[发明专利]线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置及基于该装置的扭摆微冲量测量方法

权利要求书

1.线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(5)、第一平面反射镜(6)、第二平面反射镜(4)、平面标准镜(7)、标准梁(3)、真空室(11)、脉冲激光器(1)、工质靶(2)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)和信号处理系统(10)，

所述线性调频激光器(5)、第一平面反射镜(6)、第二平面反射镜(4)、平面标准镜(7)、标准梁(3)、脉冲激光器(1)、工质靶(2)和会聚透镜(8)均放置在真空室(11)内，

所述标准梁(3)的中心固定有旋转轴，

所述工质靶(2)黏贴在标准梁(3)的上表面，第二平面反射镜(4)黏贴在标准梁(3)的下表面，且工质靶(2)与第二平面反射镜(4)均位于标准梁(3)的同一端，

脉冲激光发射出的激光作用于工质靶(2)产生等离子喷射，反喷作用使标准梁(3)发生转动，在标准梁(3)发生转动的同时，线性调频激光器(5)持续发射出线性调频激光，线性调频激光经第一平面反射镜(6)和第二平面反射镜(4)反射后入射至平面标准镜(7)，平面标准镜(7)的前表面和后表面均对线性调频激光进行反射并通过会聚透镜(8)会聚到光电探测器(9)的光敏面上，光电探测器(9)的电信号输出端与信号处理系统(10)的电信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置，其特征在于，所述信号处理系统(10)包括滤波器(10-1)、前置放大器(10-2)、A/D转换器(10-3)和DSP(10-4)，滤波器(10-1)的电信号输入端作为信号处理系统(10)的电信号输入端与光电探测器(9)的电信号输出端连接，滤波器(10-1)的滤波信号输出端与前置放大器(10-2)的滤波信号输入端连接，前置放大器(10-2)的放大信号输出端与A/D转换器(10-3)的模拟信号输入端连接，A/D转换器(10-3)的数字信号输出端与DSP(10-4)的数字信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置，其特征在于，所述真空室(11)上开有真空窗，所述真空窗用于使真空室(11)内的光会聚至真空室(11)外部的光电探测器(9)光敏面上。

4.基于权利要求1或2所述的线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置的扭摆微冲量测量方法，其特征在于，它是由以下过程实现的：

将脉冲激光器(1)、线性调频激光器(5)、光电探测器(9)和信号处理系统(10)切换至工作状态，光电探测器(9)将接收到的光信号转换为电信号发送至信号处理系统(10)，信号处理系统(10)根据接收到的连续的电信号获得标准梁(3)的摆角θ′，

根据：

I′=2JωD·θ′=4πJDT′·θ′]]>      (公式一)，

获得脉冲激光器(1)发出的激光与工质靶(2)作用产生的微冲量I′，其中，J为扭摆系统的转动惯量，ω为阻尼频率，T′为阻尼周期，D为标准梁(3)长度，令k＝4πJ/DT′，则：

I′＝kiθ′     (公式二)。

5.根据权利要求4所述的基于线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置的扭摆微冲量测量方法，其特征在于，信号处理系统(10)根据接收到的连续的电信号获得标准梁(3)的摆角θ′是由以下过程实现的：

当线性调频激光器(5)持续发射的线性调频激光以入射角θ₀斜入射至平面标准镜(7)时，平面标准镜(7)的入射光场E(t)为：

E(t)＝E₀exp{i(ω₀t+k′t²)}     (公式三)，

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为入射光场角频率，i表示虚数，

设线性调频激光到达平面标准镜(7)前表面的光程为l，则t-l/c时刻线性调频激光到达平面标准镜(7)前表面的反射光场E₁(t)为：

E1(t)=α1E0exp{i[ω0(t-lc)+k′(t-lc)2]}]]>      (公式四)，

平面标准镜(7)前表面透射的光在不同时刻均被平面标准镜(7)的前表面和后表面进行多次反射和折射，每一次反射获得的反射光的光场为：

E2(t)=α2E0exp{i[ω0(t-l+2ndcosθc)+k′(t-2ndcosθ)2+2ω0ndcosθc]}E3(t)=α3E0exp{i[ω0(t-l+4ndcosθc)+k′(t-l+4ndcosθc)2+4ω0ndcosθc]}...Em=(t)=αmE0exp{i[ω0(t-l+2(m-1)ndcosθc)+k′(t-l+2(m-1)ndcosθc)2+2(m-1)ω0ndcosθc]}...]]>

(公式五)，

其中，m为非负整数，α₁＝r，α_m＝ββ′r′^(2m-3)(m≥2)，r为光从周围介质射入平面标准镜(7)时的反射率，β为光从周围介质射入平面标准镜(7)时的透射率，r′为平面标准镜(7)后表面的反射率，β′为光从平面标准镜(7)内部射入到周围介质时的透射率，d为平面标准镜(7)厚度，θ为折射角，n为平面标准镜(7)折射率，c为光速，

光电探测器(9)接收到的总光场E′(t)为：

E′(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)+...     (公式六)，

则光电探测器(9)输出的光电流I为：

I=ηehv1Z∫∫D12[E1(t)+E2(t)+...+Em(t)+...][E1(t)+E2(t)+...+Em(t)+...]*ds]]>     (公式七)，

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为激光频率，*号表示复数共轭，

根据公式七获得中频电流I_IF为：

IIF=ηe2hv1Z∫∫DΣp=0m-1Σj=0m-p(Ej(t)Ej+p*(t)+Ej*(t)Ej+p(t))ds]]>      (公式八)，

将公式四和公式五代入公式八中，整理得：

IIF=ηehvπZE02Σp=0m-1Σj=0m-pαj+pαjcos(4pk′ndcosθct-4pk′ndcosθ(l+ndcosθ)c2)]]>     (公式九)，

对公式九中的中频项频率差进行傅里叶变换，获得干涉信号的频率f_p为：

fp=2pk′ndcosθπc=Kpcosθ]]>     (公式十)，

从而获得折射角θ的值，其中K_p为比例系数，且

根据折射定律可知折射角θ与入射角θ₀的关系为：

θ₀＝arcsin(nsinθ)     (公式十一)，

根据入射光路几何关系可知入射角θ₀与标准梁(3)的摆角θ′的关系为：

θ′=θ02=arcsin(nsinθ)2]]>     (公式十二)，

将公式十二中获得的标准梁(3)的摆角θ′的值代入公式二中，获得脉冲激光器(1)发出的激光与工质靶(2)作用产生的微冲量I′。