寬帶功率放大器在飛秒激光的海水聲速測量中的應用

實驗名稱：基于連續(xù)光干涉條紋計數(shù)的距離測量

研究方向：探究水下聲光調(diào)制效應

實驗目的：基使用飛秒激光對海水聲速進行了測量。聲波飛行距離采用基于連續(xù)光干涉條紋計數(shù)的距離測量方法，聲波飛行時間采用互相關的測量方法?；谏鲜鰷y量方法，本章在實驗室中搭建了實驗光路系統(tǒng)，提升了海水聲速的高精度測量。

測試設備：ATA-122D帶寬放大器，信號發(fā)生器，試件，示波器

實驗過程：使用信號發(fā)生器，經(jīng)由帶寬放大器（Aigtek，ATA-122D）來驅動超聲換能器發(fā)出聲脈沖信號經(jīng)過聲光作用區(qū)域。脈沖光的調(diào)制信號會經(jīng)透鏡聚焦，由光電探測器接收轉換，通過示波器呈現(xiàn)信號。

圖一聲波飛行距離測量原理圖

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

圖二聲波飛行時間測量原理圖

為了保證測得的超聲波傳播距離的準確性，使用氣浮臺確保水平狀態(tài)。通過微調(diào)固定在平臺上的反射鏡M1和反射鏡M2來實現(xiàn)兩測量光路的平行。同時，調(diào)整反射鏡M6在位移臺上的位置，以使參考光路和測量光路具有相同的光程差。同理，調(diào)整了反射鏡M7在位移臺上的位置，并使用分束鏡BS1（將頻率梳分為兩個垂直光束。光束進入雙邁克爾遜干涉儀，兩個測量光路被聲波連續(xù)調(diào)制，利用光電探測器PD接收干涉信號。在實驗過程中，在水箱中放置了溫度傳感器，鹽度傳感器和聲速傳感器，以實時監(jiān)測溫度和鹽度。將測量結果與聲速傳感器進行比較，以驗證該方法的準確性和可行性。

實驗裝置：本測試系統(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器，使用函數(shù)發(fā)生器發(fā)出信號，通過帶寬放大器驅動超聲換能器，發(fā)出超聲波通過聲光作用區(qū)域脈沖光的調(diào)制信號會經(jīng)透鏡聚焦，再由光電探測器轉換，最終通過示波器呈現(xiàn)。

實驗結果：實驗中采用信號發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率的正弦信號，經(jīng)功率放大器放大后接入超聲探頭，并使用連續(xù)超聲進行觀察，超聲頻率越高時，聲波長越短，衍射角也越大，各級衍射光也越容易離。經(jīng)實驗表明，頻率為2MHz以下的超聲換能器作用產(chǎn)生的衍射光，和零級光混在了一起，目前沒有能將衍射光與原入射光有效區(qū)分開來的方法。因此，本實驗采用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衍射光的干涉信號圖。

圖三干擾信號圖

將一級衍射光與入射光干涉信號展開后發(fā)現(xiàn)，光波與聲波正弦調(diào)制信號一一對應，有著較好的規(guī)律性。將一級衍射光與原入射光進行干涉處理，通過實驗證明，該實驗方法所得到的信號會受環(huán)境因素影響而出現(xiàn)波形抖動的現(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果，紅色實心圓圈代表該方法獲得的結果。該實驗方法的測量結果十分接近聲速傳感器測

圖四在23.02℃下的聲速測量結果

由于一級衍射光的光強遠遠小于原入射光的光強，當將此方法加入整個實驗系統(tǒng)中后，第二測量光干涉所得到的干涉信號效果并沒有達到理想要求。因此，在基于一級衍射光與原入射光干涉方法的基礎上，今后要以提升海水聲速測量的精度為目的，對如何提高一級衍射光強度的問題進行進一步探究。