基于激光自混合效应的微角度测量实验教学研究

吕 亮,张 耒,胡 俊

(安徽大学 物理与光电工程学院,安徽 合肥 230601)

光学实验作为大学物理实验课程的重要组成部分,不仅发挥着辅助加深理论知识的作用,还是学习光学精密仪器调节的重要实践知识平台。目前大学物理实验波动光学领域的实验教学中,多为“迈克尔逊干涉仪”、“夫琅禾费衍射”、“光栅缺级衍射”、“全息照相”等验证型实验[1,2],对光学传感领域中的新发展和新技术涉及较少,导致学生在实验过程中缺乏主动性和独立思考,思维锻炼相对不足[3,4]。本文依托课题组有关自混合微角度传感的前期科研工作[5],提出了“基于激光自混合效应的微角度测量”教学实验,旨在充分锻炼和提升学生的实践操作能力,满足培养创新型光电信息人才的要求[6]。通过引入基于激光自混合效应的传感实验,学生们能够了解新型光学干涉传感方案,学习激光自混合角度测量的基本原理,掌握一定的实验技能并加强对LabVIEW等相关软件的学习。

1 实验原理

小角度测量技术在很多场合都有广泛的应用,例如光学准直,微机电系统(MEMS),原子力显微镜成像和精密测量。目前研究者已经提出并验证了多种小角度测量技术,例如机械测量技术,电磁测量技术,以及光学测量技术[7,8]。在这些测量方法中,光学测量方法比机械测量方法和电磁测量方法有着更高的测量精度,更易实现自动化。而基于激光自混合传感机理具有的结构紧凑、灵敏度高、可靠性高、自对准以及需要更少的光学元件等优点[9-12],我们将激光自混合效应与直角棱镜的光学特性相结合,设计“基于激光自混合效应的微角度测量”教学实验,避免了迈克尔逊干涉系统等传统双光束干涉装置复杂、难以准直等缺点。

在对该微角度测量系统的研究过程中,我们使用一个直角棱镜作为实验装置的光反馈部分,确保光线沿原路反馈回激光腔。回馈光光程与直角棱镜的角度相关。该微角度测量系统的测量原理如图1所示。其中实线:棱镜初始位置时的光路,虚线:棱镜旋转θ时的光路。(AC=q1,OC=q2,AO=BO=ρ,AE=x,BF=y)

图1 激光自混合微角度测量系统的原理图

由于直角棱镜的特性,入射光与出射光始终保持平行,该装置可以使反馈光沿原路反馈回激光谐振腔内。在三角形AEC和三角形DFB中,由正弦定理可得:

(1)

(2)

同时根据Snell定理可知:

n0sinθ=nsinγ。

(3)

光程差可以描述为

(4)

其中,h指的是平面镜和横轴垂直距离,θ既是被测角度,也是入射角,ρ是直角棱镜的直角边长,γ是折射角,n指的是直角棱镜的折射率,n0指的是空气折射率。该实验通过观察激光自混合信号的波形随角度变化而引起的光程差的变化情况,对待测角度进行测量。这里光程差与直角棱镜入射面上的入射点的位置无关。从式(4)可以看出,光程差与直角棱镜的边长和折射率有关。激光自混合信号的外腔长度Lext与激光功率的关系由式(5)给出[13]:

(5)

模拟中棱镜边长ρ和折射率n的参数分别为2.5 cm和1.52;调制系数m为-0.022;激光器初始输出功率P0为5 mW;激光线宽δv为100 MHz;ν为激光器输出频率,c为真空中光速。图2描述的是实验中的模拟自混合输出信号。

Angle/mrad

从图2中可以看出,棱镜角度的变化引起反馈光程变化,每当外腔长度改变半个波长,自混合波形改变一个条纹,自混合条纹会随着被测角度变大而逐渐变密。当棱镜测量角度接近于18 mrad时,图中出现了7个条纹。

2 实验装置

基于激光自混合效应的微角度测量实验教学装置图如图3所示。

图3 基于激光自混合效应的微角度测量实验教学装置图

实验教学装置采用氦氖激光器作为光源,测量系统包括一个分束器,一个光电二极管(PD),一个安装在转盘上的直角棱镜和一个平面镜。实验光路图如图4所示。

图4 基于激光自混合效应的微角度测量实验光路原理图

从氦氖激光器中出射的光束经分束器分为两束,其中一束经过棱镜后被平面镜反射,反馈光重新回到激光腔内发生自混合干涉,调制激光器的输出功率。另外一束光被光电二极管接收转化为电信号,经信号处理单元处理后输入计算机。在我们的实验教学装置中,激光自混合信号处理单元的电路部分由跨阻放大器,二级放大器和滤波器组成。

具体实验操作流程图如图5所示,氦氖激光器开启后,调节光路使激光经分束器、直角棱镜,后被平面镜反射原路返回激光腔内。转动转盘,改变转盘角度后,光程差发生变化,观察自混合信号波形是否有效。波形条纹数未改变时,继续转动转盘,波形条纹改变时记录波形条纹数,实验结束,根据条纹数改变量获得光程差,根据光程差与转动角度的关系,得出所改变的角度。

图5 基于激光自混合效应的微角度测量实验流程图

3 实验数据采集与处理

实验中使用数据采集卡采集信号处理电路的电压信号,并转换为数字信号后进入计算机,同时用LabVIEW软件进行数据的分析与处理。采集到的角度测量系统的波形图如图6所示。

Angle/mrad

图6显示的是该自混合微角度测量系统中使用氦氖激光器作为光源时的波形图。从图中可以观察到,待测角度越大,反馈光引起的光程差变化得就越大,相应地,自混合条纹数也会随着角度的增大而变密,当直角棱镜的被测角度接近于18 mrad时,出现7个条纹,这与图2中的模拟结果保持一致。

将条纹数带入式(4)可获得激光自混合微角度测量系统中被测角度的值。图7红色圆点显示的是被测角度的值,由激光自混合干涉效应测得;黑线代表的是实际的角度值,由转台角速度和转动时间给出。从图7中可知,我们所搭建的微角度测量系统,测量范围为21.49 mrad,误差低于5%。

Actual angle/mrad

4 分析与讨论

在实验教学中,我们引导学生对测量误差进行讨论,误差来自于三个方面,一是实验装置的误差,包括棱镜的摆放位置,转盘速度的稳定性和光路的准直,这些都可以通过相位测量方法消除或减少。还有一部分的误差来源于制作材料本身,主要是由于热膨胀系数和材料的色散引起的,选择合适的材料制作直角棱镜可以帮助我们优化系统分辨率。此外,通过分析环境噪声以及环境温度引起的测量误差,可以引导学生进一步优化信号处理电路,增强系统屏蔽,以扩大测量范围及提高测量精度。

5 结 论

本文提出了一种基于激光自混合效应的微角度测量教学实验方案,不仅可以在保持高分辨率和灵敏度的情况下测量更大范围的角度,还可以为不同类型激光器产生的自混合效应提供一个教学研究平台。

学生可通过基于自混合效应的微角度测量实验能够观察到激光自混合角度测量信号,通过角度与光程差变化的关系,实现对角度的测量。在此过程中,学生可以了解新的光学传感方式,学习激光自混合角度测量的基本原理,掌握实验系统搭建、数据处理及实验分析等能力,同时加强对LabVIEW等相关软件的学习,提升学生科研素质和创新能力。