CN106289499A - 一种利用飞秒激光的测微振动系统及测微振动方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于平衡光学互相关的利用飞秒激光的测微振动系统及测微测振方法，属于光电精密测量领域。本发明包括微波原子钟、光纤飞秒激光器、伺服控制设备、数据采集设备、上位机以及光学测量组件。本发明的基本原理是平衡光学互相关原理，由锁定的飞秒激光器发出的飞秒脉冲，经过光学测量组件，数据采集设备采集光信号，输出信号分别进入伺服控制设备和计算机处理设备，伺服控制设备控制激光器重复频率，计算机实时输出测量结果。该方法的最大优点在于测量灵敏、数据处理简单，主要用于实现高精度、实时测微振动。本发明中可以用于一维微振动信号的测量和对微振动传感器的校准，并可以用于制作振动测量仪器设备等。

Description

一种利用飞秒激光的测微振动系统及测微振动方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于平衡光学互相关的利用飞秒激光的测微振动系统及测微测振方法，属于光电精密测量领域。

背景技术

振动是自然界里一个基本的物理现象，很多应用需要获取速度、位移、。加速度等描述振动的物理量值。三种参数既有区别又互相联系，并有确定的函数关系，速度是位移的微分变量，而加速度则是速度的微分变量。振动幅度、振动频率以及振动相位延迟是测量所关心的最终结果。能够精确测量这些参数意义重大。

激光测振可以实现远距离、非接触测量，并且测量灵敏、精度高、抗干扰能力强，广泛应用于各种军事测量和民用测量中，尤其是在测量各种的微弱振动、物体微小形变等方面。主要的测量技术有：参考光测量技术、全息干涉法测量技术、散斑法测量技术、莫尔条纹法测量技术。散斑法后期数据处理复杂耗时，不适用于线测量；全息干涉法对记录介质的分辨率要求过高；莫尔条纹法调试仪器相对困难。参考光测量法包括外差法和零差法，相对其它几种振动测量方法参考光测量方法的优点在于系统成本较低、便于调试、可靠性和稳定性较高。

针对现有技术数据处理复杂、仪器调试困难等问题，本发明基于平衡光学互相关的基本原理，提出了一种新的利用飞秒激光的参考光测振技术及装置。该方法具有操作简便、后期数据处理简单等优点，有利于实际工 程测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决针对现有技术测量精度低、数据处理过程复杂以及仪器调试困难的问题，提供一种实现高精度、实时测微振动的利用飞秒激光的测微振动系统及测微振动方法。

本发明的目的是通过以下技术解决方案解决的。

一种利用飞秒激光测微振动的系统，包括微波原子钟、光纤飞秒激光器、伺服控制设备、数据采集设备、上位机以及光学测量组件。

所述微波原子钟为微波频率计数器提供基准参考，可实现对测量基准的溯源。

所述光纤飞秒激光器将重复频率和偏移频率锁定到微波原子钟，从而为测微振动装置提供高精度测量的稳定性并向光学测量系统提供稳定的光源。

所述伺服控制设备调整脉冲间隔，保证测量脉冲光与参考脉冲光产生的平衡互相关信号在测量过程中连续处于零值状态。

所述数据采集设备包括平衡探测器和微波频率计数器。平衡探测器将光学测量系统输出的光信号转换成电信号，经差分放大，把该信号送入伺服控制设备；微波频率计数器连续采集飞秒激光器的重复频率。

其中，微波原子钟通过刺刀螺母连接器连接飞秒激光器；数据采集设备通过微波高频连接器转同轴电缆连接器连接伺服控制设备；数据采集设备通过光缆连接上位机。

所述上位机为一台式计算机，负责对通频率计数器连续采集飞秒激光 器的重复频率进行处理、存储以及显示实时测得的飞秒激光振动幅值。

所述光学测量组件包括二分之一波片、一对四分之一波片、偏振分光镜、参考反射镜、待测振动面、两对双色镜、双折射晶体、一对凸透镜、扩束准直镜以及倍频晶体，分别通过夹持器件固定在光学平台上。二分之一波片以及一对四分之一波片用来调节偏振光的偏振方向；偏振分光镜用来将入射光分成两束偏振垂直的参考光和测量光；参考反射镜反射参考脉冲光；待测振动面为一振动台，其具体功能为提供一个相对于参考位置的待测位移；两对双色镜用来分离基频光和倍频光；双折射晶体用于补偿延时；一对凸透镜用来汇聚光束；扩束准直镜用来减小飞秒激光光束的发散角；倍频晶体用以实现倍频功能。光倍频技术属于非线性光学现象，是相干光的非线性频率转换过程。倍频是指两束基频脉冲光在晶体中满足相位匹配及群速匹配的条件下，产生一种频率是基频光频率二倍的光，该倍频光的强弱与测量脉冲、参考脉冲在晶体中的重叠度有着直接关系。

一种利用飞秒激光的测微振动系统及测微振动方法，其原理为：

光纤飞秒激光器发出一束飞秒激光通过半波片，由偏振分光镜分成两束飞秒激光，一束飞秒激光经参考反射镜反射，此为参考脉冲光；另一束飞秒激光通过扩束准直镜被待侧振动面反射，此为测量脉冲光；二分之一波片调节由偏振分光镜分出参考脉冲光和测量脉冲光的强度比例；参考光路和测量光路上各有一个四分之波片，四分之一波片保证返回的参考脉冲光和测量脉冲光偏振态满足偏振分光镜的分光条件；返回的参考脉冲光和测量脉冲光合为一束，在倍频晶体处发生倍频效应，经分色镜反射回的基频光在晶体处再次倍频。通过分色镜的滤波，输出两束纯净的倍频光。

使用平衡探测器探测两束倍频光信号，利用高速数据采集卡采集平衡探测器输出的电信号并将该信号送入伺服控制设备；通过反馈控制，伺服控制设备控制光纤飞秒激光器来改变脉冲间隔距离，使平衡探测器输出信号为0，此时锁定设备锁定信号，读取重复频率值；然后将两次得到的重复频率值送入到上位机，从而实现实时测量振动幅值。

有益效果

1、本发明对测微振动数据的处理过程简单，测试灵敏度高于传统测量仪器，主要用于实现高精度、实时测微振动。

2、本发明中可以用于一维微振动信号的测量和对微振动传感器的校准，并可以用于制作振动测量仪器设备等。

附图说明

图1表示通过晶体前后的基频光强I₁₀、I₂₀一定时，取T1＝T2＝100fs，并对系数进行了归一化处理所得到的平衡互相关信号随时间延迟变化的模拟图；

图2表示利用光纤飞秒激光测微振动的装置；

图3为本发明的飞秒激光的测微振动系统测微振动方法的流程图；

其中，1-原子钟、2-光纤飞秒激光器、3-伺服控制设备、4-参考反射镜、5-第一四分之一波片、6-二分之一波片、7-偏振分光镜、8-第二四分之一波片、9-扩束准直镜、10-待测振动面、11-第一分色镜、12-第一凸透镜、13-倍频晶体、14-双折射晶体、15-第二凸透镜、16-第三分色镜、17-第二分色镜、18-第四分色镜、19-上位机、20-数据采集设备。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，一种利用飞秒激光测微振动的系统，包括微波原子钟、光纤飞秒激光器、伺服控制设备、数据采集设备、上位机以及光学测量组件。

所述微波原子钟为微波频率计数器提供基准参考，可实现对测量基准的溯源。

所述光纤飞秒激光器将重复频率和偏移频率锁定到微波原子钟，从而为测微振动装置提供高精度测量的稳定性并向光学测量系统提供稳定的光源。

所述伺服控制设备调整脉冲间隔，保证测量脉冲光与参考脉冲光此对平衡互相关信号在测量过程中连续处于零值状态。

所述数据采集设备包括平衡探测器和微波频率计数器。平衡探测器将光学测量系统输出的光信号转换成电信号，经差分放大，把该信号送入伺服控制设备；微波频率计数器连续采集飞秒激光器的重复频率，微波频率计数器参考到铷原子钟，即可实现对测量基准的溯源所述上位机为一台式计算机，负责对通频率计数器连续采集飞秒激光器的重复频率进行处理、存储以及显示实时测得的飞秒激光振动幅值。

其中，微波原子钟通过刺刀螺母连接器连接飞秒激光器；数据采集设备通过微波高频连接器转同轴电缆连接器连接伺服控制设备；数据采集设备通过光缆连接上位机。

所述光学测量组件包括二分之一波片、一对四分之一波片、偏振分光镜、参考反射镜、待测振动面、两对双色镜、双折射晶体、一对凸透镜、扩束准直镜以及倍频晶体。二分之一波片以及一对四分之一波片用来调节 偏振光的偏振方向；偏振分光镜用来将入射光分成两束偏振垂直的参考光和测量光；参考反射镜反射参考脉冲光；待测振动面为一振动台，其具体功能为提供一个相对于参考位置的待测位移；两对双色镜用来分离基频光和倍频光；双折射晶体用于补偿延时；一对凸透镜用来汇聚光束；扩束准直镜用来减小飞秒激光光束的发散角；倍频晶体用以实现倍频功能。光倍频技术属于非线性光学现象，是相干光的非线性频率转换过程。倍频是指两束基频脉冲光在晶体中满足相位匹配及群速匹配的条件下，产生一种频率是基频光频率二倍的光，该倍频光的强弱与测量脉冲、参考脉冲在晶体中的重叠度有着直接关系。

作为优选方案，本发明中的微波原子钟(1)采用铷原子钟；光纤飞秒激光器(2)为受空气色散影响较小的中心波长为1550nm、初始脉冲宽度为100fs的光纤飞秒激光器；偏振分光镜(7)直径25.4mm，材料为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)的材料分别为石英晶体，直径12.7mm；参考反射镜(4)为飞秒激光反射镜，材料为K9型人造玻璃，反射率97％；第一分色镜(11)、第二分色镜(17)的直径分别为25.4mm，材料为K9型人造玻璃，反射率>99.5@1550nm，透射率>90％@775nm，0度，功能为透射波长为775nm的倍频光并反射波长为1550nm的基频光；第三分色镜(16)、第四分色镜(18)的直径分别为25.4mm，材料为K9型人造玻璃，反射率>99.5@775nm，透射率>90％@1550nm，45度，功能为透射波长为1550nm的基频光并反射波长为775nm的倍频光；倍频晶体(13)规格为5mm×2mm×1mm，材料为周期性极化的磷酸氧钛钾晶体；双折射晶体(14)为铌酸锂晶体； 待测振动面(10)为丹麦BK声学与振动测量公司的振动台，型号4808；探测器为索雷博公司的平衡光电探测器，型号为PDB450A。

如图1、图2、及图3所示，一种利用飞秒激光测微振动的系统的测微振动方法为：

首先，飞秒激光器发出一束飞秒激光通过半波片和偏振分光镜，调整该半波片的角度来调节该飞秒激光的偏振态，从而调节偏振分光镜分成的两束光的强度比例；由偏振分光镜分成两束光，一束光经参考反射镜反射，此为参考脉冲光；另一束光通过扩束准直镜后被待侧面反射，此为测量脉冲光。调整参考光路和测量光路上的四分之一波片的角度，使被反射回来的参考脉冲光和测量脉冲光以最大强度再次通过偏振分光镜，并合为一束光。该合束光通过倍频晶体发生倍频效应，产生一种光频为基频光二倍的光；经分色镜滤出该倍频光，并将基频光原路反射，在晶体处再次倍频，通过分色镜的滤波，又得到一束倍频光。使用平衡探测器探测两束倍频光信号，将光信号转换为电压信号，该信号表达式为：

$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分别为通过晶体前后的基频光强，L为倍频晶体的长度，T₁、T₂分别为参考脉冲和测量脉冲的脉冲宽度，Δt为参考脉冲与测量脉冲在晶体中固定时间延迟(由于两束光在晶体中的折射率不同)，τ为参考脉冲与测量脉冲进入晶体前的时间延迟。测量脉冲相对参考脉冲的时间延迟决定平衡互相关信号的大小。如图1所示，为该表达式模拟的平衡互相关信号图，当两束光在晶体中没有重叠时，平衡互相关信号的值为0，如图 中A点所示；图中B点表示前后两次倍频光光强差最大，即平衡互相关信号幅值最大；当两束光在晶体中的平均重叠度相等时，两束倍频光强相等，平衡互相关信号值为0，如图中C点所示。

其次，利用高速数据采集卡采集平衡探测器输出的电压信号，将该信号送入伺服控制设备，通过反馈控制，伺服控制设备控制光纤飞秒激光器即脉冲间隔距离；测量脉冲光将待测物体的振动反映为其与参考脉冲光的时间延迟，而测量脉冲光相对参考脉冲光的位移可以根据脉冲间隔的改变计算得出。通过频率计数器连续采集飞秒激光器的重复频率，上位机可实时测得振动幅值为：

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

其中，n为空气折射率，c为光速，f₁、f₂分别为两次锁定时飞秒激光器脉冲重复频率，L1为静止时待测振动面到参考位置的距离，L2为振动时待测振动面到参考位置的距离，二者之差即为振动幅值。由此即完成了对待测振动面的微振动测试。

Claims (2)

1.一种利用飞秒激光测微振动的系统，其特征在于：包括微波原子钟、光纤飞秒激光器、伺服控制设备、数据采集设备、上位机以及光学测量组件；

所述微波原子钟为微波频率计数器提供基准参考，即可实现对测量基准的溯源；

所述光纤飞秒激光器将重复频率和偏移频率锁定到微波原子钟，从而为测微振动装置提供高精度测量的稳定性并向光学测量系统提供稳定的光源；

所述伺服控制设备调整脉冲间隔，保证测量脉冲光与参考脉冲光产生的平衡互相关信号在测量过程中连续处于零值状态；

所述数据采集设备包括平衡探测器和微波频率计数器；平衡探测器将光学测量系统输出的光信号转换成电信号，经差分放大，把该信号送入伺服控制设备；微波频率计数器连续采集飞秒激光器的重复频率，微波频率计数器参考到铷原子钟，从而实现对测量基准的溯源；

其中，微波原子钟通过刺刀螺母连接器连接飞秒激光器；数据采集设备通过微波高频连接器转同轴电缆连接器连接伺服控制设备；数据采集设备通过光缆连接上位机；

所述上位机为一台式计算机，负责对通频率计数器连续采集飞秒激光器的重复频率进行处理、存储以及显示实时测得的飞秒激光振动幅值；

所述光学测量组件包括二分之一波片、一对四分之一波片、偏振分光镜、参考反射镜、待测振动面、两对双色镜、双折射晶体、一对凸透镜、扩束准直镜以及倍频晶体，分别通过夹持器件固定在光学平台上；二分之一波片以及一对四分之一波片用来调节偏振光的偏振方向；偏振分光镜用来将入射光分成两束偏振垂直的参考光和测量光；参考反射镜反射参考脉冲光；待测振动面为一振动台，其具体功能为提供一个相对于参考位置的待测位移；两对双色镜用来分离基频光和倍频光；双折射晶体用于补偿延时；一对凸透镜用来汇聚光束；扩束准直镜用来减小飞秒激光光束的发散角；倍频晶体用以实现倍频功能；

工作原理为：

光纤飞秒激光器发出一束飞秒激光通过半波片，由偏振分光镜分成两束飞秒激光，一束飞秒激光经参考反射镜反射，此为参考脉冲光；另一束飞秒激光通过扩束准直镜被待侧振动面反射，此为测量脉冲光；二分之一波片调节由偏振分光镜分出参考脉冲光和测量脉冲光的强度比例；参考光路和测量光路上各有一个四分之波片，四分之一波片保证返回的参考脉冲光和测量脉冲光偏振态满足偏振分光镜的分光条件；返回的参考脉冲光和测量脉冲光合为一束，在倍频晶体处发生倍频效应，经分色镜反射回的基频光在晶体处再次倍频；通过分色镜的滤波，输出两束纯净的倍频光；

使用平衡探测器探测两束倍频光信号，利用高速数据采集卡采集平衡探测器输出的电信号并将该信号送入伺服控制设备；通过反馈控制，伺服控制设备控制光纤飞秒激光器来改变脉冲间隔距离，使平衡探测器输出信号为0，此时锁定设备锁定信号，读取重复频率值；然后将两次得到的重复频率值送入到上位机，从而实现实时测量振动幅值。

2.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光测微振动的系统的测微振动方法，其特征在于，具体步骤为：

首先，飞秒激光器发出一束飞秒激光通过半波片和偏振分光镜，调整该半波片的角度来调节该飞秒激光的偏振态，从而调节偏振分光镜分成的两束光的强度比例；由偏振分光镜分成两束光，一束光经参考反射镜反射，此为参考脉冲光；另一束光通过扩束准直镜后被待侧面反射，此为测量脉冲光；调整参考光路和测量光路上的四分之一波片的角度，使被反射回来的参考脉冲光和测量脉冲光以最大强度再次通过偏振分光镜，并合为一束光；该合束光通过倍频晶体发生倍频效应，产生一种光频为基频光二倍的光；经分色镜滤出该倍频光，并将基频光原路反射，在晶体处再次倍频，通过分色镜的滤波，又得到一束倍频光；使用平衡探测器探测两束倍频光信号，将光信号 转换为电压信号，该信号表达式为：

其中I₁₀、I₂₀分别为通过晶体前后的基频光强，L为倍频晶体的长度，T₁、T₂分别为参考脉冲和测量脉冲的脉冲宽度，Δt为参考脉冲与测量脉冲在晶体中固定时间延迟，τ为参考脉冲与测量脉冲进入晶体前的时间延迟；测量脉冲相对参考脉冲的时间延迟决定平衡互相关信号的大小；

其次，利用高速数据采集卡采集平衡探测器输出的电压信号，将该信号送入伺服控制设备，通过反馈控制，伺服控制设备控制光纤飞秒激光器即脉冲间隔距离；测量脉冲光将待测物体的振动反映为其与参考脉冲光的时间延迟，而测量脉冲光相对参考脉冲光的位移可以根据脉冲间隔的改变计算得出；通过频率计数器连续采集飞秒激光器的重复频率，上位机可实时测得振动幅值为：

其中，n为空气折射率，c为光速，f₁、f₂分别为两次锁定时飞秒激光器脉冲重复频率，L1为静止时待测振动面到参考位置的距离，L2为振动时待测振动面到参考位置的距离，二者之差即为振动幅值；由此即完成了对待测振动面的微振动测试。