[發明專利]多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置及方法

無效

• 申請號: 201110144687.2
• 申請日: 2011-05-31
• 公開（公告）號: CN102221355A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 李彥超;王春暉;高龍;曲楊;叢海芳;邵文冕
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

1.一種多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于：該裝置由激光器(1)、偏振分束鏡PBS(2)、四分之一波片(3)、振鏡(4)、平面反射鏡(5)、平面標準鏡(6)、會聚透鏡(7)、光電探測器(8)和信號處理系統(9)組成，

激光器(1)發出的線偏振光經偏振分束鏡PBS(2)反射后入射至四分之一波片(3)，經該四分之一波片(3)透射后的光束入射至振鏡(4)的光接收面，經該振鏡(4)反射的光束再次經四分之一波片(3)透射后發送至偏振分束鏡PBS(2)，經該偏振分束鏡PBS(2)透射后的光束入射至平面反射鏡(5)的反射面，經該平面反射鏡(5)反射后的光束入射至平面標準鏡(6)前表面，經該平面標準鏡(6)前表面透射的光束在該平面標準鏡(6)內，經該平面標準鏡(6)內部后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經該平面標準鏡(6)的前表面透射之后與經該平面標準鏡(6)前表面反射后的光束均通過會聚透鏡(7)匯聚至光電探測器(8)的光敏面上，所述光電探測器(8)輸出電信號給信號處理系統(9)。

2.根據權利要求1所述的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于：所述激光器(1)為H₀固體激光器。

3.根據權利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于：所述信號處理系統(9)由濾波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模數轉換器A/D(9-3)和數字信號處理器DSP(9-4)組成，

所述濾波器(9-1)對接收到的光電探測器(8)輸出的電信號進行濾波之后發送給前置放大器(9-2)，經前置放大器(9-2)放大之后的信號輸出給模數轉換器A/D(9-3)，所述模數轉換器A/D(9-3)將轉換后的數字信號發送給數字信號處理器DSP(9-4)。

4.根據權利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于：所述振鏡(4)為多普勒振鏡，其簡諧振動方程為：

x(t)＝x₀cos(ω_ct)，

式中x₀為多普勒振鏡振動的振幅，ω_c為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時間，

其速度方程為：

v(t)＝-ω_cx₀sin(ω_ct)。

5.采用權利要求1所述的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置實現多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量角度的方法，其特征在于該方法的過程為：

首先，打開振鏡(4)的驅動電源使振鏡(4)開始做簡諧振動；同時，打開激光器(1)；開始測量，在測量過程中，

通過信號處理系統(9)連續采集光電探測器(8)輸出的電信號，并對采集到的差頻信號進行處理，根據頻率與折射角的關系f_p＝K_p?cosθ獲得平面標準鏡(6)的激光折射角θ的關系式：

cosθ＝f_p/K_p，

式中f_p為激光外差信號的頻率，K_p為f_p與cosθ的比例系數。

6.根據權利要求5所述的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差測量激光入射角度的方法，其特征在于：對所述通過信號處理系統(9)連續采集光電探測器(8)輸出的電信號，并對采集到的差頻信號進行處理，根據頻率與折射角的關系f_p＝K_p?cosθ獲得平面標準鏡(6)的激光入射角θ₀的關系式的過程為：

設定經平面反射鏡(5)反射后的光束入射至平面標準鏡(6)前表面的入射角為θ₀，此時平面標準鏡(6)的入射光場為：

E(t)＝E_lexp(iω₀t)，

式中E_l為常數，i表示虛數，ω₀為激光角頻率；

振鏡(4)采用多普勒振鏡，多普勒振鏡的振動方程為：

x(t)＝x₀cos(ω_ct)，

式中x₀為多普勒振鏡振動的振幅，ω_c為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時間，

多普勒振鏡的速度方程為：

v(t)＝-ω_cx₀sin(ω_ct)，

平面標準鏡(6)的反射光的頻率為：

ω＝ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_ct)/c)；

則在t-l/c時刻到達平面標準鏡(6)前表面并被該表面反射的反射光的光場為：

E₀(t)＝α₀E_lexp{i[ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_c(t-l/c))/c)，

(t-l/c)+ω₀x₀cos(ω_c(t-l/c))/c]}

式中α₀＝r，r為光從周圍介質射入平面標準鏡(6)前表面的反射系數，l為振鏡(4)到平面標準鏡(6)的距離；

經該平面標準鏡(6)前表面透射的光束在不同時刻在平面標準鏡(6)內經該平面標準鏡(6)后表面反射m次而透射出平面標準鏡(6)前表面的m束反射光的光場分別為：

E₁(t)＝α₁E_lexp{i[ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_c(t-(l+2ndcosθ)/c))/c)

(t-(l+2ndcosθ)/c)+ω₀x₀cos(ω_c(t-(l+2ndcosθ)/c))/c]}

E₂(t)＝α₂E_lexp{i[ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_c(t-(l+4ndcosθ)/c))/c)

(t-(l+4ndcosθ)/c)+ω₀x₀cos(ω_c(t-(l+4ndcosθ)/c))/c]}

E₃(t)＝α₃E_lexp{i[ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_c(t-(l+6ndcosθ)/c))/c)

(t-(l+6ndcosθ)/c)+ω₀x₀cos(ω_c(t-(l+6ndcosθ)/c))/c]}，

.

.

.

E_m(t)＝α_mE_lexp{i[ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_c(t-(l+2mndcosθ)/c))/c)

(t-(l+2mndcosθ)/c)+ω₀x₀cos(ω_c(t-(l+2mndcosθ)/c))/c]}

其中，參數α₁＝ββ’r’，...，α_m＝ββ’r’^(2m-1)，β為平面標準鏡(6)前表面的透射系數，β′為光透射出平面標準鏡(6)時的透射系數，r′為平面標準鏡(6)內部反射光經前后表面的反射系數，θ為光束光從周圍介質入射平面標準鏡(6)前表面時的折射角，n為平面標準鏡(6)的折射率，d為平面標準鏡(6)的厚度；

光電探測器(8)接收到的總光場為：

E(t)＝E₀(t)+E₁(t)+E₂(t)+…+E_m(t)，

則光電探測器(8)輸出的光電流為：

I=ηehv1Z∫∫S12[E0(t)+E1(t)+···+Em(t)][E0(t)+E1(t)+···+Em(t)]*ds]]>

=ηe2hv1Z∫∫S[Σj=1mEj2(t)+Σp=1m-1Σj=1m-p(Ej(t)Ej+p*(t)+Ej*(t)Ej+p(t))]ds,]]>

其中，e為電子電量，η為量子效率，h為普朗克常數，v為激光頻率，Z為光電探測器(8)表面介質的本征阻抗，S為光電探測器(8)光敏面的面積，*號表示復數共軛；

直流項經過低通濾波器濾除后，對上式進行整理獲得只含交流項的中頻電流為：

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

將所有光場的公式代入上式，獲得計算結果為：

IIF=ηehvπZE02Σp=1m-1Σj=0m-pαj+pαjcos[4pndcosθω0ωc2x0c2t+2ω0x0c-2pndω0cosθc,]]>

-4pndcosθω0ωc2x0(l+2pndcosθ)c3]]]>

忽略1/c³的小項之后上式簡化為：

IIF=ηehvπZE02Σp=1m-1Σj=0m-pαj+pαjcos[4pndcosθω0ωc2x0c2t+2ω0x0c-2pndω0cosθc],]]>

式中p和j為為非負整數；

根據上式，將干涉信號的頻率記為：

fp=4pndcosθω0ωc2x0/(2πc2)=2pndcosθω0ωc2x0/(πc2)=Kpcosθ,]]>

式中Kp=2pndω0ωc2x0/(πc2),]]>

根據上式獲得折射角θ之后，再根據折射定律可以得到待測激光入射角θ₀的大小為：

θ₀＝arcsin(n?sinθ)。