薄壁封閉玻璃腔室光學(xué)參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光譜分析及激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種超高靈敏慣性與磁場(chǎng)測(cè)量 裝置敏感表頭(薄壁封閉玻璃腔室)光學(xué)參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于SERF效應(yīng)原子自旋慣性與磁場(chǎng)測(cè)量裝置，利用原子的角動(dòng)量特性和原子的拉 莫爾進(jìn)動(dòng)特性，進(jìn)行慣性和磁場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)裝置。超高靈敏慣性與磁場(chǎng)測(cè) 量裝置，可服務(wù)于化學(xué)物質(zhì)成份與結(jié)構(gòu)分析和生物分子結(jié)構(gòu)分析、原子自旋陀螺儀\磁強(qiáng)計(jì) 等領(lǐng)域。內(nèi)含堿金屬和惰性氣體的薄壁封閉玻璃腔室是超高靈敏磁場(chǎng)和慣性測(cè)量裝置的敏 感表頭，腔室的性能從本質(zhì)上決定了儀器靈敏度的極限。因此，對(duì)薄壁封閉玻璃腔室自身光 學(xué)參數(shù)的研究，是超高靈敏慣性與磁場(chǎng)測(cè)量裝置必不可少的一部分。
[0003] 目前，對(duì)于薄壁封閉玻璃腔室自身光學(xué)參數(shù)的檢測(cè)主要通過(guò)破壞性實(shí)驗(yàn)，將腔室 敲碎，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量其厚度，另外通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)腔室材料的折射率;這種方法簡(jiǎn)單 易行，但是會(huì)對(duì)腔室造成永久性損傷，無(wú)法復(fù)原。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種薄壁封閉玻璃腔室光學(xué) 參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)腔室的無(wú)損檢測(cè)，并進(jìn)一步提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述系統(tǒng)的方法。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明提出一種薄壁封閉玻璃腔室光學(xué)參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，包括:用于產(chǎn) 生輸入光的光源，用于信號(hào)調(diào)制解調(diào)的鎖相放大器、光學(xué)斬波器和光電探測(cè)器，用于光路調(diào) 節(jié)的元器件分光片、透鏡、光闌，以及計(jì)算機(jī)；
[0006] 光源產(chǎn)生激光進(jìn)入主光路，經(jīng)兩個(gè)透鏡調(diào)節(jié)光斑尺寸，再經(jīng)光闌整形光斑、控制光 強(qiáng);輸入光經(jīng)過(guò)分光片后形成參考光路和測(cè)量光路，測(cè)量光路的激光經(jīng)過(guò)腔室的表面，反射 到光電探測(cè)器中，其輸出信號(hào)經(jīng)鎖相放大器調(diào)制后，連接計(jì)算機(jī);參考光路的激光直接由光 電探測(cè)器檢測(cè)，其輸出信號(hào)經(jīng)另一鎖相放大器調(diào)制后，連接計(jì)算機(jī)。
[0007] 本發(fā)明還提出一種薄壁封閉玻璃腔室光學(xué)參數(shù)的檢測(cè)方法，包括如下步驟：
[0008] 1)對(duì)實(shí)驗(yàn)所用激光器進(jìn)行標(biāo)定；
[0009] 2)改變激光器的控制溫度調(diào)節(jié)激光的頻率，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備記錄原始數(shù)據(jù)， 包括測(cè)量信號(hào)的幅值和頻率、調(diào)制信號(hào)的幅值和頻率；
[0010] 3)對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行方波調(diào)制，設(shè)置光學(xué)斬波器的頻率，如式（1);并利用正交的兩 路信號(hào)來(lái)解調(diào)待測(cè)信號(hào)，如式(3)和式(4);根據(jù)多通道交叉調(diào)制的原理，調(diào)制信號(hào)與待測(cè)信 號(hào)通過(guò)相敏感器相互作用，如式(5)和式(6);其輸出經(jīng)過(guò)低通濾波器之后，大部分高頻信號(hào) 被去除，如式(7)和式(8);兩路解調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)矢量加法器，輸出信號(hào)U? t，如式(9);
[0011] Sig(t) =Vr · Sq( ω t) (1)
[0012] 式中，Sig(t)表示待測(cè)信號(hào)，Vr表示待測(cè)信號(hào)的幅值，Sq( cot)表示方波調(diào)制函數(shù)， ω表示角頻率；
[0013] Refi(t) =ViC〇s( ω t+θ) (3)
[0014] Ref2(t) =Visin( ω t+θ) (4)
[0015] 式中，Refi(t)表示調(diào)制信號(hào)l，Ref2(t)表示調(diào)制信號(hào)2,它與調(diào)制信號(hào)1有90°相位 差，1表示調(diào)制信號(hào)的幅值，Θ表示調(diào)制信號(hào)的偏置相位角；
[0021 ]式中，ω表示待測(cè)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果，⑴表示待測(cè)信 號(hào)與調(diào)制信號(hào)2進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果，T表示積分時(shí)間，1]_表示待測(cè)信號(hào)的幅值；
[0022] 4)參考步驟3,獲取反射光信號(hào)和入射光信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)擬合，得到薄壁封閉 玻璃腔室光學(xué)參數(shù)，即壁厚和折射率，具體如式(10)所示：
[0023]
[0024]式中，Iin表不入射激光的光強(qiáng)，Ir表不反射激光的光強(qiáng)，It表不透射激光的光強(qiáng)，Ro 表示測(cè)量樣品表面的反射率，λ表示激光器的波長(zhǎng)，η表示待測(cè)樣品的折射率，d表示待測(cè)樣 品的物理厚度，α表示激光的入射角，β表示激光的出射角。
[0025]有益效果:提出基于多通道交叉檢測(cè)的慣性與磁場(chǎng)測(cè)量裝置敏感表頭光學(xué)參數(shù)的 檢測(cè)方法和系統(tǒng)，本發(fā)明解決了薄壁封閉玻璃腔室光學(xué)參數(shù)(物理壁厚、折射率)無(wú)損檢測(cè) 的問(wèn)題，為超高靈敏慣性與磁場(chǎng)測(cè)量裝置后續(xù)的深入研究提供了基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明檢測(cè)方法的原理圖；
[0027] 圖中的附圖標(biāo)記為：調(diào)制信號(hào)1、鎖相環(huán)2、晶振3、相位調(diào)制器4、相敏感器5、低通濾 波器6、Χ向直流分量7、矢量加法器8、輸出信號(hào)9、Υ向直流分量10、運(yùn)算放大器11、方波調(diào)制 器12、帶通濾波器13、測(cè)量信號(hào)14;
[0028] 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖中的附圖標(biāo)記為：鎖相放大器15、測(cè)量樣品16、光電探測(cè)器17、分光片18、透鏡 19、光學(xué)斬波器20、光闌21、透鏡22、激光器23、計(jì)算機(jī)24;
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的DFB激光器標(biāo)定結(jié)果圖；
[0031 ]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)測(cè)試原始記錄圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]結(jié)合圖1和圖2描述本發(fā)明。
[0033] 圖1為本發(fā)明檢測(cè)方法的原理圖，首先分析測(cè)量信號(hào)14的運(yùn)行路線，測(cè)量信號(hào)14進(jìn) 入檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)帶寬濾波器13,去除工頻信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響，通過(guò)方波函數(shù)12對(duì)測(cè)量信號(hào) 進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器11之后通過(guò)相敏感器與調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相互作用；下面分析參考 信號(hào)的運(yùn)行路線，參考信號(hào)1經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)2和內(nèi)部晶振3之后，相位和頻率信息被準(zhǔn)確獲取， 然后一部分參考信號(hào)直接通過(guò)相敏感器5與測(cè)量信號(hào)相互作用，另外一部分參考信號(hào)經(jīng)過(guò) 相位調(diào)制器4發(fā)生90°相移之后通過(guò)相敏感器5與測(cè)量信號(hào)相互作用;兩路輸出信號(hào)7和10分 別經(jīng)過(guò)Butterworth低通濾波器6之后，經(jīng)過(guò)矢量加法器8進(jìn)行矢量和運(yùn)算便得到，需要的輸 出信號(hào)9。
[0034] 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，激光從光源23中導(dǎo)出，通過(guò)兩個(gè)透鏡19和22調(diào)節(jié) 光斑的尺寸，用光闌21對(duì)輸入光進(jìn)行整形，控制光的強(qiáng)度;輸入光經(jīng)過(guò)分光片18之后由一束 激光變成兩束激光，其中一束激光經(jīng)過(guò)腔室的表面，反射到光電探測(cè)器17當(dāng)中，光電探測(cè)器 的輸出信號(hào)接到鎖相放大器15進(jìn)行調(diào)制，輸出信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)24,另外一束激光直接用光 電探測(cè)器17進(jìn)行檢測(cè)，輸出信號(hào)通過(guò)鎖相放大器15調(diào)制，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)24。
[0035] 所述主光路經(jīng)分光片連接參考光路和測(cè)量光路;參考信號(hào)光路入射激光由光電探 測(cè)器檢測(cè)，鎖相放大器調(diào)制該輸出信號(hào)，最后連接計(jì)算機(jī);測(cè)量信號(hào)光路入射激光經(jīng)腔室表 面反射到光電探測(cè)器，另一鎖相放大器調(diào)制該輸出信號(hào)，最后連接計(jì)算機(jī)。
[0036] 下面以08單質(zhì)封閉薄壁玻璃腔室(單質(zhì)08、6001:〇1'1'4!16、501:〇1'冰2，方形氣室，邊長(zhǎng) 2.5cm)為例。首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的DFB激光器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。
[0037] 第二步，通過(guò)改變激光器的控制溫度，來(lái)調(diào)節(jié)激光的頻率；以1°C為步長(zhǎng)改變激光 器的溫度，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備記錄