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1、光电测量系统设计基于干涉方法测量细钢丝发生的微小伸长量班级：光通信 082 班姓名：曾茂桃学号：指导老师：朱海东一、设计内容与目的 1.1、基于光的干涉原理，理解干涉测量法的原理及方法，了解典型的双光束的干涉装置，熟悉泰曼-格林系统的工作原理； 2、了解探测器的设计原理及探测器的分类，综合应用所学的光学知识，利用干涉 测量法测量钢丝由于加热而产生的微小伸长量； 二、光路设计原理（1）光的干涉1、光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠区内形成的强弱强度分布的 现象。 两列单色线偏振光 E1 E01 cos( w1t k1 r 01 ) E2 E02 cos(w2t k2 r 02 )在 P
2、 点相遇， E1 与 E2 振动方向间的夹角为 ，则在 P 点处的总光强为 I I1 I 2 2 I1I2 coscosI1 I2 2I1I 2式中 I1 、 I 2 是两束光的光强； 是两束光的相位差，且有 k2 r k1 r 01 02 wt w w1 w2I12 I1I2 coscos由此可见两光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度和，而是多了一项交叉项 I12 , 它反映了这两束光的干涉效应，通常称为干涉项。干涉现象就是指这两束光在 重叠区内形成的稳定的光强分布。 2、产生干涉的条件： （1）两束光波的频率应当相同； （2）两束光波在相遇处的振动方向应当相同； （3）两束光波在相遇处
3、应有固定不变的相位差。 因此必须利用同一发光点发出的光波分离成的两束相干光波在波列长度范围内重叠 才能满足上述基本条件。各种不同光源发出的光波的波列长度是不同的，普通单色光 源的波列长度约为 100200mm,因此其光程差不能超过 100-200 mm，否则得不到干 涉条纹。激光的波列长度比普通但是光源要长的多，所以用激光光源可以在很大光程 差下得到干涉条纹。 这三个条件就是两束光波发生干涉的必要条件，通常称为相干 条件。 3、实现光束干涉的基本方法： （1）分波面法：将一个波列的波面分成两部分或几部分，由这一部分发出的波 再相遇时，必然会产生干涉现象。杨氏双缝干涉实验就是应用的这种原理。 （
4、2） 分振幅法：利用透明薄板的第一、二表面对入射光的依次反射，将入射光 的振幅4.干涉仪器迈克尔逊干涉仪上图是迈克尔逊干涉仪的光路示意图，图中 M1和 M2 是在相互垂直的两臂上放置的 两个平面反射镜，其中 M2 是固定的；M1 由精密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移 动的距离由刻度转盘(由粗读和细读 2 组刻度盘组合而成)读出。在两臂轴线相交处， 有一与两轴成 45角的平行平面玻璃板 G1，它的第二个平面上镀有半透（半反射）的 银膜，以便将入射光分成振幅接近相等的反射光和透射光，故 G1 又称为分光板。 G2 也是平行平面玻璃板，与 G1 平行放置，厚度和折射率均与 G1 相同。由于它补偿了
5、光线和因穿越 G1 次数不同而产生的光程差，故称为补偿板。从 扩展光源 S 射来的光在 G1 处分成两部分，反射光经 G1 反射后向着 M1 前进，透射 光透过 G1 向着 M2 前进，这两束光分别在 M1、M2 上反射后逆着各自的入射方向返 回，最后都达到 E 处。因为这两束光是相干光，因而在 E 处的观察者就能够看到干涉 条纹。 由 M1 反射回来的光波在分光板 G1 的第二面上反射时，如同平面镜反射一样， 使 M1 在 M2 附近形成 M1 的虚像 M2，因而光在迈克尔逊干涉仪中自 M1 和 M2 的反射相 当于自 M1 和 M2的反射。由此可见，在迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉与空气薄膜
6、所 产生的干涉是等效的。当 M1 和 M2平行时(此时 M1 和 M2 严格互相垂直)，将观察到环 形的等倾干涉条纹。一般情况下，M1 和 M2 形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行 的等厚干涉条纹。法布里珀罗干涉仪光谱分辨率极高的多光束干涉仪。由法国物理学家 C.法布里和 A.珀罗于 1897 年发明的。其结构如右图，M1 和 M2 是两块具有很小楔角的平板玻璃，相对两面 互相平行，并涂有高反射率涂层，两板间用殷钢环隔离并固定。这种间距固定不 变的干涉仪常称作标准具。入射光在相对两面上反复反射和折射后产生多束相干 反射光和透射光，透射光束在透镜的焦面上叠加，形成等倾圆环状干涉条纹。马赫泽德干
7、涉仪马赫泽德干涉仪也是一种分振幅干涉仪，与迈克尔逊干涉仪相比，在光通量的 利用率上大约要高出一倍。这是因为在迈克尔逊干涉仪中有一半光通量将返回到光源 方向，而马赫泽德干涉仪则没有这种返回光源的光。马赫泽德干涉仪的结构如右 图，BS 是两块分别具有半反射面的平行平面玻璃板，L1、L2 是两块平面反射镜，四 个反射面通常安排成近乎平行，其中心分别位于一个平行四边形的四个角上，光源 L 置于透镜 CL 的焦点上。L 发出的光束经 SF 准直后在 BS 上分成两束，他们分别由 L1、BS 反射和由 L2 反射、BS 透射，进入透镜 SC，出射的两光相遇，产生干涉。三.光路系统设计本设计采用泰曼格林干涉
8、系统来对钢丝的增长的微位移进行前端信息采取,由于 模数光电变换系统相对模拟光电变换系统对光源和光电器件的要求不那么严格，只 要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两种状态即可，因此后端采用模数光 电变换系统来进行数据处理。如原理图所示，He-Ne 激光器发出的激光经过聚焦、扩 束、准直后得到一束平行光，平行光入射到半反镜上分成两束光，一束为参考光束，一束为测量光。两束光分别经过 M1与 M2回到 G1，并在 G1处发生干涉。其干涉条纹被 聚光后被光电器件接收，形成脉冲信号。反射镜 M2的位置移动量的模拟信息载于脉 冲信号中。全反射 M1固定，而全反射镜 M2与钢丝紧密接触，这样就可以根据
9、M2的移 动量与被测钢丝长度增长量的线性关系可以测量钢丝的微小增长量。参考光束和和测 量光束的光程不相等。当光程差是波长的的整数倍，即k(K0,1,2,3, )时，两束光波的相位相同，光强度最大，在 M3上出现亮条纹，光电接收器得到经聚光后的亮度信号；当光程差)2/1( k时，两束光波的相位差为，光强度 为零，在 M3上出现暗条纹，光电接收器上无光信号入射，输出信号为零。这样，当 可动反射镜 M2因为钢丝受热增长而移动时，在 M3上将出现亮暗交替的干涉条纹。其 光强度的变化规律为IV=IOV+IOVKICos(/2 )，式中，IOV为平均光强度，K1为干涉 条纹的对比度。从上式可知，光程差每变
10、化波长时，干涉条纹暗亮变化一次；干涉 条纹变化 n 次，则光程差n。对于图 1 所示结构，光程差是动镜 M2位移量L 的 2 倍。因此，被测位移量Ln/2。所以，只要计量干涉条纹的个数 n，便可测出钢丝的微小增长量。四、注意问题 输出光束特征：发散和不对称，像散，窗口相差，偏振，输出谱带宽窄 解决方法： （1）加上一个衰减器；在 M1 和 G1 之间加上衰减器，使得到达 L 的来之不同反射镜 反射的光束能量相等。光衰减器是用于对光功率进行衰减的器件，它主要用于光纤系 统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。光衰减器要求重量 轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便等。它可以分为
11、固定式、分级可变式、连 续可调式几种。（2）加定向小孔：使干涉效果，更好理论上越小越好，对光束进行引导，并且小孔 的大小决定了光束的范围； 3）加反射镜（平面）：使设计结构更加紧凑； （4）加扩束准直系统：将较细的激光光束扩展成较宽的光束；（5） 加压电陶瓷：控制 M 1 的移动距离，使系统改变量更加微小。 五、 探测器设计原理1.光电探测器的原理光电探测器利用材料的光电效应制成，在光辐射作用下，电子溢出材料表面，产生 光电子发射称为外光电效应。电子并不溢出材料表面称为内光电效应。2.光电探测器特性参数1. 量子效应：eP/Ih。单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入 射到探测器表面的光电
12、子数之比。2. 响应度：指单位入射的光辐射功率所引起的反应。包括电压响应度和电流灵 敏度。3. 光谱响应：光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性。4. 响应时间和频率响应：表征探测器的动态特征。5. 噪声等效功率（NEP）：表征探测器可以探测的最小功率。其值越小越好。6. 探测度 D：探测度 D 为 NEP 的倒数，表示探测器的探测能力，其值越大越好。7. 线性度：指探测器的输出光电流（或光电压）与输出光功率成比例的程度和 范围。3、光电探测器的分类光电子发射探测器光电子发射效应又称之为外光电效应，它是指当光照射某种物质时，若入射的光子 能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子
13、逸出物质表面，这就是光电 子发射效应，逸出物质表面的电子叫做光电子。光电子发射探测器就是基于外光电效应的光电探测器，也叫真空光电探测器。在光 辐射下，探测器内光敏材料的电子得到足够的光子能量后，就会逸出光敏材料表面而 进入外界空间，在空间电场的作用下便形成电流。光电子发射探测器主要包括光电管、 光电倍增管及微通道板光电倍增管。光电导探测器光电导效应是光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生载流子，从 而使半导体的电导率发生变化。利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称 PC(Photo conductive) 探测器，通常又称为光敏电阻。但与一般电阻器不同，它是有源器件，工
14、作时要加以 适当的偏流或偏压。光电导探测器可根据不同类型的光电导效应和材料差异分为本征 型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器。光电导探测器在军事和国民经济的各个 领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、 光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导 增益G是表征光电导探测器特性的一个重要参数，它表示长度为L的光电导体两端加 上电压V后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形 成的内部电流（qN）之间的比值。在无光照时，常温下的样品具有一定的热激发载流子浓度，因而样品具有一定的暗电导率0样品在有光照时由于吸
15、收光子而产生的光声载流子浓度用n和p表示，光照稳定情况下的电导率为00()()npq nnpp式中，q 为电子电荷电量，n为电子迁移率，p为空穴迁移率。得到光电导率为0()npqnp光伏探测器光伏探测器是利用半导体 PN 结光生伏特效应而制成的探测器，简称 PV（Photo voltaic）探测器。按照对光照敏感“结”的种类不同，又可分为 PN 结型、PIN 结型、 金属半导体结型(肖特基分垒型)和异质结型：最常用的光伏探测器有光电池、光电 二极管、光电三极管、PIN 管、雪崩二极管等。光伏探测器按使用要求不同可分为两类，一类是用作能源和探测的光电池；另一类 是主要作为光电信号变换的光伏探测器
16、，如光电二极管、光电三极管等。光伏探测器与光电子探测器相比较，主要区别在于：1. 产生光电变换的部位不同，光电导探测器是均值型，光照在它的哪一部分， 受光部分的电导率都要增大，光伏探测器是结型，只有到达结区附近的光才 产生光伏效应.2. 光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压，而光伏探测器有确定的正负 极，不需外加偏压也可以把光信号变为电信号。3. 光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运动， 弛豫时间较大，同此，响应速度慢频率响应性能较差。而光伏探测器的光 伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运动，弛豫时间较小，因 此，响应速度快，频率响应特性好。另外像雪崩二板管和光电三极管还有 很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。基于
