薄壁封闭玻璃腔室光学参数的检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光谱分析及激光测量技术领域，尤其是一种超高灵敏惯性与磁场测量 装置敏感表头(薄壁封闭玻璃腔室)光学参数的检测系统和方法。
【背景技术】
[0002] 基于SERF效应原子自旋惯性与磁场测量装置，利用原子的角动量特性和原子的拉 莫尔进动特性，进行惯性和磁场测量，测量灵敏度远高于传统装置。超高灵敏惯性与磁场测 量装置，可服务于化学物质成份与结构分析和生物分子结构分析、原子自旋陀螺仪\磁强计 等领域。内含碱金属和惰性气体的薄壁封闭玻璃腔室是超高灵敏磁场和惯性测量装置的敏 感表头，腔室的性能从本质上决定了仪器灵敏度的极限。因此，对薄壁封闭玻璃腔室自身光 学参数的研究，是超高灵敏惯性与磁场测量装置必不可少的一部分。
[0003] 目前，对于薄壁封闭玻璃腔室自身光学参数的检测主要通过破坏性实验，将腔室 敲碎，利用游标卡尺测量其厚度，另外通过化学实验检测腔室材料的折射率;这种方法简单 易行，但是会对腔室造成永久性损伤，无法复原。
【发明内容】
[0004] 发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种薄壁封闭玻璃腔室光学 参数的检测系统，实现对腔室的无损检测，并进一步提供一种能够实现上述系统的方法。
[0005] 技术方案:本发明提出一种薄壁封闭玻璃腔室光学参数的检测系统，包括:用于产 生输入光的光源，用于信号调制解调的锁相放大器、光学斩波器和光电探测器，用于光路调 节的元器件分光片、透镜、光阑，以及计算机；
[0006] 光源产生激光进入主光路，经两个透镜调节光斑尺寸，再经光阑整形光斑、控制光 强;输入光经过分光片后形成参考光路和测量光路，测量光路的激光经过腔室的表面，反射 到光电探测器中，其输出信号经锁相放大器调制后，连接计算机;参考光路的激光直接由光 电探测器检测，其输出信号经另一锁相放大器调制后，连接计算机。
[0007] 本发明还提出一种薄壁封闭玻璃腔室光学参数的检测方法，包括如下步骤：
[0008] 1)对实验所用激光器进行标定；
[0009] 2)改变激光器的控制温度调节激光的频率，并通过相关实验设备记录原始数据， 包括测量信号的幅值和频率、调制信号的幅值和频率；
[0010] 3)对待测信号进行方波调制，设置光学斩波器的频率，如式（1);并利用正交的两 路信号来解调待测信号，如式(3)和式(4);根据多通道交叉调制的原理，调制信号与待测信 号通过相敏感器相互作用，如式(5)和式(6);其输出经过低通滤波器之后，大部分高频信号 被去除，如式(7)和式(8);两路解调信号经过矢量加法器，输出信号U? t，如式(9);
[0011] Sig(t) =Vr · Sq( ω t) (1)
[0012] 式中，Sig(t)表示待测信号，Vr表示待测信号的幅值，Sq( cot)表示方波调制函数， ω表示角频率；
[0013] Refi(t) =ViC〇s( ω t+θ) (3)
[0014] Ref2(t) =Visin( ω t+θ) (4)
[0015] 式中，Refi(t)表示调制信号l，Ref2(t)表示调制信号2,它与调制信号1有90°相位 差，1表示调制信号的幅值，Θ表示调制信号的偏置相位角；
[0021 ]式中，ω表示待测信号与调制信号进行调制的结果，⑴表示待测信 号与调制信号2进行调制的结果，T表示积分时间，1]_表示待测信号的幅值；
[0022] 4)参考步骤3,获取反射光信号和入射光信号，进行相关数据拟合，得到薄壁封闭 玻璃腔室光学参数，即壁厚和折射率，具体如式(10)所示：
[0023]
[0024]式中，Iin表不入射激光的光强，Ir表不反射激光的光强，It表不透射激光的光强，Ro 表示测量样品表面的反射率，λ表示激光器的波长，η表示待测样品的折射率，d表示待测样 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检测的惯性与磁场测量装置敏感表头光学参数的 检测方法和系统，本发明解决了薄壁封闭玻璃腔室光学参数(物理壁厚、折射率)无损检测 的问题，为超高灵敏惯性与磁场测量装置后续的深入研究提供了基础。
【附图说明】
[0026]图1为本发明检测方法的原理图；
[0027] 图中的附图标记为：调制信号1、锁相环2、晶振3、相位调制器4、相敏感器5、低通滤 波器6、Χ向直流分量7、矢量加法器8、输出信号9、Υ向直流分量10、运算放大器11、方波调制 器12、带通滤波器13、测量信号14;
[0028] 图2为本发明的系统结构示意图；
[0029] 图中的附图标记为：锁相放大器15、测量样品16、光电探测器17、分光片18、透镜 19、光学斩波器20、光阑21、透镜22、激光器23、计算机24;
[0030]图3为本发明实施例的DFB激光器标定结果图；
[0031 ]图4为本发明实施例的实验测试原始记录图。
【具体实施方式】
[0032]结合图1和图2描述本发明。
[0033] 图1为本发明检测方法的原理图，首先分析测量信号14的运行路线，测量信号14进 入检测系统，经过带宽滤波器13,去除工频信号对测量的影响，通过方波函数12对测量信号 进行调制，经过运算放大器11之后通过相敏感器与调制信号进行相互作用；下面分析参考 信号的运行路线，参考信号1经过锁相环2和内部晶振3之后，相位和频率信息被准确获取， 然后一部分参考信号直接通过相敏感器5与测量信号相互作用，另外一部分参考信号经过 相位调制器4发生90°相移之后通过相敏感器5与测量信号相互作用;两路输出信号7和10分 别经过Butterworth低通滤波器6之后，经过矢量加法器8进行矢量和运算便得到，需要的输 出信号9。
[0034] 图2为本发明的系统结构示意图，激光从光源23中导出，通过两个透镜19和22调节 光斑的尺寸，用光阑21对输入光进行整形，控制光的强度;输入光经过分光片18之后由一束 激光变成两束激光，其中一束激光经过腔室的表面，反射到光电探测器17当中，光电探测器 的输出信号接到锁相放大器15进行调制，输出信号进入计算机24,另外一束激光直接用光 电探测器17进行检测，输出信号通过锁相放大器15调制，最后进入计算机24。
[0035] 所述主光路经分光片连接参考光路和测量光路;参考信号光路入射激光由光电探 测器检测，锁相放大器调制该输出信号，最后连接计算机;测量信号光路入射激光经腔室表 面反射到光电探测器，另一锁相放大器调制该输出信号，最后连接计算机。
[0036] 下面以08单质封闭薄壁玻璃腔室(单质08、6001:〇1'1'4!16、501:〇1'冰2，方形气室，边长 2.5cm)为例。首先，对实验所用的DFB激光器进行标定，标定结果如图3所示。
[0037] 第二步，通过改变激光器的控制温度，来调节激光的频率；以1°C为步长改变激光 器的温度，并通过相关实验设备记录