[发明专利]线性调频多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法

摘要

线性调频多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法，涉及超精密测量领域。它为了解决现有测定磁致伸缩系数的方法测量精度低的问题。本发明的调整架用于固定待测铁磁体，二号平面反射镜用于固定在待测铁磁体的一个端面，薄玻璃板与二号平面反射镜平行设置；线性调频激光器发出的激光入射至薄玻璃板的表面，经所述薄玻璃板透射后的激光入射至二号平面反射镜，经所述薄玻璃板反射后的激光通过会聚透镜聚焦到光电探测器的光敏面上。本发明将待测铁磁体长度变化量调制在中频外差信号的频率差中，通过测量该频率差即可同时得到多个待测铁磁体长度变化量，测量误差仅为0.08％。本发明适用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统等。

主权项

线性调频多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法，其特征在于：该方法是基于一种装置实现的，所述装置包括线性调频激光器(1)、二号平面反射镜(3)、薄玻璃板(4)、会聚透镜(5)、光电探测器(6)、激磁线圈(8)和直流电源(E)；激磁线圈(8)的两端分别连接直流电源(E)的正极和负极，待测铁磁体(10)位于激磁线圈(8)的中心，二号平面反射镜(3)用于固定在待测铁磁体(10)的一个端面，该端面与激磁线圈(8)的端面平行，薄玻璃板(4)与所述的二号平面反射镜(3)平行设置；线性调频激光器(1)发出的激光入射至薄玻璃板(4)的表面，经所述薄玻璃板(4)透射后的激光入射至二号平面反射镜(3)，并在二号平面反射镜(3)与薄玻璃板(4)之间多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经薄玻璃板(4)透射之后通过会聚透镜(5)聚焦到光电探测器(6)的光敏面上；该方法包括以下步骤：步骤一、测量直流电源(E)输出的电压值U和光电探测器(6)输出的电信号的频率波峰f1至fp，p为正整数；步骤二、计算薄玻璃板(4)与二号平面反射镜(3)的间距d，其中，步骤三、采用与步骤一和步骤二同样的方法，计算U＝0时，薄玻璃板(4)与二号平面反射镜(3)的间距d0；步骤四、根据公式计算待测铁磁体(10)的磁致伸缩系数α，△l＝△d＝d0‑d；其中，l为激磁线圈(8)未通电时待测铁磁体(10)的长度，该长度方向为激磁线圈(8)通电时待测铁磁体(10)内的磁场方向，Δl为通电后l的增量，θ为入射光透射出薄玻璃板(4)后的折射角，k为调频带宽的变化率，c为光速，n为薄玻璃板(4)与二号平面反射镜(3)之间介质的折射率；比例系数Kq的获得方法为：在不考虑薄玻璃板自身厚度的情况下，经线性调频后的激光以入射角θ0斜入射时，假设入射光场的数学表达式为：E(t)＝E0exp{i(ω0t+kt2)}      (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，若到达薄玻璃板前表面的光程为L，则t‑L/c时刻到达薄玻璃板前表面的反射光场为：E1(t)=α1E0exp{i[ω0(t-Lc)+k(t-Lc)2]}---(2)]]>其中，α1＝r，r为薄玻璃板(4)的反射率，而经薄玻璃板(4)透射的光在不同时刻被二号平面反射镜(3)多次反射并透射出薄玻璃板(4)，其透射光的表达式分别写成如下形式：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+2(m-1)ω0ndcosθc]}---(3)]]>其中，α2＝β2r′，…，αm＝β2r′m‑1rm‑2，β为薄玻璃板(4)的透射率，r′为二号平面反射镜(3)的反射率，d为薄玻璃板(4)和二号平面反射镜(3)之间的距离，θ为入射光透射出薄玻璃板(4)后的折射角，n为薄玻璃板(4)与二号平面反射镜(3)之间介质的折射率，下标m的取值为2，3，4，……，由于忽略了薄玻璃板(4)的厚度，因此不考虑薄玻璃板(4)后表面的影响，这样，光电探测器(6)接收到的总光场表示为：E′(t)＝E1(t)+E2(t)+…+Em(t)+…     (4)则光电探测器(6)输出的光电流表示为：I=ηehv1Z∫∫S12[E1(t)+E2(t)+...+Em(t)+...][E1(t)+E2(t)+...+Em(t)+...]*ds---(5)]]>其中，e为电子电量，Z为光电探测器(6)表面介质的本征阻抗，η为量子效率，S为光电探测器(6)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，光电探测器(6)探测到的光信号即为外差信号，经光电探测器(6)转换为电信号，该电信号中的直流项通过低通滤波器滤除，因此，这里只考虑交流项，此交流项通常称为中频电流，整理可得线性调频激光外差信号的中频电流为：IIF=ηe2hv1Z∫∫SΣp=1m-1Σj=1m-p(Ej(t)Ej+p*(t)+Ej*(t)Ej+p(t))ds---(6)]]>将(2)式和(3)式代入(6)式，最终结果为：IIF=ηehvπZE02Σp=1m-1Σj=1m-pαj+pαjcos(4pkndcosθct-4pkndcosθ(L+ndcosθ)c2)---(7)]]>其中，p和j均为非负整数，把线性调频多光束激光外差信号的频率记为：fp=2pkndcosθπc=Kpd---(8)]]>根据(8)式可知，中频电流的频率与薄玻璃板(4)和二号平面反射镜(3)之间距离d成正比，比例系数为：Kp=2pkncosθπc---(9)]]>对于频率波峰fq，比例系数