實驗名稱：基(ji)于(yu)連續(xu)光干(gan)涉(she)條紋計數的距離(li)測(ce)量

　　研究方(fang)向：探(tan)究水下(xia)聲(sheng)光調制(zhi)效應

　　實(shi)驗目的：基使(shi)用(yong)飛(fei)秒激光對海水(shui)聲速(su)進行了(le)測(ce)(ce)(ce)量(liang)。聲波(bo)飛(fei)行距離采用(yong)基于連續光干涉條紋(wen)計數(shu)的距離測(ce)(ce)(ce)量(liang)方法(fa)(fa)(fa)，聲波(bo)飛(fei)行時(shi)間(jian)采用(yong)互相關的測(ce)(ce)(ce)量(liang)方法(fa)(fa)(fa)。基于上述測(ce)(ce)(ce)量(liang)方法(fa)(fa)(fa)，本章(zhang)在(zai)實(shi)驗室中搭(da)建(jian)了(le)實(shi)驗光路系統，提升了(le)海水(shui)聲速(su)的高精度測(ce)(ce)(ce)量(liang)。

　　測試(shi)設備：ATA-122D帶寬(kuan)放大(da)器，信(xin)號發生器，試(shi)件(jian)，示波器

　　實驗(yan)過程：使用(yong)信(xin)號(hao)發生器(qi)，經(jing)(jing)由帶寬放大器(qi)（Aigtek，ATA-122D）來驅動超聲換能器(qi)發出聲脈沖信(xin)號(hao)經(jing)(jing)過聲光作用(yong)區域。脈沖光的調制信(xin)號(hao)會經(jing)(jing)透鏡(jing)聚焦，由光電探測器(qi)接收(shou)轉換，通過示波器(qi)呈現信(xin)號(hao)。

　　圖一(yi)聲波飛(fei)行距離測(ce)量原理圖

　　將飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)鎖定在(zai)外(wai)接頻率源銣鐘上(shang)。調整(zheng)精(jing)密位移臺上(shang)反射鏡M3的位置(zhi)，使(shi)(shi)參(can)(can)考(kao)光(guang)(guang)路和測量光(guang)(guang)路具有相同的光(guang)(guang)程(cheng)差。同時，反射鏡M4隨精(jing)密位移臺PDP3一起移動，使(shi)(shi)連續固體激(ji)光(guang)(guang)器(qi)發(fa)出的連續光(guang)(guang)能夠使(shi)(shi)測量臂與參(can)(can)考(kao)臂一直產生(sheng)干涉信號。

　　圖二聲波(bo)飛(fei)行時(shi)間測量原理圖

　　為(wei)了保(bao)證(zheng)測(ce)(ce)(ce)得(de)的(de)(de)超(chao)聲(sheng)波傳(chuan)(chuan)播(bo)距離的(de)(de)準(zhun)(zhun)確性，使(shi)用氣浮臺(tai)確保(bao)水(shui)平狀態。通過微(wei)調(diao)(diao)固定(ding)在平臺(tai)上的(de)(de)反射(she)鏡M1和(he)反射(she)鏡M2來實現兩測(ce)(ce)(ce)量(liang)光(guang)路(lu)的(de)(de)平行。同時，調(diao)(diao)整反射(she)鏡M6在位移(yi)臺(tai)上的(de)(de)位置，以(yi)(yi)使(shi)參考光(guang)路(lu)和(he)測(ce)(ce)(ce)量(liang)光(guang)路(lu)具(ju)有相同的(de)(de)光(guang)程差。同理(li)，調(diao)(diao)整了反射(she)鏡M7在位移(yi)臺(tai)上的(de)(de)位置，并使(shi)用分束鏡BS1（將頻率梳分為(wei)兩個垂直(zhi)光(guang)束。光(guang)束進入雙邁克爾遜(xun)干(gan)涉(she)(she)儀，兩個測(ce)(ce)(ce)量(liang)光(guang)路(lu)被(bei)聲(sheng)波連續調(diao)(diao)制，利用光(guang)電探測(ce)(ce)(ce)器(qi)PD接收干(gan)涉(she)(she)信號。在實驗(yan)過程中(zhong)，在水(shui)箱中(zhong)放置了溫度傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)，鹽(yan)度傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)和(he)聲(sheng)速傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)，以(yi)(yi)實時監測(ce)(ce)(ce)溫度和(he)鹽(yan)度。將測(ce)(ce)(ce)量(liang)結果(guo)與(yu)聲(sheng)速傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)進行比(bi)較，以(yi)(yi)驗(yan)證(zheng)該方法(fa)的(de)(de)準(zhun)(zhun)確性和(he)可行性。

　　實驗裝(zhuang)置：本測試系(xi)統(tong)中所用(yong)到的儀器(qi)(qi)主要包含函(han)(han)數發生器(qi)(qi)、帶寬放(fang)大器(qi)(qi)、超聲(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)和光(guang)電探測器(qi)(qi)，使(shi)用(yong)函(han)(han)數發生器(qi)(qi)發出信(xin)號，通(tong)(tong)過(guo)帶寬放(fang)大器(qi)(qi)驅動超聲(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)，發出超聲(sheng)波(bo)通(tong)(tong)過(guo)聲(sheng)光(guang)作用(yong)區域脈沖光(guang)的調制信(xin)號會(hui)經透鏡聚焦(jiao)，再由光(guang)電探測器(qi)(qi)轉換(huan)，最終通(tong)(tong)過(guo)示(shi)波(bo)器(qi)(qi)呈現(xian)。

　　實驗(yan)(yan)結果：實驗(yan)(yan)中采(cai)(cai)用(yong)信號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)產(chan)生(sheng)特(te)定頻(pin)率(lv)的(de)正(zheng)弦信號(hao)(hao)，經功率(lv)放大器(qi)放大后接(jie)入(ru)超聲(sheng)探頭，并使用(yong)連續超聲(sheng)進行觀察(cha)，超聲(sheng)頻(pin)率(lv)越(yue)高時，聲(sheng)波長越(yue)短，衍射(she)(she)角也(ye)越(yue)大，各級(ji)衍射(she)(she)光(guang)也(ye)越(yue)容易離。經實驗(yan)(yan)表明，頻(pin)率(lv)為2MHz以下(xia)的(de)超聲(sheng)換能(neng)器(qi)作(zuo)用(yong)產(chan)生(sheng)的(de)衍射(she)(she)光(guang)，和零級(ji)光(guang)混在了一起，目前沒(mei)有能(neng)將衍射(she)(she)光(guang)與(yu)原入(ru)射(she)(she)光(guang)有效區分開來的(de)方法(fa)。因此，本實驗(yan)(yan)采(cai)(cai)用(yong)2MHz超聲(sheng)換能(neng)器(qi)。如下(xia)圖所示，為該環(huan)境下(xia)采(cai)(cai)集所得(de)到(dao)的(de)原入(ru)射(she)(she)光(guang)與(yu)一級(ji)衍射(she)(she)光(guang)的(de)干(gan)涉信號(hao)(hao)圖。

　　圖三干擾信號圖

　　將(jiang)(jiang)一級(ji)衍射(she)光(guang)與(yu)入(ru)射(she)光(guang)干(gan)涉信(xin)號展開(kai)后發現(xian)，光(guang)波與(yu)聲(sheng)(sheng)波正(zheng)弦調制信(xin)號一一對應，有著較(jiao)好(hao)的規律(lv)性。將(jiang)(jiang)一級(ji)衍射(she)光(guang)與(yu)原入(ru)射(she)光(guang)進(jin)行干(gan)涉處理，通過實驗證明，該實驗方(fang)法所得到的信(xin)號會受環境因(yin)素影響而出現(xian)波形抖動的現(xian)象，但(dan)總體穩定(ding)度較(jiao)為(wei)良好(hao)。如下圖所示，黑(hei)色(se)曲線(xian)代表聲(sheng)(sheng)速傳(chuan)感器(qi)獲得的結(jie)果(guo)(guo)，紅色(se)實心圓(yuan)圈代表該方(fang)法獲得的結(jie)果(guo)(guo)。該實驗方(fang)法的測(ce)量結(jie)果(guo)(guo)十分接(jie)近聲(sheng)(sheng)速傳(chuan)感器(qi)測(ce)

　　圖(tu)四(si)在23.02℃下的聲速測量結果

　　由于(yu)一(yi)(yi)(yi)級衍射(she)(she)光的(de)光強遠遠小于(yu)原入射(she)(she)光的(de)光強，當(dang)將此方法(fa)加(jia)入整個(ge)實驗系統中后(hou)(hou)，第二測量(liang)光干涉所得到(dao)的(de)干涉信號效(xiao)果(guo)并(bing)沒有(you)達到(dao)理想要求。因此，在基(ji)于(yu)一(yi)(yi)(yi)級衍射(she)(she)光與原入射(she)(she)光干涉方法(fa)的(de)基(ji)礎上，今后(hou)(hou)要以提(ti)升海水聲速測量(liang)的(de)精度(du)為目(mu)的(de)，對如何提(ti)高一(yi)(yi)(yi)級衍射(she)(she)光強度(du)的(de)問(wen)題進(jin)行進(jin)一(yi)(yi)(yi)步探究。