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1、第 1 页光电技术综合实验 -光电相位探测传感器设计班级： 姓名： 学号： 指导老师： 第 2 页一、设计目的与意义：一、设计目的与意义：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、数据 处理计算机和光波相位模式复原软件等构成。二、光电相位探测器原理示意图及基本结构：二、光电相位探测器原理示意图及基本结构：基本结构：1、激光入射：将入射光
2、速的口径缩小（放大）到与微透镜阵列相匹配尺寸。 2、微透镜阵列：将入射光瞳分割，对分割后的入射波前成像。 3、光电探测器：用于接受光电信号，目前多用 CCD 探测器。 4、图像采集卡：微透镜阵列和光电探测器之间加入匹配透镜。 5、数据处理计算机：进一步计算得到波前相位分布。设计原理图 1 设计总示意图第 3 页三、激光器：三、激光器：（一）总体考虑：建议制造气体激光器，其激光跃迁的上能级统计权重 gk=5，下能级的统计权重 gi=3. 在放电工作条件下，下能级的有效寿命是 50ns，激光谱线的自发跃迁几率为 1.36*107s-1。 该系统中连续激光振荡。（二） 、激光器由三大基本系统组成 :
3、抽运系统: 是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或 装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置， 常见的有以下四种。 光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以 实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器 组成。气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数 反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。化学激励。是利用在工作 物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相 应的引发措施。 核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、
4、高能粒子或 放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。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 工作物质: 增益介质(即激光工作物质)，是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射 放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃） 、气体 （原子气体、离子气体、分子气体） 、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求， 是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激 光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃 迁特性。 谐振腔：通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的
5、两块反射镜按特定的方式组 合而成。作用为： 提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干 的持续振荡。 对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一 定的定向性和单色性。共振腔作用 ，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反 射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用，则是由给定共振腔型对腔内不同 行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。（三） 、激光器种类：1.固体激光器 一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器 的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红 宝石和玻璃外，常用的
6、还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射 1060nm 的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达 100W 以上，脉冲峰值功率可达 109W。 2.气体激光器 气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能 长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市 场达 60左右。其中，氦氖激光器是最常用的一种。 3.半导体激光器 第 4 页半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射 840nm 的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励 等。这种激光器体积小、质
7、量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇 宙飞船上用。在 70 年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的 发展。4.液体激光器 常用的是染料激光器，采用有机染料为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂 中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长 激光（在可见光范围） 。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。 液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到 广泛应用。5.自由电子激光器：这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向 自由电子
8、束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干 辐射谱可从 X 射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。 （四） 、谐振腔的构成和分类 1、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。 2、开腔的稳定条件：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。从 理论上分析这类腔时通常认为其侧面没有光学边界，因此将这类谐振腔称为开放式光学谐 振腔，简称开腔。利用变化矩阵算法，得：（1） 代入 , 1)(211DA221RLA )21)(21 (2211RL RL RLD可得： ,引入所谓的 g 函数，
9、将式子改写成：1)1)(1 (021RL RL1021gg其中： ,上式称为共轴球面腔的稳定性条件，式中当凹面镜向着22 111,1RLgRLg腔内时，R 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（3）临界腔条件：，即0, 12121gggg, 1)(21 DA1)(21 DA3、激光器中常见的谐振腔的形式： 双凹镜腔： 当 R1R2L 时，两凹面镜焦点在腔中心处重合，称为对称共焦球 面镜腔；当 R1+R2L 表示两凹面镜曲率中心在腔内重合，称为共心腔。 平凹镜腔： 当 R2L 时，这种特殊的平凹腔称为半共焦腔
10、 特殊腔： 双凸腔、平凸腔、凹凸腔等(五)、激光谐振腔基本参数设计：1.激光器选择：（1） 、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（如 He-Ne 激光器） ，因为气体激光器具有光束质量好、方向性好、单色性好、稳定第 5 页性好(包括频率稳定性)、结构简单、使用方便、成本低、寿命长等优点，符合设计要求。 （2） 、由于稳定腔几何偏折损耗很低且镜面上的场分布可用高斯函数描述，可以 用高斯模的匹配问题来解决光学匹配。因此用稳定腔激光器。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g21gg 和推导、的数学表达式。 1x2x0121OO2RR
11、1RR 2X1X图 2 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()(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)(z第 6 页22)(00LzS由上图所示可得：12 22222 12111),()(),()(xxLxfxxRRxfxxRR则由上式可
12、解得：,)()()(212 1RLRLLRLx)()()(211 2RLRLLRLx将,转化为,，再代入可得：111RLg221RLg111gLR122gLR21,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 0
13、412112 01)1 (2)1 ( gggg ggggS412121 0412121 02)1 (2)1 ( gggg ggggS3. 设计一个 He-Ne 激光器，输出端为一平面镜，要求束腰直径：2=0.2mm；L=500mm，计算第一反射镜曲率半径，并指明束腰的位置。01R解：由题意可得,12g1 . 028. 6500 20 L第 7 页)1)(1(1212221gLLgLLLgLx， )1)(1(1122122 gLLgLLLgLx得：，24999991gmmgLR500111因为，所以束腰在无穷远处。1x四、四、高斯光束的匹配：高斯光束的匹配：1、高斯模匹配的意义：由激光器的谐振腔
14、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具有自己的高斯模，如以和表示高斯光束和高斯光束0102
15、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。第 8 页图 3 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
