[发明专利]多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量玻璃厚度的装置及方法

权利要求书

1.多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量玻璃厚度的装置，其特征在于所述装置由激光器(1)、偏振分束镜PBS(2)、四分之一波片(3)、振镜(4)、平面反射镜(5)、待测厚度玻璃板(6)、会聚透镜(7)、光电探测器(8)和信号处理系统(9)组成，

激光器(1)发出的线偏振光经偏振分束镜PBS(2)反射后入射至四分之一波片(3)，经该四分之一波片(3)透射后的光束入射至振镜(4)的光接收面，经该振镜(4)反射的光束再次经四分之一波片(3)透射后发送至偏振分束镜PBS(2)，经该偏振分束镜PBS(2)透射后的光束入射至平面反射镜(5)的反射面，经该平面反射镜(5)反射后的光束入射至待测厚度玻璃板(6)，经该待测厚度玻璃板(6)前表面透射的光束在该待测厚度玻璃板(6)内、经该待测厚度玻璃板(6)的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经该待测厚度玻璃板(6)的前表面透射之后与经该待测厚度玻璃板(6)前表面反射后的光束均通过会聚透镜(7)汇聚至光电探测器(8)的光敏面上，所述光电探测器(8)输出电信号给信号处理系统(9)。

2.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量玻璃厚度的装置，其特征在于：所述激光器(1)为H₀固体激光器。

3.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量玻璃厚度的装置，其特征在于：所述信号处理系统(9)由滤波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模数转换器A/D(9-3)和数字信号处理器DSP(9-4)组成，

所述滤波器(9-1)对接收到的光电探测器(8)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大器(9-2)，经前置放大器(9-2)放大之后的信号输出给模数转换器A/D(9-3)，所述模数转换器A/D(9-3)将转换后的信号发送给数字信号处理器DSP(9-4)。

4.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量玻璃厚度的装置，其特征在于：所述振镜(4)为多普勒振镜，其简谐振动方程为：

x(t)＝x₀cos(ω_ct)，

式中x₀为振镜(4)振动的振幅，ω_c为振镜(4)的角频率，c为光速，t为时间，

其速度方程为：

v(t)＝-ω_cx₀sin(ω_ct)。

5.采用权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量玻璃厚度的装置实现玻璃厚度测量的方法，其特征在于该方法的过程为：

首先，利用二维调整架调节平面反射镜(5)和待测厚度玻璃板(6)的位置，使平面反射镜(5)反射光入射到待测厚度玻璃板(6)中心位置；

然后，打开振镜(4)的驱动电源使振镜(4)开始做简谐振动；同时，打开激光器(1)；开始测量，在测量过程中，通过信号处理系统(9)连续采集光电探测器(8)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得待测厚度玻璃板(6)的厚度d，

d＝f/K，

式中f为二次谐波信号的频率，K为比例系数。

6.根据权利要求5所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量玻璃厚度的装置实现玻璃厚度测量的方法，其特征在于对所述通过信号处理系统(9)连续采集光电探测器(8)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得待测厚度玻璃板(6)的厚度d的过程中，所述频率f和比例系数K是采用下述方法获得：

由于光束在待测厚度玻璃板(6)的前后表面之间会不断地反射和折射，光混频由激光在待测厚度玻璃板(6)前表面的反射光与待测厚度玻璃板(6)后表面反射k次和k+1次后的透射出待测厚度玻璃板(6)前表面产生的幅度相差2～3个数量级的两个差频信号，所述测量方法中的二次谐频差为检测待测厚度玻璃板(6)后表面k次反射的E_k与待测厚度玻璃板(6)后表面k+2次反射后的E_k+2光混频所形成；

当激光以入射角θ₀斜入射待测厚度玻璃板(6)前表面时的入射光场为

E(t)＝E_lexp(iω₀t)                公式1

振镜(4)的振动方程为

x(t)＝x₀cos(ω_ct)                 公式2

振镜(4)的速度方程为

v(t)＝-ω_cx₀sin(ω_ct)             公式3

由于振镜(4)的运动，反射光的频率变为

ω＝ω₀(1-2ω_cx₀sin(ω_ct)/c)      公式4

上述公式中参数ω₀为激光角频率，参数x₀为振镜(4)振动的振幅，参数ω_c为振镜(4)的角频率，参数c为光速；

则t-l/c时刻到达待测厚度玻璃板(6)前表面的反射光场为：

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，参数α₀＝r，r为待测厚度玻璃板(6)的反射系数；l为振镜(4)到待测厚度玻璃板(6)前表面的光程，E_l为振幅常数；

经待测厚度玻璃板(6)透射的光在不同时刻被待测厚度玻璃板(6)后表面反射m次而透射出待测厚度玻璃板(6)后，获得m束反射光的表达式分别写成如下形式：

E₁(t)＝α₁E_lexp{i[ω₀(1-2ω_cx₀sin(ωc(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，参数α₁＝ββ’r’，...，α_m＝ββ’r’^(2m-1)，β为待测厚度玻璃板(6)前表面的透射系数，β′为光透射出待测厚度玻璃板(6)时的透射系数，r′为待测厚度玻璃板(6)内部前后表面反射光的反射系数，θ为光束光从周围介质入射待测厚度玻璃板(6)前表面时的折射角，下标m取值为0，1，2......，n为待测厚度玻璃板(6)的折射率，d为待测厚度玻璃板(6)的厚度；

光电探测器(8)接收到的总光场表示为：

E(t)＝E₀(t)+E₁(t)+…+E_m(t)                      公式7

则光电探测器(8)输出的光电流表示为：

I=ηehv1Z∫∫S12[E0(t)+E1(t)+···+Em(t)+···][E0(t)+E1(t)+···+Em(t)+···]*ds]]>公式8

其中，参数e为电子电量，参数Z为光电探测器(8)表面介质的本征阻抗，参数η为量子效率，参数S为光电探测器(8)光敏面的面积，参数h为普朗克常数，参数v为激光频率，*号表示复数共轭；

整理得到外差信号二次谐波的中频电流为：

Iif=ηe2hv1Z∫∫sΣp=0∞Σj=p+2∞(Ep(t)Ej*(t)+Ep*(t)Ej(t))ds]]>公式9

将公式5和公式6代入公式9，最终结果为：

IIF=ηehvπZE02Σp=0m-1Σj=0m-pαj+pαjcos[8ndcosθω0ωc2x0c2t+2ω0x0c-4ndω0cosθc-8ndcosθω0ωc2x0(l+2pndcosθ)c3]]]>公式10

忽略1/c³的小项之后简化为：

IIF=ηehvπZE02Σp=0m-1Σj=0m-pαj+pαjcos(8ndcosθω0ωc2x0c2t+2ω0x0-4ndω0cosθc)]]>公式11

其中，参数p和j均为非负整数；

根据公式9，把激光外差二次谐波信号的频率f记为：

f=8ndcosθω0ωc2x0/(2πc2)=4nω0ωc2x0cosθ/(πc2)=Kd]]>公式12

根据公式11和公式12得知，激光外差二次谐波信号的频率f与待测厚度玻璃板(6)厚度d成正比，所述比例系数K为：

K=4ω0ωc2x0cosθ/(πc2)]]>公式13

求得激光外差二次谐波信号的频率f和激光外差二次谐波信号的频率f与待测厚度玻璃板(6)厚度d之间的比例系数K后，根据d＝f/K，获得待测厚度玻璃板(6)的厚度。