t - l / c ) c ) t + ω 0 a ( t - l / c ) 2 2 c ] } 参数l表示振镜(2)到薄玻璃板(5)前表面的距离；经薄玻璃板(5)前表面透射的光在不同时刻被平面反射镜(6)多次反射，其反射光的表达式分别为： E 2 ( t ) = α 2 E 0 exp { i [ ω 0 ( 1 + a t - l c - 2 nd cos θ c c ) t + ω 0 ( a ( t - l c - 2 nd cos θ c ) 2 2 + 2 nd cos θ ) c ] } ...... E j ( t ) = α j E 0 exp { i [ ω 0 ( 1 + a t - l c - 2 ( j - 1 ) nd cos θ c c ) t + ω 0 ( a ( t - l c - 2 ( j - 1 ) nd cos θ c ) 2 2 + 2 ( j - 1 ) nd cos θ ) c ] } 其中，α1＝r，α2＝ββ’r’，...，αj＝ββ’r’(2j‑3)，r为光从周围介质射入薄玻璃板(5)时的反射率，透射率为β，r’为平面反射镜(6)的反射率，薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间反射光射出薄玻璃板(5)时的透射率为β’，d为薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间的距离；j为非负整数；n为薄玻璃板和平面反射镜间介质的折射率；θ为入射光透过薄玻璃板后折射角；探测器接收到的总光场为：E(t)＝E1(t)+E2(t)+…+Ej(t)j表示探测器接收到的光束的个数；探测器输出的光电流表示为： I = ηe hv 1 Z ∫ ∫ D 1 2 [ E 1 ( t ) + E 2 ( t ) + · · · + E j ( t ) + · · · ] [ E 1 ( t ) + E 2 ( t ) + · · · + E j ( t ) + · · · ] * ds 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为光敏探测器(10)的探测面的面积，h为普朗克常数，v为激光频率；所述光电流信号经滤波器(11)滤波之后，滤除信号中的直流项，滤波器(11)输出的二次谐波信号的中频电流表示为： I if = ηe 2 hv 1 Z ∫ ∫ D Σ p = 1 ∞ Σ j = p + 2 ∞ ( E p ( t ) E j * ( t ) + E p * ( t ) E j ( t ) ) ds 把薄玻璃板(5)前表面的反射光场和平面反射镜的反射光场的表达式带入上式，该信号经DSP数字信号处理器内部的算法计算积分获得电流信号： I if = ηe hv π Z Σ p = 1 ∞ α p + 2 α p E 0 2 cos ( 8 ω 0 and cos θ c 2 t - 4 ω 0 nd cos θ c - 4 l ω 0 and cos θ c 3 - 8 pω 0 an 2 d 2 cos 2 θ c 3 ) 忽略1/c3的小项之后简化为： I if = ηe hv π Z E 0 2 cos ( 8 aω 0 nd cos θ c 2 t - 4 ω 0 nd cos θ c ) Σ p = 1 ∞ α p + 2 α p 其中，p为非负整数；将干涉信号的频率记为：f＝8andcosθω0/(2πc2)＝4andcosθω0/(πc2)＝Kd比例系数K为：K＝4ancosθω0/(πc2)光电探测器(10)输出的光电流表达式经傅里叶变换之后在频谱上获得二次谐波频率波峰，通过测量二次谐波频率，进而测出薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间的距离d。