本發(fā)明具體涉及一種基于平衡光學(xué)互相關(guān)的利用飛秒激光的測(cè)微振動(dòng)系統(tǒng)及測(cè)微測(cè)振方法，屬于光電精密測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

振動(dòng)是自然界里一個(gè)基本的物理現(xiàn)象，很多應(yīng)用需要獲取速度、位移、。加速度等描述振動(dòng)的物理量值。三種參數(shù)既有區(qū)別又互相聯(lián)系，并有確定的函數(shù)關(guān)系，速度是位移的微分變量，而加速度則是速度的微分變量。振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率以及振動(dòng)相位延遲是測(cè)量所關(guān)心的最終結(jié)果。能夠精確測(cè)量這些參數(shù)意義重大。

激光測(cè)振可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸測(cè)量，并且測(cè)量靈敏、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種軍事測(cè)量和民用測(cè)量中，尤其是在測(cè)量各種的微弱振動(dòng)、物體微小形變等方面。主要的測(cè)量技術(shù)有：參考光測(cè)量技術(shù)、全息干涉法測(cè)量技術(shù)、散斑法測(cè)量技術(shù)、莫爾條紋法測(cè)量技術(shù)。散斑法后期數(shù)據(jù)處理復(fù)雜耗時(shí)，不適用于線測(cè)量；全息干涉法對(duì)記錄介質(zhì)的分辨率要求過(guò)高；莫爾條紋法調(diào)試儀器相對(duì)困難。參考光測(cè)量法包括外差法和零差法，相對(duì)其它幾種振動(dòng)測(cè)量方法參考光測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)成本較低、便于調(diào)試、可靠性和穩(wěn)定性較高。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、儀器調(diào)試?yán)щy等問(wèn)題，本發(fā)明基于平衡光學(xué)互相關(guān)的基本原理，提出了一種新的利用飛秒激光的參考光測(cè)振技術(shù)及裝置。該方法具有操作簡(jiǎn)便、后期數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)際工 程測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量精度低、數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜以及儀器調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題，提供一種實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)測(cè)微振動(dòng)的利用飛秒激光的測(cè)微振動(dòng)系統(tǒng)及測(cè)微振動(dòng)方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)解決方案解決的。

一種利用飛秒激光測(cè)微振動(dòng)的系統(tǒng)，包括微波原子鐘、光纖飛秒激光器、伺服控制設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、上位機(jī)以及光學(xué)測(cè)量組件。

所述微波原子鐘為微波頻率計(jì)數(shù)器提供基準(zhǔn)參考，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)的溯源。

所述光纖飛秒激光器將重復(fù)頻率和偏移頻率鎖定到微波原子鐘，從而為測(cè)微振動(dòng)裝置提供高精度測(cè)量的穩(wěn)定性并向光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光源。

所述伺服控制設(shè)備調(diào)整脈沖間隔，保證測(cè)量脈沖光與參考脈沖光產(chǎn)生的平衡互相關(guān)信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中連續(xù)處于零值狀態(tài)。

所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括平衡探測(cè)器和微波頻率計(jì)數(shù)器。平衡探測(cè)器將光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)差分放大，把該信號(hào)送入伺服控制設(shè)備；微波頻率計(jì)數(shù)器連續(xù)采集飛秒激光器的重復(fù)頻率。

其中，微波原子鐘通過(guò)刺刀螺母連接器連接飛秒激光器；數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)微波高頻連接器轉(zhuǎn)同軸電纜連接器連接伺服控制設(shè)備；數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)光纜連接上位機(jī)。

所述上位機(jī)為一臺(tái)式計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)通頻率計(jì)數(shù)器連續(xù)采集飛秒激光 器的重復(fù)頻率進(jìn)行處理、存儲(chǔ)以及顯示實(shí)時(shí)測(cè)得的飛秒激光振動(dòng)幅值。

所述光學(xué)測(cè)量組件包括二分之一波片、一對(duì)四分之一波片、偏振分光鏡、參考反射鏡、待測(cè)振動(dòng)面、兩對(duì)雙色鏡、雙折射晶體、一對(duì)凸透鏡、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡以及倍頻晶體，分別通過(guò)夾持器件固定在光學(xué)平臺(tái)上。二分之一波片以及一對(duì)四分之一波片用來(lái)調(diào)節(jié)偏振光的偏振方向；偏振分光鏡用來(lái)將入射光分成兩束偏振垂直的參考光和測(cè)量光；參考反射鏡反射參考脈沖光；待測(cè)振動(dòng)面為一振動(dòng)臺(tái)，其具體功能為提供一個(gè)相對(duì)于參考位置的待測(cè)位移；兩對(duì)雙色鏡用來(lái)分離基頻光和倍頻光；雙折射晶體用于補(bǔ)償延時(shí)；一對(duì)凸透鏡用來(lái)匯聚光束；擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡用來(lái)減小飛秒激光光束的發(fā)散角；倍頻晶體用以實(shí)現(xiàn)倍頻功能。光倍頻技術(shù)屬于非線性光學(xué)現(xiàn)象，是相干光的非線性頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程。倍頻是指兩束基頻脈沖光在晶體中滿足相位匹配及群速匹配的條件下，產(chǎn)生一種頻率是基頻光頻率二倍的光，該倍頻光的強(qiáng)弱與測(cè)量脈沖、參考脈沖在晶體中的重疊度有著直接關(guān)系。

一種利用飛秒激光的測(cè)微振動(dòng)系統(tǒng)及測(cè)微振動(dòng)方法，其原理為：

光纖飛秒激光器發(fā)出一束飛秒激光通過(guò)半波片，由偏振分光鏡分成兩束飛秒激光，一束飛秒激光經(jīng)參考反射鏡反射，此為參考脈沖光；另一束飛秒激光通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡被待側(cè)振動(dòng)面反射，此為測(cè)量脈沖光；二分之一波片調(diào)節(jié)由偏振分光鏡分出參考脈沖光和測(cè)量脈沖光的強(qiáng)度比例；參考光路和測(cè)量光路上各有一個(gè)四分之波片，四分之一波片保證返回的參考脈沖光和測(cè)量脈沖光偏振態(tài)滿足偏振分光鏡的分光條件；返回的參考脈沖光和測(cè)量脈沖光合為一束，在倍頻晶體處發(fā)生倍頻效應(yīng)，經(jīng)分色鏡反射回的基頻光在晶體處再次倍頻。通過(guò)分色鏡的濾波，輸出兩束純凈的倍頻光。

使用平衡探測(cè)器探測(cè)兩束倍頻光信號(hào)，利用高速數(shù)據(jù)采集卡采集平衡探測(cè)器輸出的電信號(hào)并將該信號(hào)送入伺服控制設(shè)備；通過(guò)反饋控制，伺服控制設(shè)備控制光纖飛秒激光器來(lái)改變脈沖間隔距離，使平衡探測(cè)器輸出信號(hào)為0，此時(shí)鎖定設(shè)備鎖定信號(hào)，讀取重復(fù)頻率值；然后將兩次得到的重復(fù)頻率值送入到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)幅值。

有益效果

1、本發(fā)明對(duì)測(cè)微振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)試靈敏度高于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器，主要用于實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)測(cè)微振動(dòng)。

2、本發(fā)明中可以用于一維微振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量和對(duì)微振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)，并可以用于制作振動(dòng)測(cè)量?jī)x器設(shè)備等。

附圖說(shuō)明

圖1表示通過(guò)晶體前后的基頻光強(qiáng)I₁₀、I₂₀一定時(shí)，取T1＝T2＝100fs，并對(duì)系數(shù)進(jìn)行了歸一化處理所得到的平衡互相關(guān)信號(hào)隨時(shí)間延遲變化的模擬圖；

圖2表示利用光纖飛秒激光測(cè)微振動(dòng)的裝置；

圖3為本發(fā)明的飛秒激光的測(cè)微振動(dòng)系統(tǒng)測(cè)微振動(dòng)方法的流程圖；

其中，1-原子鐘、2-光纖飛秒激光器、3-伺服控制設(shè)備、4-參考反射鏡、5-第一四分之一波片、6-二分之一波片、7-偏振分光鏡、8-第二四分之一波片、9-擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、10-待測(cè)振動(dòng)面、11-第一分色鏡、12-第一凸透鏡、13-倍頻晶體、14-雙折射晶體、15-第二凸透鏡、16-第三分色鏡、17-第二分色鏡、18-第四分色鏡、19-上位機(jī)、20-數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖2所示，一種利用飛秒激光測(cè)微振動(dòng)的系統(tǒng)，包括微波原子鐘、光纖飛秒激光器、伺服控制設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、上位機(jī)以及光學(xué)測(cè)量組件。

所述微波原子鐘為微波頻率計(jì)數(shù)器提供基準(zhǔn)參考，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)的溯源。

所述光纖飛秒激光器將重復(fù)頻率和偏移頻率鎖定到微波原子鐘，從而為測(cè)微振動(dòng)裝置提供高精度測(cè)量的穩(wěn)定性并向光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光源。

所述伺服控制設(shè)備調(diào)整脈沖間隔，保證測(cè)量脈沖光與參考脈沖光此對(duì)平衡互相關(guān)信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中連續(xù)處于零值狀態(tài)。

所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括平衡探測(cè)器和微波頻率計(jì)數(shù)器。平衡探測(cè)器將光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)差分放大，把該信號(hào)送入伺服控制設(shè)備；微波頻率計(jì)數(shù)器連續(xù)采集飛秒激光器的重復(fù)頻率，微波頻率計(jì)數(shù)器參考到銣原子鐘，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)的溯源所述上位機(jī)為一臺(tái)式計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)通頻率計(jì)數(shù)器連續(xù)采集飛秒激光器的重復(fù)頻率進(jìn)行處理、存儲(chǔ)以及顯示實(shí)時(shí)測(cè)得的飛秒激光振動(dòng)幅值。

其中，微波原子鐘通過(guò)刺刀螺母連接器連接飛秒激光器；數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)微波高頻連接器轉(zhuǎn)同軸電纜連接器連接伺服控制設(shè)備；數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)光纜連接上位機(jī)。

所述光學(xué)測(cè)量組件包括二分之一波片、一對(duì)四分之一波片、偏振分光鏡、參考反射鏡、待測(cè)振動(dòng)面、兩對(duì)雙色鏡、雙折射晶體、一對(duì)凸透鏡、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡以及倍頻晶體。二分之一波片以及一對(duì)四分之一波片用來(lái)調(diào)節(jié) 偏振光的偏振方向；偏振分光鏡用來(lái)將入射光分成兩束偏振垂直的參考光和測(cè)量光；參考反射鏡反射參考脈沖光；待測(cè)振動(dòng)面為一振動(dòng)臺(tái)，其具體功能為提供一個(gè)相對(duì)于參考位置的待測(cè)位移；兩對(duì)雙色鏡用來(lái)分離基頻光和倍頻光；雙折射晶體用于補(bǔ)償延時(shí)；一對(duì)凸透鏡用來(lái)匯聚光束；擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡用來(lái)減小飛秒激光光束的發(fā)散角；倍頻晶體用以實(shí)現(xiàn)倍頻功能。光倍頻技術(shù)屬于非線性光學(xué)現(xiàn)象，是相干光的非線性頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程。倍頻是指兩束基頻脈沖光在晶體中滿足相位匹配及群速匹配的條件下，產(chǎn)生一種頻率是基頻光頻率二倍的光，該倍頻光的強(qiáng)弱與測(cè)量脈沖、參考脈沖在晶體中的重疊度有著直接關(guān)系。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明中的微波原子鐘(1)采用銣原子鐘；光纖飛秒激光器(2)為受空氣色散影響較小的中心波長(zhǎng)為1550nm、初始脈沖寬度為100fs的光纖飛秒激光器；偏振分光鏡(7)直徑25.4mm，材料為K9型人造玻璃；二分之一波片(6)、第一四分之一波片(5)、第二四分之一波片(8)的材料分別為石英晶體，直徑12.7mm；參考反射鏡(4)為飛秒激光反射鏡，材料為K9型人造玻璃，反射率97％；第一分色鏡(11)、第二分色鏡(17)的直徑分別為25.4mm，材料為K9型人造玻璃，反射率>99.5@1550nm，透射率>90％@775nm，0度，功能為透射波長(zhǎng)為775nm的倍頻光并反射波長(zhǎng)為1550nm的基頻光；第三分色鏡(16)、第四分色鏡(18)的直徑分別為25.4mm，材料為K9型人造玻璃，反射率>99.5@775nm，透射率>90％@1550nm，45度，功能為透射波長(zhǎng)為1550nm的基頻光并反射波長(zhǎng)為775nm的倍頻光；倍頻晶體(13)規(guī)格為5mm×2mm×1mm，材料為周期性極化的磷酸氧鈦鉀晶體；雙折射晶體(14)為鈮酸鋰晶體； 待測(cè)振動(dòng)面(10)為丹麥BK聲學(xué)與振動(dòng)測(cè)量公司的振動(dòng)臺(tái)，型號(hào)4808；探測(cè)器為索雷博公司的平衡光電探測(cè)器，型號(hào)為PDB450A。

如圖1、圖2、及圖3所示，一種利用飛秒激光測(cè)微振動(dòng)的系統(tǒng)的測(cè)微振動(dòng)方法為：

首先，飛秒激光器發(fā)出一束飛秒激光通過(guò)半波片和偏振分光鏡，調(diào)整該半波片的角度來(lái)調(diào)節(jié)該飛秒激光的偏振態(tài)，從而調(diào)節(jié)偏振分光鏡分成的兩束光的強(qiáng)度比例；由偏振分光鏡分成兩束光，一束光經(jīng)參考反射鏡反射，此為參考脈沖光；另一束光通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡后被待側(cè)面反射，此為測(cè)量脈沖光。調(diào)整參考光路和測(cè)量光路上的四分之一波片的角度，使被反射回來(lái)的參考脈沖光和測(cè)量脈沖光以最大強(qiáng)度再次通過(guò)偏振分光鏡，并合為一束光。該合束光通過(guò)倍頻晶體發(fā)生倍頻效應(yīng)，產(chǎn)生一種光頻為基頻光二倍的光；經(jīng)分色鏡濾出該倍頻光，并將基頻光原路反射，在晶體處再次倍頻，通過(guò)分色鏡的濾波，又得到一束倍頻光。使用平衡探測(cè)器探測(cè)兩束倍頻光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該信號(hào)表達(dá)式為：

$S(\mathrm{\τ},\mathrm{\Δ}t)=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{\πI}}_{10}{I}_{20}{T}_1{T}_2{L}^2}{\sqrt{T_1^2+T_2^2}}\left\{\exp \[-\frac{{(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ}t)}^2}{T_1^2+T_2^2}\]-\exp \[-\frac{{(\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ}t)}^2}{T_1^2+T_2^2}\]\right\}$

其中I₁₀、I₂₀分別為通過(guò)晶體前后的基頻光強(qiáng)，L為倍頻晶體的長(zhǎng)度，T₁、T₂分別為參考脈沖和測(cè)量脈沖的脈沖寬度，Δt為參考脈沖與測(cè)量脈沖在晶體中固定時(shí)間延遲(由于兩束光在晶體中的折射率不同)，τ為參考脈沖與測(cè)量脈沖進(jìn)入晶體前的時(shí)間延遲。測(cè)量脈沖相對(duì)參考脈沖的時(shí)間延遲決定平衡互相關(guān)信號(hào)的大小。如圖1所示，為該表達(dá)式模擬的平衡互相關(guān)信號(hào)圖，當(dāng)兩束光在晶體中沒(méi)有重疊時(shí)，平衡互相關(guān)信號(hào)的值為0，如圖 中A點(diǎn)所示；圖中B點(diǎn)表示前后兩次倍頻光光強(qiáng)差最大，即平衡互相關(guān)信號(hào)幅值最大；當(dāng)兩束光在晶體中的平均重疊度相等時(shí)，兩束倍頻光強(qiáng)相等，平衡互相關(guān)信號(hào)值為0，如圖中C點(diǎn)所示。

其次，利用高速數(shù)據(jù)采集卡采集平衡探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)，將該信號(hào)送入伺服控制設(shè)備，通過(guò)反饋控制，伺服控制設(shè)備控制光纖飛秒激光器即脈沖間隔距離；測(cè)量脈沖光將待測(cè)物體的振動(dòng)反映為其與參考脈沖光的時(shí)間延遲，而測(cè)量脈沖光相對(duì)參考脈沖光的位移可以根據(jù)脈沖間隔的改變計(jì)算得出。通過(guò)頻率計(jì)數(shù)器連續(xù)采集飛秒激光器的重復(fù)頻率，上位機(jī)可實(shí)時(shí)測(cè)得振動(dòng)幅值為：

$\mathrm{\Δ}L=L_2-L_1=\frac{c}{{\mathrm{nf}}_2}-\frac{c}{{\mathrm{nf}}_1}$

其中，n為空氣折射率，c為光速，f₁、f₂分別為兩次鎖定時(shí)飛秒激光器脈沖重復(fù)頻率，L1為靜止時(shí)待測(cè)振動(dòng)面到參考位置的距離，L2為振動(dòng)時(shí)待測(cè)振動(dòng)面到參考位置的距離，二者之差即為振動(dòng)幅值。由此即完成了對(duì)待測(cè)振動(dòng)面的微振動(dòng)測(cè)試。