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1、光电技术综合设计光电技术综合设计 I I-光电相位探测传感器设计光电相位探测传感器设计班级：光通信班级：光通信 072072姓名：陈适姓名：陈适学号：学号：20070310662007031066日期：日期：20102010 年年 1212 月月 2020 日日一、一、设计目的设计目的 本设计目的在了解其基本工作原理基础上，完成光电相位探测传观器系统的简易或原 理性设计，实现该系统结构简单、使用方便、抗干扰能力强、实时性好、并且能够获得光 波波前相位信息等特点。受设计时间限制，本课程设计主要是对前端的激光器和光电探测 器。光电相位探测传感器主要由光学匹配系统、为透镜阵列、光电探测器、图像采集卡
2、、 数据处理计算机和光波相位模式复原软件等构成。本课程设计研究对象主要为前端激光器 和光电探测模块。二、二、光电相位探测传感器的构成光电相位探测传感器的构成 1、 光学匹配系统 2、 微透镜阵列 3、 光电探测器 4、 图像采集卡 5、 数据处理计算机 6、 光波相位模式复位软件等。三、三、设计原理设计原理1、 将入射光束的口径缩小（放大）到与微透镜阵列相匹配尺寸。 2、 微阵列透镜将入射光瞳分割，对分割后的入射波前成像。 3、 光电探测器用于接收光电信号，目前多用 CCD 探测器。 4、 微透镜阵列和光电探测器之间加入匹配透镜。 5、 计算得到波前相位分布。 6、 光波相位模式复原软件。入射
3、激光束数据处理光电探测器匹配系统微透镜阵列图像采集四、前端激光器四、前端激光器 1、前端激光器的构成（1） 、泵浦系统 泵浦原是指向工作物质共给能量的能源，依靠它把工作物质中的原子，分子丛基态激 发到高能态，并形成粒子束反转。在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，把处于 基态的电子，激励到较高的能级高能态（人们用“泵浦”一词形容这一过程(如同把水从低 处抽往高处)，物理学家将这种状态称为激发态(excited state)。 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的 粒子数增加。一般可以用气体放点的个办法来利用具有动能的电子去
4、激发介质原子，称为 点激励。也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励。各种激励方式被形象化地称为泵 浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地泵浦，以维持处于上能级的粒子数比下能 级多。 常用的泵浦方式有：a电子注入：用电学方法将电子或空穴从作用区的两侧注入到作用区中，以在作用区 形成粒子束反转。二极管激光器采用的就是这种方法，这种泵浦法的优点是：结构简单， 容易调治，效率高等。b光学泵浦：这是利用光源的光辐射把工作物质中的原子泵浦到高能态。固体激光器， 光线激光器，染料激光器，有机激光器等都采用这种方法。对泵浦光源的基本要求是，发 射波长与工作物质吸收波长匹配。满足这个条件，泵浦光源的大部分
5、光能就会真正用于泵 浦，获得比较高的泵浦效率；此外，近年来，用半导体二级激光管作泵浦光源，具有体积 小，使用寿命长，发光效率高等优点。c气体放电泵浦：利用气体放电，加热气体，使他们电离，或者让电子，离子与工作 物质中的原子发生非弹性碰撞，把他们激发到高能态，李子激光器，原子或分子气体激光 器，金属蒸气激光等采用这个方法。d粒子束泵浦：向工作物质注入高能电子或离子，让他们与工作物质的原子或分子作 非弹性碰撞，把后者激发到高能态。高压气体激光器等采用这种方法。e化学泵浦：利用工作物质本身化学反应式所产生的能量，把原子，分子激发到高能 态，化学泵浦可分为直接泵浦，能量转移泵浦和光分解泵浦三种方式：直
6、接泵浦是由工作 物质发生的化学反应形成激发态原子；能量转移泵浦是利用某些化学反应产生的激发态原 子与工作物质的原子作非弹性碰撞，通过能量交换把后者激发到高能态；光分解泵浦是利 用光辐射照射工作物质，使其发生光分解反应，并在反应过程中形成激发态原子。（2） 、工作物质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体和半导体，在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。 （3） 、谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，就可以实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强 度很弱，无法实际应用。于是用光学谐振腔进行放大，所谓光学谐振腔，实际是在激光器 两端，面对面装饰两块反射率很高的镜，
7、一块几乎全反射，一块光大部分反射，少量透射 出去，以使激光可以透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，可以继续诱发新的 受激辐射、因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈 的激光，从部分反射镜子一端输出。以 HE-NE 激光器结构举例： 示意图阳极贮气套阴极放电毛细管图2（a）闭腔式He-Ne激光器结构图阳极贮气套阴极放电毛细管图2（b）开腔式He-Ne激光器结构图阳极贮气套阴极放电毛细管图2（c）半开腔式He-Ne激光器结构图谐振腔构成与分类 光学谐振腔可分为：闭腔、开腔、气体波导腔，其中根据光束几何逸出损耗的高低，开腔又分为稳定腔、非稳腔、临界腔。腔的稳定条
8、件两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔称为共轴球面腔。 。利用变化矩阵算法，得：（1）稳定腔条件： 代入 , 1)(211DA 221RLA )21)(21 (2211RL RL RLD可得： ,引入所谓的 g 函数，将式子改写成：，其中：1)1)(1 (021RL RL 1021gg,上式称为共轴球面腔的稳定性条件，式中当凹面镜向着腔内时，22 111,1RLgRLgR 取正值。当凸面镜向着腔内时，R 取负值。（2）非稳定腔条件：，即0, 12121gggg, 1)(21 DA1)(21 DA临界腔条件：，即0, 12121gggg, 1)(21 DA1)(21 DA2、激光谐振腔基本参数设
9、计： （1）激光器选择： a、由于光电相位探测传感器是主要利用激光的相位来工作，因此选择气体激光器，因 为气体激光器具有光束质量高，方向性好，单色性好，稳定性强，成本低，使用寿命长等 优点。 b、由于稳定腔几何偏折损耗低，且在镜面上的场分布可以用高斯函数描述，可以用高 斯模的匹配来解决光学匹配问题。因此设计采用稳定腔激光器。 （2）条件推导设谐振腔长度为 L，谐振腔参数分别为，谐振腔本征波长推导、g21gg 和1x2x、的数学表达式。 0121OO2RR 1RR 2X1X谐振腔示意图推导过程： 共焦场的振幅分布由下式确定：eznmmnmnyx yzHxzHzEAzyxE)(0 0222 )(2
10、()(2()(| ),(| 对基模：ezyxzEAzyxE)(0 00000222)(| ),(| 可见共焦场基膜的振幅在横截面内由高斯分布函数所描述。定义在振幅的的基模光 e1斑尺寸为：2 020 22 )(1)(12)1 (2)(fz fz fzLzS 式中 为镜上基模的光斑半径。在共焦腔的中心达到极小值：S0)(z22)(00LzS由上图所示可得：12 22222 12111),()(),()(xxLxfxxRRxfxxRR则由上式可解得：,)()()(212 1RLRLLRLx)()()(211 2RLRLLRLx将,转化为,，再代入可得：111RLg221RLg111gLR122gL
11、R21,xx，。 )1)(1(1212221gLLgLLLgLx )1)(1(1212122 gLLgLLLgLx按式中共焦腔中基模的光斑尺寸为：，将代入有：22021)(1 )(fz fzfz21,zz4121122 14121121 1)()( )()(| LRRLRLLRRL LRRLRLRLR 4121212 24112212 2)()( )()(| LRRLRLLRRL LRRLRLRLR 可用腔的参数表示如下：g412112 0412112 01)1 (2)1 ( gggg ggggS412121 0412121 02)1 (2)1 ( gggg ggggS五、高斯模的匹配问题五、
12、高斯模的匹配问题1、高斯模匹配的意义：由激光器的谐振腔所产生的高斯光束注入到另一个光学系统时(例如周期序列的光学传 输线、作为干涉仪的谐振腔、在非线性光学实验中将入射高斯光束聚焦到非线性晶体上时， 要求有一定的光斑半径，等等)，还涉及到高斯模的匹配问题。当实现模匹配时，一个入射 的高斯模，只能激起第二个系统的一个相对应的高斯模，而不激起系统的其他模式。这时， 入射模的能量将全部转给系统的对应模式而不发生向系统其他模式的能量转换。如果没实 现模式匹配，入射模将激起第二个系统多个不同的模式发生模式转换，即所谓模交叉，从 而降低了入射模的锅台系数，增加了损耗。2、高斯模匹配原理：光学传输线和干涉仪都
13、具有自己的高斯模，如以和表示高斯光束和高斯光束0102的腰斑尺寸，如下图，如果在期间适当位置插入一个适当焦距的透镜 L 后，光束和互为共轭光束，则透镜 L 实现了两个腔之间的高斯模匹配。当实现模匹配时，一个入射的 高斯模，只能激起第二个系统的一个相对应的高斯模，而不激起系统的其他模式。这时， 入射模的能量将全部转给系统的对应模式而不发生向系统其他模式的能量转换。如果没实 现模式匹配，入射模将激起第二个系统多个不同的模式发生模式转换，即所谓模交叉，从 而降低了入射模的耦合系数，增加了损耗。zfIII z高斯模的匹配原理示意图下面讨论两个腔的模匹配问题。如上图，设两个高斯模的腰部位置和腰斑尺寸为已
14、知，其中一个腔中的光斑半径，它与透镜的距离为，(只与腔参数有关，除与腔参101z101z数有关外，还与透镜至腔反射镜之间的距离有关)；另一个腔的相应参数和。在束腰202z部，相应的复光束多数和均为纯虚数(因为在这里，波阵面的曲率半径为无限大)。10q20q由下式表示。对入射光束：1101zqq； 2 10 10iq对出射光束：，；2202zqq2 20 20iq由高斯光束薄透镜变换公式有：，将其化简并按照虚部实部分开，得：2 1102011zFzqq ，20102 21qqFFzFz0)()(210120zFqzFq将和代入上面两式：2 10 10iq2 20 20iq（1）22 202 10
15、2 2 21FFzFz（2）2 202 1021 FzFz将（2）式代入（1）式可得：2 022010 1fFFz，其中2 021020 2fFFz20102120100qqf如果两个腔的位置已经固定，即两个腰斑之间的距离：021zzz可以得到： 102020102 02 02 fFFz将上式两边平方，并令：，得：10202010 A0442 022 0022fAzFzFA这就是之间的关系。FfzA、00六、圆形镜稳定腔六、圆形镜稳定腔 He-NeHe-Ne 激光器输出光强分布特性。激光器输出光强分布特性。 （N=0.5,0.75,1.0N=0.5,0.75,1.0）可以证明，当腔的菲涅尔数时，圆形镜共焦腔自再现模由下述拉盖尔-高斯函N 数所描述：22 02 cos sin2 00,22smrmm mnmnnm ssrrrCLe
