CN106338334A - 一种双声光调制相位共轭外差探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种双声光调制相位共轭外差探测装置，主要特点是能高效利用光能，适合于微弱信号测量，可获得微振动的振动及频谱，可利用索列尔‑巴比涅相位补偿器获得微振动的振幅产生的相位；利用参考光路和测量光路相比较，大大地降低了因环境因素变化产生的共模噪声，提高了测量精度；利用光折变晶体产生的具有相位补偿特性的相位共轭光，消除了被测物体表面产生的“斑纹噪音”，被测物体的表面由近似于镜面扩大到比较粗糙的表面；利用双声光调制器获得了相互垂直的两束正交偏振光，消除声光调制器光强调制的影响，易于实现振幅的高精度的测量；双声光调制器的拍频为中频差，实现了低频信号在射频范围的处理，消除了低频噪声的干扰。
Description
技术领域
本发明属于物理光学领域，是一种基于激光器、双声光调制器和光折变晶体特性而提出的一种双声光调制相位共轭光外差探测装置。
背景技术
光外差探测技术与直接探测技术相比较，具有很高的灵敏度，其测量精度要高7-8个数量级，因此在微弱信号探测中具有广泛的应用；但是为了得到高信噪比的干涉信号，对被测物体表面的光滑度要求是比较高的，一般来说越接近光滑面越有利于提高信噪比。对于粗糙的被测物体表面，其反射光中携带有大量的“斑纹噪音”，这给高精度测量带来较大的困难。
中国发明专利,ZL00115304.8一种物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置,包括沿光源发射光束的前进方向上,依次置有第一透镜、第二透镜、分束器、偏振分束器、偏振变换器至被测物体。由被测物体第一次反射的带有斑纹噪音的光束经偏振分束器反射后,由第四透镜会聚至光折变晶体。光折变晶体产生的相位共轭光由偏振分束器反射到被测物体,被测物体反射的相位共轭光不再带有斑纹噪音。这是一种不仅适合于表面光滑的被测物体，而且也适用于表面粗糙的被测物体，其测量振动振幅的分辨率小于5×10-10米。
这种测振方法不足之处在于不具有参考光路，不能利用射频技术处理相位(振幅)信号。因此，难以消除环境因素引起的共模噪声以及低频噪声(也称1/f噪声)的干扰。
发明内容
本发明的目的是克服现有的基于光干涉测量物体振动方法的不足和所要解决的技术问题，提供一种利用绿光激光器、双声光调制器和光折变晶体组成的相位共轭外差探测新装置。
为实现本发明的目的，本发明的技术方案为：
一种双声光调制相位共轭外差探测装置，其特征在于：包括产生两束相互垂直的正交偏振光装置、相位参考装置、微振动振幅(相位)测量装置、以及数据采集与处理显示装置；所述的微振动振幅相位测量装置，由一个扩束器14，两个偏振分光器，即第一偏振分光器15、第二偏振分光器24，三个偏振转换器，即第一偏振转换器16、第二偏振转换器22和第三偏振转换器25，两个双凸透镜，即第一双凸透镜19和第二双凸透镜27，第二检偏器18，一个半波片23，一个全反射装置17，第二光电探测器20及一个光折变晶体28组成；其中：
●所述的产生两束相互垂直的正交偏振光装置，包含一个激光器1，一个偏振光分光器2，两个全反射直角棱镜，即第一全反射直角棱镜3和第二全反射直角棱镜6，两个驱动频率分别为f1和f2的声光调制器，即第一声光调制器(4)和第二声光调制器5及一个偏振合光器7；
●所述的相位参考装置，包含一个分光器8、第一检偏器9、第三双凸透镜10及第一光电探测器11；
●所述的数据采集和处理装置，包含两个带通滤波器，即第一带通滤波器12和第二带通滤波器21，一个双通道16位示波器卡13及一套计算机系统29；
●由激光器1发出的激光束经第三偏振光分光器2分成两束线偏振光：一束为p光(即光矢量振动方向平行于入射面的偏振光)，另一束为s光(即光矢量振动方向垂直于入射面的偏振光)。p光通过第一全反射直角棱镜3进入驱动频率为f1的第一声光调制器4，s光通过驱动频率为f2的第二声光调制器5后，分别产生两个0级衍射光和两个+1级衍射光，驱动频率为f2的第二声光调制器5的+1级衍射光经过第二全反射直角棱镜6和驱动频率为f1的第一声光调制器4的+1级衍射光进入偏振合光器7，合成光束通过分光器8的透射光束经过第一检偏器9之后，通过第三双凸透镜10在第一光电探测器11的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位参考信号，经第一带通滤波器12滤波，进入双通道16位示波器卡13变为数字信号；
合成光束通过分光器8的反射光束通过扩束器14之后，进入第一偏振分光器15，其中s光被反射并通过第一偏振转换器16到达可调反射度的全反射装置17之后被全反射，该反射光再一次通过第一偏振转化器16变为p光，并透过第一偏振分光器15和第二检偏器18之后，由第一双凸透镜19聚焦在第二光电探测器20的光敏面上；透过第一偏振分光器15的p光通过第二偏振转化器22和半波片23之后仍为p光，并透过第二偏振分光器24，之后通过第三偏振转换器25到达被测物体26表面被全反射，该反射光携带“斑纹噪音”再一次通过第三偏振转化器25变为s光被第二偏振分光器24反射，通过第二双凸透镜27之后汇聚到光折变晶体28上，由光折变晶体28产生的相位共轭光，被第二双凸透镜27准直后被第二偏振分光器24再一次反射，并透过第三偏振转换器25到达被测物体26表面被全反射，反射回来的相位共轭光经过第三偏振转换器25后变为p光，并通过第二偏振分光器24、半波片23和第二偏振转换器22之后变为s光，被第一偏振分光器15反射并通过第二检偏器18由第一双凸透镜19聚焦在第二光电探测器20的光敏面上，与之前到达光电探测器20的光敏面上的p光发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的测量信号，经第二带通滤波器(21)滤波，进入双通道16位示波器卡13变为数字信号；
所述数字信号经过计算机系统29对参考信号和测量信号数据的处理，获得微振动信号的振幅、频谱值。
本发明与现有技术相比较，具有突出的实质性特点和显著的效果为：
本发明能高效利用光能，适合于微弱信号测量，可获得微振动的振幅及频谱信息，可利用索列尔-巴比涅相位补偿器获得微振动的振幅产生的相位；利用参考光路和测量光路相比较，极大地降低了因环境因素变化产生的共模噪声，提高了测量精度。
本发明利用光折变晶体产生的具有相位补偿特性的相位共轭光，消除了被测物体产生的“斑纹噪音”，被测物体的表面由近似于镜面扩大到比较粗糙的表面；利用双声光调制器获得了相互垂直的两束正交偏振光，消除声光调制器光强调制的影响，易于实现振幅的高精度的测量；双声光调制器的拍频为中频差，实现了低频信号在射频范围处理，消除了低频噪声(1/f噪声)的干扰。
本发明主要用于测量物体的微振动，既适合于表面光滑的物体，也适合于表面粗糙的物体。
附图说明
图1是一种双声光调制相位共轭外差探测装置的原理示意图；
图2是拍频为30MHz的参考光路和测量光路的波形图；
图3是被测物体铝板的振动频率为6kHz的微振动的解调结果。
图1中：激光器1，第一偏振分光器15、第二偏振分光器24和第三偏振分光器2，第一直角全反射棱镜3和第二直角全反射棱镜6，第一声光调制器4和第二声光调制器5，偏振合光器7，分光器8，第一检偏器9和第二检偏器18，第一双凸透镜19、第二双凸透镜27和第三双凸透镜10，第一光电探测器11和第二光电探测器20，第一带通滤波器12和第二带通滤波器21，双通道16位示波器卡13，扩束器14，第一偏振转换器16、第二偏振转换器22、第三偏振转换器25，全反射装置17，半波片23，被测物体26，光折变晶体28，计算机系统29。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明具体实施方法。
图1所示，本发明一种双声光调制相位共轭外差探测装置，包括产生两束相互垂直的正交偏振光装置、相位参考装置、微振动振幅(相位)测量装置以及数据采集与处理显示装置，其特征在于：所述的微振动振幅(相位)测量装置，是一种能消除被测物体表面反射光中包含的“斑纹噪音”的装置，所述的能消除被测物体表面反射光中包含的“斑纹噪音”的装置，由一个扩束器14，两个偏振分光器，即第一偏振分光器15和第二偏振分光器24，三个偏振转换器，即第一偏振转换器16、第二偏振转换器22和第三偏振转换器25，两个双凸透镜，即第一双凸透镜19和第二双凸透镜27，第二检偏器18，一个半波片23，一个全反射装置17，第二光电探测器20及一个光折变晶体28组成；其中：
●所述的产生两束相互垂直的正交偏振光装置，包含一个激光器1，一个偏振光分光器2，两个全反射直角棱镜，即第一全反射直角棱镜3和第二全反射直角棱镜6，两个驱动频率分别为f1和f2的声光调制器，即第一声光调制器(4)和第二声光调制器5及一个偏振合光器7；
●所述的相位参考装置，包含一个分光器8、第一检偏器9、第三双凸透镜10及第一光电探测器11；
●所述的数据采集和处理装置，包含两个带通滤波器，即第一带通滤波器12和第二带通滤波器21，一个双通道16位示波器卡13和一套计算机系统29；
●由激光器1发出的激光束经第三偏振分光器2分成两束线偏振光：一束为p光，另一束为s光。p光通过第一全反射直角棱镜3进入驱动频率为f1的第一声光调制器4，s光通过驱动频率为f2的第二声光调制器5后，分别产生两个0级衍射光和两个+1级衍射光，驱动频率为f2的第二声光调制器5的+1级衍射光经过第二全反射直角棱镜6和驱动频率为f1的第一声光调制器4的+1级衍射光进入偏振合光器7，合成光束通过分光器8的透射光束经过第一检偏器9之后，通过第三双凸透镜10在第一光电探测器11的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位参考信号，经第一带通滤波器12滤波，进入双通道16位示波器卡13变为数字信号；
合成光束通过分光器8的反射光束通过扩束器14之后，进入偏振分束器15，其中s光被反射并通过第一偏振转化器16到达可调反射度的全反射装置17之后被全反射，该反射光再一次通过第一偏振转化器16变为p光，并透过第一偏振分光器15和第二检偏器18之后，由第一双凸透镜19聚焦在第二光电探测器20的光敏面上；透过第一偏振分光器15的p光通过第二偏振转化器22和半波片23之后仍为p光，并透过第二偏振分光器24，之后通过第三偏振转化器25到达被测物体26表面被全反射，该反射光携带“斑纹噪音”再一次通过偏振转化器25变为s光被第厂偏振分光器24反射，通过第二双凸透镜27之后汇聚到光折变晶体28上，由光折变晶体28产生的相位共轭光，被第二双凸透镜27准直后被第二偏振分光器24再一次反射，并透过第三偏振转化器25到达被测物体26表面被全反射，反射回来的相位共轭光经过第三偏振转化器25后变为p光，并通过第二偏振分光器24、半波片23和第二偏振转化器22之后变为s光，被第一偏振分光器15反射并通过第二检偏器18由第一双凸透镜19聚焦在第二光电探测器20的光敏面上，与之前到达第二光电探测器20的光敏面上的p光发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的测量信号，经第二带通滤波器21滤波，进入双通道16位示波器卡13变为数字信号。经过计算机系统29对参考信号和测量信号数据的处理，获得微振动信号的振幅、频谱值。
第一光电探测器11的光敏面上发生干涉，第一带通滤波器12滤除掉其中的直流项、光频项后，其输出的电信号可以写为
式中，Δω＝ω2-ω1、Δθ＝θ2-θ1，ω2与ω1分别为第二声光调制器5和第一声光调制器4的+1级衍射光的频移，与分别为参考光路中，第二声光调制器5和第一声光调制器4的+1级衍射光到达第一光电探测器11光敏面的相位，θ2与θ1分别为第二声光调制器5和第一声光调制器4的初始相位。
第二光电探测器20的光敏面上发生干涉，第二带通滤波器21滤除掉其中的直流项、光频项后，其输出的电信号可以写为
式中， 与分别为测量光路中，第二声光调制器5和第一声光调制器4的+1级衍射光到达第二光电探测器20光敏面的相位，其余参数意义同公式(1)。
当第二声光调制器5的驱动频率为110.12MHz、第一声光调制器4的驱动频率为80MHz时，两者之间的频差为30.12MHz，光外差干涉信号的波形如图2所示，其中CH1通道是参考信号，CH2通道是测量信号。
若测量光路中，s光和p光的光程相等，当被测物体表面有微振动位移s(t)时，则来自被测物体表面反射的信号光将产生(4π/λ)s(t)的相移，其中λ为光波波长，这时第二光电探测器20光电流的表达式为
Im∝cos[Δωt+(4π/λ)s(t)+Δθ] (3)
式中，Δω及Δθ意义同公式(1)。公式(1)和(3)中给出的光电流转换为电压后被放大(本发明中所选用的光电探测器已把光电转换器、电流电压转换电路和电压放大电路集成在一起)，并分别通过中心频率为拍频的第一带通滤波器12和第二带通滤波器21，滤波后的电压被送到双通道16位示波器卡13进行模数转换变为数字信号，该数字电压信号被存储在计算机系统29中用于数据处理及显示。
具体实施中，分光器8的分束比为70:30(反射光强:透射光强)，第一检偏器9和第二检偏器18的消光比大于10000:1，第一偏振转换器16采用1/4波片，第二偏振转换器22选用法拉第旋光器，第三偏振转换器25选用采用1/4波片，扩束器14采用5倍扩束器，光折变晶体28选用钛酸钡晶体，全反射装置17为全反射直角棱镜或者是角锥棱镜；s光和p光的强度可通过调整第一声光调制器4和第二声光调制器5的线性控制电压而改变；计算机系统29中装有数据采集、处理与显示的控制和计算程序，这些程序包括了微振动波形绘制及振幅、相位和频谱计算等功能。
图2所示，是拍频为30.12MHz的参考光路和测量光路的波形图，其中测量信号相对参考信号的相位为π/4，CH1通道来自第一光电探测器11的电信号，是参考信号，CH2通道来自第二光电探测器20的电信号，是测量信号。具体实施中通过调整全反射装置17，使得测量信号相对参考信号的相位为0(或者是2π的整数倍)，也就是使参考光路和测量光路的波形严格重合在一起。参考信号和测量信号分别被采样，然后经过数据处理，即可得到两者的相位差。
图3所示，是被测物体26为铝板的振动频率为6kHz的微振动的解调结果。其中图3(a)为解调的振动波形图，图3(b)为振动波形的频谱分析结果。具体实施中，把图1所示的被测物体26(铝板)固定在压电陶瓷驱动杆的一端(刚性连接)，然后设置压电陶瓷驱动电源的驱动电压和驱动频率，使被测物体按一定的频率和振幅作微振动，对参考信号和测量信号分别采样，对采样值进行数据处理，即可得到振动波形和振动频谱。例如，压电陶瓷驱动电压为1.8伏，驱动频率为6kHz时，即可得到图3所示的解调结果，从压电陶瓷驱动电压与位移对照表，可知其振动振幅约为170纳米。
利用索列尔-巴比涅相位补偿器，实测了被测物体26为表面粗糙的铝板微振动的振幅产生的相位，并由公式(3)换算为振幅，由相位分辨率得到其振幅分辨率。例如，激光器输出波长为633nm、全反射装置17为直角等腰棱镜，光电探测器11和20为硅基跨阻放大光电探测器，本装置的分辨率可达2.76×10-12米。
Claims (5)
1.一种双声光调制相位共轭外差探测装置，其特征在于：包括产生两束相互垂直的正交偏振光装置、相位参考装置、微振动振幅相位测量装置、以及数据采集与处理显示装置；所述的微振动振幅相位测量装置，由一个扩束器(14)，两个偏振分光器，即第一偏振分光器(15)、第二偏振分光器(24)，三个偏振转换器，即第一偏振转换器(16)、第二偏振转换器(22)和第三偏振转换器(25)，两个双凸透镜，即第一双凸透镜(19)和第二双凸透镜(27)，第二检偏器(18)，一个半波片(23)，一个全反射装置(17)，第二光电探测器(20)及一个光折变晶体(28)组成；其中：
●所述的产生两束相互垂直的正交偏振光装置，包含一个激光器(1)，一个第三偏振光分光器(2)，两个全反射直角棱镜，即第一全反射直角棱镜(3)和第二全反射直角棱镜(6)，两个驱动频率分别为f1和f2的声光调制器，即第一声光调制器(4)和第二声光调制器(5)及一个偏振合光器(7)；
●所述的相位参考装置，包含一个分光器(8)、第一检偏器(9)、第三双凸透镜(10)及第一光电探测器(11)；
●所述的数据采集和处理装置，包含两个带通滤波器，即第一带通滤波器(12)和第二带通滤波器(21)，一个双通道16位示波器卡(13)及一套计算机系统(29)；
●由激光器(1)发出的激光束经第三偏振光分光器(2)分成两束线偏振光：一束为p光，另一束为s光。p光通过第一全反射直角棱镜(3)进入驱动频率为f1的第一声光调制器(4)，s光通过驱动频率为f2的第二声光调制器(5)后，分别产生两个0级衍射光和两个+1级衍射光，驱动频率为f2的第二声光调制器(5)的+1级衍射光经过第二全反射直角棱镜(6)和驱动频率为f1的第一声光调制器(4)的+1级衍射光进入偏振合光器(7)，合成光束通过分光器(8)的透射光束经过第一检偏器(9)之后，通过第三双凸透镜(10)在第一光电探测器(11)的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位参考信号，经第一带通滤波器(12)滤波，进入双通道16位示波器卡(13)变为数字信号；
合成光束通过分光器(8)的反射光束通过扩束器(14)之后，进入第一偏振分光器(15)，其中s光被反射并通过第一偏振转换器(16)到达可调反射度的全反射装置(17)之后被全反射，该反射光再一次通过第一偏振转化器(16)变为p光，并透过第一偏振分光器(15)和第二检偏器(18)之后，由第一双凸透镜(19)聚焦在第二光电探测器(20)的光敏面上；透过第一偏振分光器(15)的p光通过第二偏振转化器(22)和半波片(23)之后仍为p光，并透过第二偏振分光器(24)，之后通过第三偏振转换器(25)到达被测物体(26)表面被全反射，该反射光携带“斑纹噪音”再一次通过偏振转化器(25)变为s光被第二偏振分光器(24)反射，通过第二双凸透镜(27)之后汇聚到光折变晶体(28)上，由光折变晶体(28)产生的相位共轭光，被第二双凸透镜(27)准直后被第二偏振分光器(24)再一次反射，并透过第三偏振转换器(25)到达被测物体(26)表面被全反射，反射回来的相位共轭光经过第三偏振转换器(25)后变为p光，并通过第二偏振分光器(24)、半波片(23)和第二偏振转换器(22)之后变为s光，被第一偏振分光器(15)反射并通过第二检偏器(18)由第一双凸透镜(19)聚焦在第二光电探测器(20)的光敏面上，与之前到达光电探测器(20)的光敏面上的p光发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的测量信号，经第二带通滤波器(21)滤波，进入双通道16位示波器卡(13)变为数字信号；
所述数字信号经过计算机系统(29)对参考信号和测量信号数据的处理，获得微振动信号的振幅、频谱值。
2.根据权利要求1所述的一种双声光调制相位共轭外差探测装置，其特征在于：所述激光器(1)是气体激光器，或者是半导体激光器，或者是固体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种双声光调制相位共轭外差探测装置，其特征在于：所述第二偏振转换器(22)是法拉第旋转器。
4.根据权利要求1所述的一种双声光调制相位共轭外差探测装置，其特征在于：所述第一偏振转换器(16)、第二偏振转换器(25)是法拉第旋转器，或者是四分之一波片。
5.根据权利要求1所述的一种双声光调制相位共轭外差探测装置，其特征在于：所述的半波片(23)的晶轴与通过第一偏振分光器(15)的p光振动方向夹角为22.5度，其作用是透过第一偏振分光器(15)的p光,通过第二偏振转换器(22)与半波片(23)之后,相对于第一偏振分光器(15)仍为p光。
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