一种激光侦听器波长测量实验装置及其实验方法

摘要

本发明公开一种激光侦听器波长测量实验装置及其实验方法，实验测量装置包括光学导轨、若干二维滑座、激光器、偏振光片组、扩束镜、比累对切透镜、测微目镜以及白屏；实验方法依次包括调节等高共轴、调出清晰的干涉条纹、测量参考光源的干涉条纹以及测量待测光源的干涉条纹。本发明的有益效果：本发明将比累对切透镜应用于激光侦听器的波长测量，通过测量干涉条纹间距，得到比累对切透镜切去部分宽度，从而计算出激光波长；实验操作简便，测量准确，精度较高，同时，对该实验装置进一步改进完善后，还可用于犯罪现场勘查中对多波段光源所产生的特定波长单色光进行检验，操作简便，测量精度高，可大面积推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，具体为一种激光侦听器波长测量实验装置及其实验方法。

背景技术

激光侦听器在实战中发挥了重要的作用，该设备对接收到的反射激光进行光电检测，通过滤波、功率放大等步骤解析出声信号，从而实现远程监听和声源定位的功能。

半导体激光器是一种比较敏感的器件，在使用过程中由于环境和驱动电源等因素的影响可能会导致波长发生漂移。有研究表明，在电流恒定的情况下，当温度升高时半导体激光器输出波长会变大，变化量约为0.1-0.2nm/℃。作为激光侦听器的核心部件，半导体激光器的发射功率和发射波长稳定性直接决定了激光侦听器的实战效果。特别是激光发射器的发射波长，与激光侦听器中解析环节的检波、滤波、调制解调、功放等电子器件的工作频率息息相关，只有工作频率相互匹配时，才能实现最佳的侦听效果。

在实战中，随着激光侦听器长时间工作或使用寿命的增长，受自身温度和外界环境等因素的影响，半导体激光器的发射波长总会发生一定的偏移，从而导致激光侦听器解析环节的电子器件无法实现工作频率的有效匹配，严重影响侦听效果。因此，实时准确测量半导体激光器的发射波长，及时校准激光侦听器解析环节的电子器件的工作频率，实现最佳的侦听效果具有重要意义。

国内外对激光波长测量问题有一定的研究，从测量原理主要分为：衍射型和干涉型。衍射型测量精度较低；干涉型主要有：斐索干涉、法布里-珀罗干涉和迈克尔逊干涉。这些干涉型测量技术精度较高，但是系统复杂、价格昂贵，主要用于标准领域作计量标准，并不适合作为激光侦听器的波长测量系统。

发明内容

为解决以上现有问题，本发明基于比累对切透镜，设计了一种激光侦听器波长测量实验装置及其实验方法，本发明通过以下技术方案实现。

一种激光侦听器波长测量实验装置，基于比累对切透镜：

所述激光侦听器波长测量实验装置包括光学导轨、若干二维滑座、激光器、偏振光片组、扩束镜、比累对切透镜、测微目镜以及白屏；

所述光学导轨正面设有长刻尺，底部两端设有升降调节座；若干所述二维滑座可左右移动的设在所述光学导轨上；所述激光器、偏振光片组、扩束镜、比累对切透镜以及测微目镜分别设在若干所述二维滑座上；所述激光器包括作为参考光源的氦氖激光器和作为待测光源的半导体激光器。

激光侦听器波长测量实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)调节等高共轴。将波长为532.0nm的半导体激光器和白屏放置于长度为1.5m的光学导轨上，打开半导体激光器，沿导轨移动白屏，调节激光方向，直至在整根导轨上移动白屏时激光光点均落在白屏小孔上，此时半导体激光束平行于光学导轨；

将半导体激光器拿下，放上波长为632.8nm的氦氖激光器，重复上述操作步骤，使氦氖激光束与光学导轨平行；

将偏振光片组、扩束镜、比累对切透镜、测微目镜由左向右依次摆放在光学导轨上，分别调节上述光学器件使其与氦氖激光器等高共轴。

(2)调出清晰的干涉条纹。移动扩束镜使其置于比累对切透镜的焦点处，移动测微目镜将其置于比累对切透镜的实像干涉区，利用偏振光片组调节光强，在测微目镜的视场中观察干涉条纹，为了便于测量，在看到清晰的干涉条纹后，应将测微目镜前后缓慢移动，使干涉条纹宽度适当。

(3)测量参考光源的干涉条纹。将氦氖激光器、偏振光片组、扩束镜、比累对切透镜、测微目镜一一锁定，用测微目镜测读并记录第1-21条暗条纹的位置读数，测量中注意：分划板上的横线与干涉条纹平行，测量时，鼓轮只能向一个方向旋转，防止产生空程差。

(4)测量待测光源的干涉条纹。将氦氖激光器更换为半导体激光器，重复上述操作步骤，用测微目镜测读并记录第1-21条暗条纹的位置读数。

本发明的有益效果：本发明将比累对切透镜应用于激光侦听器的波长测量，通过测量干涉条纹间距，得到比累对切透镜切去部分宽度，从而计算出激光波长；实验操作简便，测量准确，精度较高，同时，对该实验装置进一步改进完善后，还可用于犯罪现场勘查中对多波段光源所产生的特定波长单色光进行检验，操作简便，测量精度高，可大面积推广应用。

附图说明

图1为比累对切透镜示意图；

图2为点光源S位于比累对切透镜物方焦平面以外的中心轴线上的原理示意图；

图3为点光源S位于比累对切透镜物方焦平面以内的中心轴线上的原理示意图；

图4为点光源S位于比累对切透镜物方焦平面与中心轴线的交点上的原理示意图；

图5为上半个透镜的成像光路图；

图6为两束平行光的干涉图；

图7为本发明一种激光侦听器波长测量实验装置及其实验方法的实验装置示意图；

图8为参考光源的干涉条纹图像；

图9为待测光源的干涉条纹图像；

图10为参考光源干涉图样暗条纹位置线性拟合图；

图11为待测光源干涉图样暗条纹位置线性拟合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作更为详细、完整的说明。

具体实施例1，一种激光侦听器波长测量实验装置及其实验方法，基于比累对切透镜；

一、实验原理

比累对切透镜是许多高精密光学仪器的重要元件，在目标识别、数字光计算和光学信息加密等领域有着重要的意义。它是将一块凸透镜沿直径方向切去中央宽度为a的部分(关于光心对称)，再将剩余两部分拼接后所构成的，如图1所示。拼接后，上半部分透镜的光心在拼接处下方a/2的O

如图2所示，点光源S位于比累对切透镜物方焦平面以外的中心轴线上，到比累对切透镜中心O的距离为u，即u＜f。根据透镜成像规律，该点光源将在透镜像方成实像。由于比累对切透镜上下两部分光心错开，点光源S发出的单色光经过比累切透镜会被分为两部分，分别会聚于S

如图3所示，点光源S位于比累对切透镜物方焦平面以内的中心轴线上，到比累对切透镜中心O的距离为u，即u＜f。根据透镜成像规律，该点光源将在透镜物方成虚像。由于比累对切透镜上下两部分光心错开，点光源S发出的单色光经过比累切透镜会被分成两束发散的球面波，其反向延长之后会在物方得到两个相干的虚光源S1和S2，两虚光源会在光波交叠区域发生干涉。

如图4所示，点光源S位于比累对切透镜物方焦平面与中心轴线的交点上，到比累对切透镜中心O的距离为u，即u＝f。由于比累对切透镜上下两部分光心错开，点光源S发出的单色光经过上半个透镜折射后，在透镜像方形成斜向下的平行光，经过下半个透镜折射后，在透镜像方形成斜向上的平行光，会在两束平行光交叠区域发生干涉，两束平行光所形成的夹角为θ。

以u＝f为例，进行理论推导和实验操作。图5为上半个透镜的成像光路图，其中MN为比累对切透镜的中心轴线，AB为原凸透镜的中心轴线，用虚线补足原凸透镜其余部分。点光源S发出的单色光经过透镜折射后，形成平行光，其与透镜中心轴线所形成的夹角为2/θ。由几何关系知：

由于比累对切透镜切去部分宽度a＝f，有

图6为两束平行光的干涉图，其中箭头表示两束平行光的传播方向，θ为两束平行光所形成的夹角，实线和虚线分别表示干涉区域内某一时刻的波峰平面和波谷平面，在垂直于透镜中心轴线的光屏PQ上，X、Y、Z为相长干涉的亮条纹位置，D、E为相消干涉的暗条纹位置，相邻两波峰平面间的垂直距离为波长λ。根据几何关系可知：

由于a＝f，有

二、实验装置

激光侦听器波长测量实验装置包括光学导轨1、若干二维滑座2、激光器3、偏振光片组4、扩束镜5、比累对切透镜6、测微目镜7以及白屏；

光学导轨1正面设有长刻尺101，底部两端设有升降调节座102，若干二维滑座2可左右移动的设在光学导轨1上；

激光器3、偏振光片组4、扩束镜5、比累对切透镜6以及测微目镜7分别设在若干二维滑座2上，其中，激光器3包括作为参考光源的氦氖激光器和作为待测光源的半导体激光器。

三、实验方法

(1)调节等高共轴。将波长为532.0nm的半导体激光器和白屏放置于长度为1.5m的光学导轨上，打开半导体激光器，沿导轨移动白屏，调节激光方向，直至在整根导轨上移动白屏时激光光点均落在白屏小孔上，此时半导体激光束平行于光学导轨；

将半导体激光器拿下，放上波长为632.8nm的氦氖激光器，重复上述操作步骤，使氦氖激光束与光学导轨平行；

将偏振光片组、扩束镜、比累对切透镜、测微目镜由左向右依次摆放在光学导轨上，分别调节上述光学器件使其与氦氖激光器等高共轴。

(2)调出清晰的干涉条纹。移动扩束镜使其置于比累对切透镜的焦点处，移动测微目镜将其置于比累对切透镜的实像干涉区，利用偏振光片组调节光强，在测微目镜的视场中观察干涉条纹，为了便于测量，在看到清晰的干涉条纹后，应将测微目镜前后缓慢移动，使干涉条纹宽度适当。

(3)测量参考光源的干涉条纹。将氦氖激光器、偏振光片组、扩束镜、比累对切透镜、测微目镜一一锁定，用测微目镜测读并记录第1-21条暗条纹的位置读数，测量中注意：分划板上的横线与干涉条纹平行，测量时，鼓轮只能向一个方向旋转，防止产生空程差。

(4)测量待测光源的干涉条纹。将氦氖激光器更换为半导体激光器，重复上述操作步骤，用测微目镜测读并记录第1-21条暗条纹的位置读数。

四、实验测量数据及结果

(1)数据测量

实验中，使用氦氖激光器作为参考光源，测量比累对切透镜切去部分的宽度a，其干涉条纹图样如图 8所示，暗条纹位置测量数据见表1。使用半导体激光器作为待测光源，测量未知光源波长，其干涉条纹图样如图9所示，暗条纹位置测量数据见表2。

表1参考光源干涉图样暗条纹位置测量数据

表2待测光源干涉图样暗条纹位置测量数据

(2)数据处理

由于干涉图样的条纹是等间距的，故满足X

根据线性拟合结果，可知参考光源暗条纹平均间距为：

比累对切透镜切去部分宽度

利用origin软件对待测光源干涉图样暗条纹位置测量数据进行线性拟合，得到图11。

根据线性拟合结果，可知待测光源暗条纹平均间距为：

可求得待测光源的波长为：

(3)估算不确定度

根据参考光源干涉图样暗条纹位置线性拟合结果，可知斜率(即参考光源干涉图样暗条纹间距△X) 的标准误差为：

参考光源干涉图样暗条纹间距的不确定度为：

u(Δx)＝4.92×10

根据待测光源干涉图样暗条纹位置线性拟合结果，可知斜率(即待测光源干涉图样暗条纹间距Δx′) 的标准误差为：

待测光源干涉图样暗条纹间距的不确定度为：

u(Δx)＝4.92×10

由误差传递公式

u(λ)＝3

则待测光源的波长为：

测量结果与待测光源(半导体激光器)的标准值λ

本发明将比累对切透镜应用于激光侦听器的波长测量，通过测量干涉条纹间距，得到比累对切透镜切去部分宽度，从而计算出激光波长。实验操作简便，测量准确，精度较高。同时，对该实验装置进一步改进完善后，还可用于犯罪现场勘查中对多波段光源所产生的特定波长单色光进行检验。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。