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：基于連續光干涉條紋計數的距離測量

　　研究方向：探究水下聲光調制效應

　　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光干涉條紋計數的距離測量方法，聲波飛行時間采用互相關的測量方法。基于上述測量方法，本章在實驗室中搭建了實驗光路系統，提升了海水聲速的高精度測量。

　　測試設備：ATA-122D帶寬放大器，信號發生器，試件，示波器

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

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，使連續固體激光器發出的連續光能夠使測量臂與參考臂一直產生干涉信號。

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。通過微調固定在平臺上的反射鏡M1和反射鏡M2來實現兩測量光路的平行。同時，調整反射鏡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調制，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：本測試系統中所用到的儀器主要包含函數發生器、帶寬放大器、超聲換能器和光電探測器，使用函數發生器發出信號，通過帶寬放大器驅動超聲換能器，發出超聲波通過聲光作用區域脈沖光的調制信號會經透鏡聚焦，再由光電探測器轉換，最終通過示波器呈現。

　　實驗結果：實驗中采用信號發生器產生特定頻率的正弦信號，經功率放大器放大后接入超聲探頭，并使用連續超聲進行觀察，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。經實驗表明，頻率為2MHz以下的超聲換能器作用產生的衍射光，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現，光波與聲波正弦調制信號一一對應，有著較好的規律性。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境因素影響而出現波形抖動的現象，但總體穩定度較為良好。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。

圖：ATA-1220E寬帶放大器指標參數

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