實(shí)驗(yàn)名稱：基于連續(xù)光干涉條紋計(jì)數(shù)的距離測(cè)量

研究方向：探究水下聲光調(diào)制效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模夯褂蔑w秒激光對(duì)海水聲速進(jìn)行了測(cè)量。聲波飛行距離采用基于連續(xù)光干涉條紋計(jì)數(shù)的距離測(cè)量方法，聲波飛行時(shí)間采用互相關(guān)的測(cè)量方法。基于上述測(cè)量方法，本章在實(shí)驗(yàn)室中搭建了實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)，提升了海水聲速的高精度測(cè)量。

測(cè)試設(shè)備：ATA-122D帶寬放大器，信號(hào)發(fā)生器，試件，示波器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：使用信號(hào)發(fā)生器，經(jīng)由帶寬放大器（Aigtek，ATA-122D）來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲換能器發(fā)出聲脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)聲光作用區(qū)域。脈沖光的調(diào)制信號(hào)會(huì)經(jīng)透鏡聚焦，由光電探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換，通過(guò)示波器呈現(xiàn)信號(hào)。

圖一聲波飛行距離測(cè)量原理圖

將飛秒激光鎖定在外接頻率源銣鐘上。調(diào)整精密位移臺(tái)上反射鏡M3的位置，使參考光路和測(cè)量光路具有相同的光程差。同時(shí)，反射鏡M4隨精密位移臺(tái)PDP3一起移動(dòng)，使連續(xù)固體激光器發(fā)出的連續(xù)光能夠使測(cè)量臂與參考臂一直產(chǎn)生干涉信號(hào)。

圖二聲波飛行時(shí)間測(cè)量原理圖

為了保證測(cè)得的超聲波傳播距離的準(zhǔn)確性，使用氣浮臺(tái)確保水平狀態(tài)。通過(guò)微調(diào)固定在平臺(tái)上的反射鏡M1和反射鏡M2來(lái)實(shí)現(xiàn)兩測(cè)量光路的平行。同時(shí)，調(diào)整反射鏡M6在位移臺(tái)上的位置，以使參考光路和測(cè)量光路具有相同的光程差。同理，調(diào)整了反射鏡M7在位移臺(tái)上的位置，并使用分束鏡BS1（將頻率梳分為兩個(gè)垂直光束。光束進(jìn)入雙邁克爾遜干涉儀，兩個(gè)測(cè)量光路被聲波連續(xù)調(diào)制，利用光電探測(cè)器PD接收干涉信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在水箱中放置了溫度傳感器，鹽度傳感器和聲速傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和鹽度。將測(cè)量結(jié)果與聲速傳感器進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

實(shí)驗(yàn)裝置：本測(cè)試系統(tǒng)中所用到的儀器主要包含函數(shù)發(fā)生器、帶寬放大器、超聲換能器和光電探測(cè)器，使用函數(shù)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)帶寬放大器驅(qū)動(dòng)超聲換能器，發(fā)出超聲波通過(guò)聲光作用區(qū)域脈沖光的調(diào)制信號(hào)會(huì)經(jīng)透鏡聚焦，再由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)示波器呈現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)中采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后接入超聲探頭，并使用連續(xù)超聲進(jìn)行觀察，超聲頻率越高時(shí)，聲波長(zhǎng)越短，衍射角也越大，各級(jí)衍射光也越容易離。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，頻率為2MHz以下的超聲換能器作用產(chǎn)生的衍射光，和零級(jí)光混在了一起，目前沒(méi)有能將衍射光與原入射光有效區(qū)分開來(lái)的方法。因此，本實(shí)驗(yàn)采用2MHz超聲換能器。如下圖所示，為該環(huán)境下采集所得到的原入射光與一級(jí)衍射光的干涉信號(hào)圖。

圖三干擾信號(hào)圖

將一級(jí)衍射光與入射光干涉信號(hào)展開后發(fā)現(xiàn)，光波與聲波正弦調(diào)制信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，有著較好的規(guī)律性。將一級(jí)衍射光與原入射光進(jìn)行干涉處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該實(shí)驗(yàn)方法所得到的信號(hào)會(huì)受環(huán)境因素影響而出現(xiàn)波形抖動(dòng)的現(xiàn)象，但總體穩(wěn)定度較為良好。如下圖所示，黑色曲線代表聲速傳感器獲得的結(jié)果，紅色實(shí)心圓圈代表該方法獲得的結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)方法的測(cè)量結(jié)果十分接近聲速傳感器測(cè)

圖四在23.02℃下的聲速測(cè)量結(jié)果

由于一級(jí)衍射光的光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原入射光的光強(qiáng)，當(dāng)將此方法加入整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中后，第二測(cè)量光干涉所得到的干涉信號(hào)效果并沒(méi)有達(dá)到理想要求。因此，在基于一級(jí)衍射光與原入射光干涉方法的基礎(chǔ)上，今后要以提升海水聲速測(cè)量的精度為目的，對(duì)如何提高一級(jí)衍射光強(qiáng)度的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步探究。