[发明专利]利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的方法

摘要

利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的方法，属光学领域。是为了解决现有的激光干涉法测量微小冲量的偶然误差较大，测量精度低的问题。线性调频激光器发出线偏振光经第一平面反射镜和第二平面反射镜两次反射后入射至平面标准镜；经平面标准镜的前表面透射的光束在平面标准镜内经平面标准镜的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜的前表面透射之后与经平面标准镜前表面反射后的光束均通过会聚透镜和透过真空窗会聚到真空室外的光电探测器的光敏面上；光电探测器输出电信号给信号处理系统；所述信号处理系统根据连续接收到的电信号获得标准梁所受到的微冲量。本发明适用于微冲量的测量。

主权项

利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的方法，其特征在于，该方法基于一种装置实现，该装置包括线性调频激光器(1)、第一平面反射镜(2)、扭摆系统、脉冲激光器(6)、平面标准镜(7)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)和信号处理系统；所述线性调频激光器(1)、第一平面反射镜(2)、扭摆系统、脉冲激光器(6)、平面标准镜(7)和会聚透镜(8)均位于真空室(14)内，真空室(14)上开有一个真空窗(15)；所述扭摆系统包括标准梁(3)、第二平面反射镜(4)和工质靶(5)；在标准梁(3)的一个末端下表面上黏贴有第二平面反射镜(4)，标准梁(3)上表面与第二平面反射镜(4)对应位置固定有工质靶(5)，标准梁(3)处在水平的平衡状态下，工质靶(5)的靶面垂直于脉冲激光器(6)发射的激光束的光轴；线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一平面反射镜(2)和第二平面反射镜(4)两次反射后，以θ0角入射至平面标准镜(7)；经平面标准镜(7)的前表面透射的光束在平面标准镜(7)内经平面标准镜(7)的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜(7)的前表面透射之后与经平面标准镜(7)前表面反射后的光束均通过会聚透镜(8)和透过真空窗(15)会聚到真空室(14)外的光电探测器(9)的光敏面上；光电探测器(9)输出电信号给信号处理系统；所述信号处理系统用于根据连续接收到的电信号，获得标准梁(3)所受到的微冲量；信号处理系统包括滤波器(10)、前置放大器(11)、A/D转换电路(12)和DSP微处理器(13)；滤波器(10)的输入端连接光电探测器(9)的电信号输出端；滤波器(10)的输出端连接前置放大器(11)的输入端；前置放大电路(11)的输出端连接A/D转换电路(12)的模拟信号输入端；A/D转换电路(12)的数字信号输出端连接DSP微处理器(13)的输入端；所述方法包括以下步骤：步骤一、同时打开线性调频激光器(1)和脉冲激光器(6)；采用脉冲激光器(6)发出脉冲激光激励工质靶(5)，使工质靶(5)产生等离子体喷射，所述工质靶(5)产生的等离子体喷射的反喷作用使标准梁(3)转动；步骤二、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(9)发出的电信号，并对连续获得的电信号进行处理，采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜(7)的入射角θ0；步骤三、标准梁(3)的摆角θ′按公式θ′＝θ0/2获取；步骤四、根据标准梁(3)的摆角θ′获取标准梁(3)所受到的微冲量I′，微冲量I′的计算公式如下：令则式中，J为扭摆系统的转动惯量，ω为阻尼频率，T′为该扭摆系统的阻尼周期，D为标准梁(3)长度；步骤二中采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜(7)的入射角θ0的获取方法：步骤二一、光电探测器(9)的光束的总光场EΣ(t)：EΣ(t)＝E1(t)+E2(t)+...+Em(t)；其中：E1(t)为光束经平面标准镜(7)前表面反射后的反射光场，且按公式获取；上式中：α1为系数，α1＝γ，γ为光从周围介质射入平面标准镜(7)时的反射率；E0为入射光场振幅；ω0为入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且T为调频周期，ΔF为调频带宽；c为光速；E2(t),...,Em(t)为在平面标准镜(7)的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光的反射光场；E2(t)=α2E0exp{i[ω0(t-l+2ndcosθc)+k(t-l+2ndcosθc)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+2ω0(m-1)ndcosθc]}]]>其中，α2,α3,...,αm均为系数，且α2＝ββ′γ′，α3＝ββ′(γ′)3，αm＝ββ′(γ′)(2m‑3)；式中的β为光从周围介质射入平面标准镜(7)时的透射率，β′为平面标准镜(7)前后表面多次反射光射出平面标准镜(7)时的透射率，γ′为平面标准镜(7)后表面的反射率；d为平面标准镜(7)的厚度，θ为折射角，n为平面标准镜(7)的折射率，l为到达平面标准镜(7)的光程，m为大于或等于2的正整数；步骤二二、光电探测器(9)的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：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为线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；步骤二三、光电探测器(9)输出的光电流由滤波器(10)滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器(11)和A/D转换电路(12)后送入DSP微处理器(13)进行处理；步骤二四、DSP微处理器(13)对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波测量法进行处理，在平面标准镜(7)前后表面多次反射并从平面标准镜(7)透射出来的光束中，只取第p‑1次和第p+1次透射出的光与入射平面标准镜(7)直接反射的光进行混频，则中频电流IIF处理为：其中，p＝2,3,...,m‑2；步骤二五、对步骤二四获取的中频电流IIF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；根据中频电流IIF公式可以获知，外差信号的频率f记为：步骤二六、采用线性调频多光束激光外差二次谐波法得到斜入射时线性调频多光束激光外差二次信号频谱第一个主峰的中心频率与正入射时曲线的中心频率的比值ζ，ζ＝cosθ；步骤二七、根据步骤二五中的ζ＝cosθ得到激光经平面标准镜后折射角θ的大小；再根据折射定律关系式获得入射角θ0的大小为：θ0＝arcsin[n sin(arccosζ)]。