[發明專利]多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差二次諧波測量激光入射角度的裝置及方法

無效

• 申請號: 201110145115.6
• 申請日: 2011-05-31
• 公開（公告）號: CN102221356A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 王春暉;李彥超
• 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: 張宏威

1.多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差二次諧波測量激光入射角度的裝置，其特征在于它包括H₀固體激光器(1)、偏振分束鏡PBS(2)、四分之一波片(3)、振鏡(4)、平面反射鏡(5)、已知厚度的玻璃板(6)、會聚透鏡(7)、光電探測器(8)和信號處理系統(9)，

H₀固體激光器(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)，經所述四分之一波片(3)透射后的光束入射至振鏡(4)的光接收面，經所述振鏡(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已知厚度的玻璃板(6)前表面，經該已知厚度的玻璃板(6)前表面透射的光束在該已知厚度的玻璃板(6)內，經該已知厚度的玻璃板(6)后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經該已知厚度的玻璃板(6)的前表面透射之后與經該已知厚度的玻璃板(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二次諧波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)和數字信號處理器(DSP)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)，所述模數轉換器(A/D)將轉換后的數字信號發送給數字信號處理器(DSP)。

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二次諧波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，所述多普勒振鏡的簡諧振動方程為：

x(t)＝x₀cos(ω_ct)

多普勒振鏡的速度方程為：

v(t)＝-ω_cx₀sin(ω_ct)

式中，參數ω₀為激光角頻率，參數x₀為振鏡(4)振動的振幅，參數ω_c為振鏡(4)的角頻率，c為光速，t為時間；

4.基于權利要求1所述的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差二次諧波測量激光入射角度的裝置測量激光入射角度的方法，其特征在于它由如下步驟實現：

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H₀固體激光器(1)；?

然后通過信號處理系統(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，根據頻率與已知厚度的玻璃板(6)的折射角的關系：

f＝Kcosθ

獲得激光入射至已知厚度的玻璃板(6)的折射角θ：

cosθ＝f/K

式中f為激光外差信號的頻率，K為激光外差信號的頻率f與激光入射至已知厚度的玻璃板(6)的折射角的比例系數，從而獲得待測的入射角θ₀的大小為：

θ₀＝arcsin(nsinθ)

式中n為已知厚度的玻璃板(6)的折射率。

5.根據權利要求4所述的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差二次諧波測量激光入射角度的方法，其特征在于通過信號處理系統(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，獲得已知厚度的玻璃板(6)的入射角θ₀的過程中，激光外差信號的頻率f和比例系數K是采用下述方法獲得的：

由于激光在已知厚度的玻璃板(6)前表面的反射光與已知厚度的玻璃板(6)后表面反射k次和k+1次后的透射出玻璃前表面的光混頻，產生兩個幅度相差2～3個數量級的差頻信號，上述方法所述的二次諧頻差為已知厚度的玻璃板(6)后表面k次反射的E_k與已知厚度的玻璃板(6)后表面k+2次反射后的E_k+2光混頻所產生的；

當激光以入射角θ₀斜入射已知厚度的玻璃板(6)前表面時的入射光場為

E(t)＝E_lexp(iω₀t)????公式1

振鏡(4)的簡諧振動方程

x(t)＝x₀cos(ω_ct)????公式2

振鏡(4)的速度方程為

v(t)＝-ω_cx₀sin(ω_ct)????公式3

由于振鏡(4)的運動，反射光的頻率變為

ω＝ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_ct)/c)????公式4

上述各式中，參數ω₀為激光角頻率，參數x₀為振鏡(4)振動的振幅，參數ω_c為振鏡(4)的角頻率，c為光速，t為時間；

則t-l/c時刻到達已知厚度的玻璃板(6)前表面的反射光場為：

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

???????????????????????????????????????????????????公式5

(t-l/c)+ω₀x₀cos(ω_c(t-l/c))/c]}?

式中，參數α₀＝r，r為已知厚度的玻璃板(6)的反射系數；l為振鏡(4)到已知厚度的玻璃板(6)前表面的光程，El為振幅常數；

經已知厚度的玻璃板(6)透射的光在不同時刻被已知厚度的玻璃板(6)后表面反射m次而透射出已知厚度的玻璃板(6)后，獲得m束透射光的光場分別為：

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]}????公式6

·

·

·

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為已知厚度的玻璃板(6)前表面的透射系數，β′為光透射出已知厚度的玻璃板(6)時的透射系數，r′為已知厚度的玻璃板(6)內部前后表面反射光的反射系數，θ為光束從周圍介質入射已知厚度的玻璃板(6)前表面時的折射角，下標m取值為0，1，2，......，n為已知厚度的玻璃板(6)的折射率，d為已知厚度的玻璃板(6)的厚度；

光電探測器(8)接收到的總光場表示為：

E(t)＝E₀(t)+E₁(t)+…+E_m(t)????公式7

則光電探測器(8)輸出的光電流可以表示為：

公式8

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

整理得到激光外差二次諧波信號的中頻電流為：

公式9

將公式5和公式6代入公式9，最終結果為：?

????????????????????????公式10

忽略1/c³的小項之后簡化為：

公式11

其中，p和j均為非負整數；

根據公式9，把激光外差二次諧波信號的頻率記為：

公式12

根據公式11和公式12得知，干涉信號的頻率與已知厚度的玻璃板(6)入射角成反比，比例系數為：

公式13。?