CN107588874A - 一种光压测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光压测量装置及方法，属于光压测量技术领域。光压测量装置包括底座、水平滑动滑块、倾角调节装置、支座、竖直滑动滑块、张拉装置、夹具、圆形薄膜，所述水平滑动滑块置于底座上的水平滑槽内，所述竖直滑动滑块置于支座上的竖直滑槽内，竖直滑块中央设有方形孔，张拉装置连接在方形孔内，张拉装置用于通过夹具夹紧圆形薄膜，倾角调节装置用于调节圆形薄膜的前后方向的倾角。光压测量装置与光源、分光板、补偿板、观察屏、固定反射镜共同组成光压测量系统。光压测量方法通过光压测量系统实现。本发明提供的光压测量装置及方法，测量装置结构更简单，操作更方便，测量变形更精细，适合于非常小的光压的测量。

Description

一种光压测量装置及方法

技术领域

本发明具体涉及一种光压测量装置及方法，属于光压测量技术领域。具体涉及一种利用周边固定的圆形薄膜的变形理论解和迈克尔逊干涉法测定光压大小的装置和方法。

背景技术

光具有波粒二象性，其传播过程中主要显示出波动性，其与物体发生作用时主要显示出粒子性。当光照射在物体上之时，光粒子与物体之间会交换动能，根据动量定理可知，此时物体便可获得动能。这一现象在宏观上即表现为光具有压强，一定面积的物体因光压作用而受到一定的力。

因为光压的数值量级相当小，所以无法使用普通的测力装置对其进行测量。

发明专利ZL201110233271.8公开了一种用于基于光压法的高能激光能量参数测量方法和装置。发明专利申请CN105527020A公开了一种基于光纤光路的光压演示及测量系统。发明专利CN201410023274.2公开了一种基于纳米银膜的光压传感器及其光压检测方法。

在实际应用中，物体所受到的光压大小会受到诸如材料反射率、材料表面均匀度等因素的影响，物体实际受到的光压相比基于光强的理论计算公式所得的数值会有一定的减小，因此测量物体实际受到的光压的大小尤为重要。

为了测量物体实际受到的光压的大小，其技术思路之一是通过测量物体受光压后的变形量来计算此时物体所受的光压。其中的关键在于两点：1、光压的大小与被照物体的变形量之间必须有一对一的精确对应关系；2、由于光压非常小，测量变形量的方法必须相当精细。

发明内容

因此，针对现有技术的上述不足，本发明目的旨在提供一种光压测量装置及方法。基于周边固定、中心受集中力作用的圆形薄膜的变形理论解和迈克尔逊干涉法实现光压测量。

具体的，光压测量装置，包括底座，所述光压测量装置还包括水平滑动滑块、倾角调节装置、支座、竖直滑动滑块、张拉装置、夹具、圆形薄膜，所述水平滑动滑块置于底座上的水平滑槽内，所述竖直滑动滑块置于支座上的竖直滑槽内，竖直滑块中央设有方形孔，张拉装置连接在方形孔内，张拉装置用于通过夹具夹紧圆形薄膜，所述倾角调节装置用于调节圆形薄膜的前后方向的倾角。

进一步的，所述水平滑动滑块与水平滑槽之间设有紧固螺钉，所述竖直滑动滑块与竖直滑槽之间设有紧固螺钉。

进一步的，所述张拉装置连接在方形孔内的方式为，方形孔四边内壁上各设有一个方形凸起，张拉装置上设有与4个方形凸起对应的4个方形孔，张拉装置嵌套在方形凸起上。

进一步的，所述夹具数量为4个，4个夹具分别对应张拉装置的圆形夹持部分的圆周四等分位置设置，夹具上设置螺纹孔及夹紧螺钉。

本发明的光压测量装置与迈克尔逊干涉仪结合作为一种光压测量系统使用，具体为，光压测量系统，包括上述任一项所述的光压测量装置，所述光压测量系统还包括光源、分光板、补偿板、观察屏、固定反射镜，所述光压测量装置与光源、分光板、补偿板、观察屏、固定反射镜共同组成迈克尔逊干涉仪结构，光压测量装置用于在迈克尔逊干涉仪结构内作为可动反射镜使用。

本发明提供的光压测量方法具体为：利用上述的光压测量系统，将圆形薄膜安装在张拉装置和夹具之间并固定，基于薄膜变形理论解，建立光压载荷大小与薄膜变形量之间准确的对应关系，从而根据薄膜变形量测量出光压大小。

进一步的，所述方法的具体操作过程为：利用上述的光压测量系统，将圆形薄膜安装在张拉装置和夹具之间并固定，通过调整水平滑动滑块和竖直滑动滑块的位置，使激光照射在圆形薄膜的中心点位置，再通过倾角调节装置精调圆形薄膜的倾角，直至迈克尔逊干涉仪结构光源发出的激光束正好照射在圆形薄膜正面的中心点，同时使圆形薄膜反射回的光束与干涉仪中的参考光束重合，在迈克尔逊干涉仪结构的观察屏上产生干涉条纹；

另取一个待测其发出的激光光压大小的连续激光器，使其发出的连续激光束照射在圆形薄膜背面中心位置，逐渐增大该连续激光器的功率，拍摄记录迈克尔逊干涉仪结构观察屏上的干涉条纹变化；

拍摄干涉条纹图像进行分析，提取出干涉条纹的位移量，计算圆形薄膜中心点的位移量，根据周边固定、中心受集中力作用的圆形薄膜的变形理论解公式，计算出此时圆形薄膜受到待测激光器激光束的光压。

在测量方法中，计算公式为：

其中，w₀为薄膜中心点位移；h为薄膜的厚度；υ为薄膜的泊松比；R为薄膜的半径；E为薄膜的弹性模量；P为作用于薄膜中心点的集中力。

本发明的有益效果在于：

综上所述，本发明提供的光压测量装置及方法，基于周边固定、中心受集中力作用的圆形薄膜的变形理论解和迈克尔逊干涉法两种现有技术进行了技术创新。光压的大小与被照物体的变形量之间有一对一的精确对应关系；测量装置结构更简单，操作更方便，测量变形更精细，适合于非常小的光压的测量。

附图说明

图1是迈克尔逊干涉仪的原理图。

图2是本发明光压测量装置的结构示意图。

图3是测量装置张拉圆形薄膜的示意图。

图4是光压测量系统的整体结构示意图。

图5是图4中光压测量装置的示意图。

图6是倾角调节装置的结构示意图。

附图标记如下：

1.底座；2.水平滑动滑块；3.倾角调节装置；4.支座；5.竖直滑动滑块；6.张拉装置；7.夹具；8、光压测量装置；31、前板；32、后板；33、支顶螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

周边固定、中心受集中力作用的圆形薄膜的变形理论解如下：

其中，w₀为薄膜中心点位移；h为薄膜的厚度；υ为薄膜的泊松比；R为薄膜的半径；E为薄膜的弹性模量；P为作用于薄膜中心点的集中力。

如图1所示，迈克尔逊干涉法的原理和所使用的主要装置如下：

从光源L发出的光线经过分光板G1之后分为两束光线，一束经过补偿板G2后照射到固定反射镜M1上，经过固定反射镜M1反射后再次经过补偿板G2并由分光板G1反射到观察屏S上，这一条光路B1称为参考光路；另一束经过可动反射镜M2反射后再次经过分光板G1后照射在观察屏S上，这一条光路B2称为测量光路。当B1和B2两束光线最终在观察屏S上重合的时候，即会发生干涉现象，在观察屏S上产生干涉条纹。当固定反射镜M1和可动反射镜M2两者之间严格垂直的时候，干涉条纹呈同心圆环状，这样的干涉条纹称为等倾干涉条纹。

当可动反射镜M2每移动从光源L发出的光线波长的一半的距离，等倾干涉条纹即吐出/缩进一个圆环(某个圆环移动到原先相邻的在外/内一个圆环的位置)。

本发明提出的方法的核心思想是将周边固定、中心受集中光压力的圆形薄膜替代迈克尔逊干涉仪中的可动反射镜，通过干涉法测得薄膜中心点受光压力作用后的位移，再根据周边固定、中心受集中力的圆形薄膜的变形理论解公式计算此时圆形薄膜实际受到的光压力的大小。其特征在于1、使用本发明提出的装置夹持圆形薄膜；2、通过调节水平滑块、竖直滑块和张拉装置的位置以及调节倾角调节装置的角度使迈克尔逊干涉仪激光光源发出的激光照射在圆形薄膜的正面中心点；3、将光压待测的连续激光束照射在圆形薄膜的背面中心点；4、拍摄迈克尔逊干涉仪观察屏上干涉条纹在照射有光压待测的连续激光和未照射该连续激光时的变化情况，根据干涉条纹的位移解算出圆形薄膜中心点的位移；5、根据周边固定、中心受集中力的圆形薄膜的变形理论解，计算此时连续激光的光压。

本实施例中，所需夹持的圆形薄膜F的直径为R＝1.5×10^-2m，厚度为h＝15×10^{- 6}m，弹性模量为E＝4×10⁹Pa，泊松比为v＝1/3。

如图2、图3所示，将底座1置于迈克尔逊干涉仪装置的滑轨之上，将水平滑块2置于底座的滑槽之中并使用螺钉预紧，将角度调节装置3与水平滑块2之间使用螺钉紧固，将支座4与角度调节装置3之间使用螺钉紧固，将竖直滑块5置于支座4的滑槽之中并使用螺钉预紧，将张拉装置6嵌套于支座4方形孔的四面内壁上的方形凸起外并使用螺钉预紧，将圆形薄膜夹持于张拉装置6和夹具7之间并使用螺钉紧固。

如图4、图5所示，将迈克尔逊干涉仪结构上的可动反射镜及其基座替换为光压测量装置8后，打开干涉仪的激光光源。放松夹具7上的螺钉同时调节相应张拉装置6在支座4方形孔的四面内壁上的方形凸起上的位置，直至圆形薄膜F的表面因受张拉而变得平整，其评判效果是干涉仪观察屏上的反射光斑呈现标准圆形。

通过调节本发明所提出的装置中的水平滑块2和竖直滑块5的位置，使激光照射在圆形薄膜F正面的中心点附近。再通过倾角调节装置3精调圆形薄膜F的倾角，直至迈克尔逊干涉仪结构光源发出的激光束B2正好照射在圆形薄膜F正面的中心点同时使圆形薄膜F反射回的光束与干涉仪中的参考光束B1重合，从而在迈克尔逊干涉仪结构的观察屏S上产生干涉条纹；

另取一个待测其发出的激光光压大小的连续激光器，使其发出的连续激光束B3照射在圆形薄膜F背面中心位置。逐渐增大该连续激光器的功率，拍摄记录迈克尔逊干涉仪结构观察屏S上的干涉条纹变化；

对上述所摄的干涉条纹图像进行分析，提取出干涉条纹的位移量，计算圆形薄膜F中心点的位移量。计算得到圆形薄膜F中心点的位移量为w₀＝1.93μm，那么根据周边固定、中心受集中力作用的圆形薄膜的变形理论解公式，即可计算出此时圆形薄膜F受到连续激光束B3的光压力为P＝2×10^-9N。

倾角调节装置3可灵活设计，在本实施例中，如图6所示，倾角调节装置3包括前板31及后板32，前板31及后板32上均设有可使圆形薄膜露出的圆孔。后板32连接水平滑动滑块2，前板31安装在支座4上，倾角调节装置3的前板31与后板32通过球铰及弹簧相连接，后板32上设有螺纹孔及用于支顶前板31进而与球铰、弹簧配合实现倾角调节的支顶螺钉33。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光压测量装置，包括底座，其特征在于，所述光压测量装置还包括水平滑动滑块、倾角调节装置、支座、竖直滑动滑块、张拉装置、夹具、圆形薄膜，所述水平滑动滑块置于底座上的水平滑槽内，所述竖直滑动滑块置于支座上的竖直滑槽内，竖直滑块中央设有方形孔，张拉装置连接在方形孔内，张拉装置用于通过夹具夹紧圆形薄膜，所述倾角调节装置用于调节圆形薄膜的前后方向的倾角。

2.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述水平滑动滑块与水平滑槽之间设有紧固螺钉，所述竖直滑动滑块与竖直滑槽之间设有紧固螺钉。

3.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述张拉装置连接在方形孔内的方式为，方形孔四边内壁上各设有一个方形凸起，张拉装置上设有与4个方形凸起对应的4个方形孔，张拉装置嵌套在方形凸起上。

4.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述夹具数量为4个，4个夹具分别对应张拉装置的圆形夹持部分的圆周四等分位置设置，夹具上设置螺纹孔及夹紧螺钉。

5.一种光压测量系统，包括权利要求1至4任一项所述的光压测量装置，其特征在于，所述光压测量系统还包括光源、分光板、补偿板、观察屏、固定反射镜，所述光压测量装置与光源、分光板、补偿板、观察屏、固定反射镜共同组成迈克尔逊干涉仪结构，光压测量装置用于在迈克尔逊干涉仪结构内作为可动反射镜使用。

6.一种光压测量方法，其特征在于，所述方法为：利用权利要求5所述的光压测量系统，将圆形薄膜安装在张拉装置和夹具之间并固定，基于薄膜变形理论解，建立光压载荷大小与薄膜变形量之间准确的对应关系，从而根据薄膜变形量测量出光压大小。

7.如权利要求6所述的光压测量方法，其特征在于，所述方法具体为：利用权利要求6所述的光压测量系统，将圆形薄膜安装在张拉装置和夹具之间并固定，通过调整水平滑动滑块和竖直滑动滑块的位置，使激光照射在圆形薄膜的中心点位置，再通过倾角调节装置精调圆形薄膜的倾角，直至迈克尔逊干涉仪结构光源发出的激光束正好照射在圆形薄膜正面的中心点，同时使圆形薄膜反射回的光束与干涉仪中的参考光束重合，在迈克尔逊干涉仪结构的观察屏上产生干涉条纹；

另取一个待测其发出的激光光压大小的连续激光器，使其发出的连续激光束照射在圆形薄膜背面中心位置，逐渐增大该连续激光器的功率，拍摄记录迈克尔逊干涉仪结构观察屏上的干涉条纹变化；

拍摄干涉条纹图像进行分析，提取出干涉条纹的位移量，计算圆形薄膜中心点的位移量，根据周边固定、中心受集中力作用的圆形薄膜的变形理论解公式，计算出此时圆形薄膜受到待测激光器激光束的光压。

8.如权利要求7所述的光压测量方法，其特征在于，所述方法中计算公式为：

其中，w₀为薄膜中心点位移；h为薄膜的厚度；υ为薄膜的泊松比；R为薄膜的半径；E为薄膜的弹性模量；P为作用于薄膜中心点的集中力。