宽带功率放大器在飞秒激光的海水声速测量中的应用

实验名称：基于连续光干涉条纹计数的距离测量

研究方向：探究水下声光调制效应

实验目的：基使用飞秒激光对海水声速进行了测量。声波飞行距离采用基于连续光干涉条纹计数的距离测量方法，声波飞行时间采用互相关的测量方法。基于上述测量方法，本章在实验室中搭建了实验光路系统，提升了海水声速的高精度测量。

测试设备：ATA-122D带宽放大器，信号发生器，试件，示波器

实验过程：使用信号发生器，经由带宽放大器（Aigtek，ATA-122D）来驱动超声换能器发出声脉冲信号经过声光作用区域。脉冲光的调制信号会经透镜聚焦，由光电探测器接收转换，通过示波器呈现信号。

图一声波飞行距离测量原理图

将飞秒激光锁定在外接频率源铷钟上。调整精密位移台上反射镜M3的位置，使参考光路和测量光路具有相同的光程差。同时，反射镜M4随精密位移台PDP3一起移动，使连续固体激光器发出的连续光能够使测量臂与参考臂一直产生干涉信号。

图二声波飞行时间测量原理图

为了保证测得的超声波传播距离的准确性，使用气浮台确保水平状态。通过微调固定在平台上的反射镜M1和反射镜M2来实现两测量光路的平行。同时，调整反射镜M6在位移台上的位置，以使参考光路和测量光路具有相同的光程差。同理，调整了反射镜M7在位移台上的位置，并使用分束镜BS1（将频率梳分为两个垂直光束。光束进入双迈克尔逊干涉仪，两个测量光路被声波连续调制，利用光电探测器PD接收干涉信号。在实验过程中，在水箱中放置了温度传感器，盐度传感器和声速传感器，以实时监测温度和盐度。将测量结果与声速传感器进行比较，以验证该方法的准确性和可行性。

实验装置：本测试系统中所用到的仪器主要包含函数发生器、带宽放大器、超声换能器和光电探测器，使用函数发生器发出信号，通过带宽放大器驱动超声换能器，发出超声波通过声光作用区域脉冲光的调制信号会经透镜聚焦，再由光电探测器转换，最终通过示波器呈现。

实验结果：实验中采用信号发生器产生特定频率的正弦信号，经功率放大器放大后接入超声探头，并使用连续超声进行观察，超声频率越高时，声波长越短，衍射角也越大，各级衍射光也越容易离。经实验表明，频率为2MHz以下的超声换能器作用产生的衍射光，和零级光混在了一起，目前没有能将衍射光与原入射光有效区分开来的方法。因此，本实验采用2MHz超声换能器。如下图所示，为该环境下采集所得到的原入射光与一级衍射光的干涉信号图。

图三干扰信号图

将一级衍射光与入射光干涉信号展开后发现，光波与声波正弦调制信号一一对应，有着较好的规律性。将一级衍射光与原入射光进行干涉处理，通过实验证明，该实验方法所得到的信号会受环境因素影响而出现波形抖动的现象，但总体稳定度较为良好。如下图所示，黑色曲线代表声速传感器获得的结果，红色实心圆圈代表该方法获得的结果。该实验方法的测量结果十分接近声速传感器测

图四在23.02℃下的声速测量结果

由于一级衍射光的光强远远小于原入射光的光强，当将此方法加入整个实验系统中后，第二测量光干涉所得到的干涉信号效果并没有达到理想要求。因此，在基于一级衍射光与原入射光干涉方法的基础上，今后要以提升海水声速测量的精度为目的，对如何提高一级衍射光强度的问题进行进一步探究。