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1、光电技术综合设计光电相位探测传感器设计 2013-12班级：XXX姓名：XXX 学号：XXX成都信息工程学院/光电技术学院目录0前言：31 概述3设计目的：3系统结构：42系统部件：52.1 激光器52.2 光学匹配系统11望远镜系统：11高斯光束的匹配：252.3 光束质量的评定：312.4 微透镜阵列及CCD探测系统333 光电探测器件：354 夫琅和费衍射仿真：365 心得体会406 参考文献40光电相位探测传感器设计0前言：光作为自然界一个重要的现象，一直受到人们的重视，其研究历史几乎与人类文明同步。光作为基本的物理现象，对其定量描述十分重要。光的特性表现在振幅、频率、偏振和相位四个方
2、面。振幅表征光的强度，频率代表光的能量（日常生活中代表颜色），描述电磁场的振动方向，而相位代表振动之间的关联程度。掌握以上四个物理量，就可以准确描述一束光的各种性质。对于振幅、频率以及偏振。随着电子技术等的发展，人们已经可以十分精确地进行测量。测量空间分辨精度早已达到波长，也就是亚微米量级，而测量误差可以完全忽略。而相位测量的难度在于目前的光电探测设备使用均是光电转换，但是电子对相位信息是不敏感的，必须通过特定的方法将相位信息转化为光探头所能测量的信号，例如光强等。本课程设计在于了解光电相位探测的一般原理及系统组成结构。1 概述设计目的：在了解光电相位探测基本工作原理基础上，完成光电相位探测传
3、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、微透镜阵列、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。系统结构：图1.1 系统结构框图(1)激光器：将入射光速的口径缩小（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
4、得到波前相位分布。如图1.2和图1.3所示,详细描述了光电相位测量系统的基本组成部件。图1.2中运用了两级放大对激光进行放大。SBS-PCM (stimulated Brillouin scattering-phase conjugate mirror)是受激布里渊散射-相位共轭镜。B.S为分光镜，CCD为光电探测器件。图2.3中描述了改系统的各部件组成,首先将入射光束的口径缩小（放大）到与微透镜阵列相匹配尺寸；微阵列透镜将入射光瞳分割，对分割后的入射波前成像；微透镜阵列和光电探测器之间加入匹配透镜。光电探测器用于接收光电信号，目前多用CCD探测器；进一步计算得到波前相位分布。其中望远镜的作用
5、是准直,实现平行平面光波进平行平面光波出,以使之满足夫琅禾费衍射的条件。得益于圆型陶瓷管的设计，使得光斑几乎接近理想的高斯方程描述的基模(TEM00)，且M2因子小于1.3。图1.2 钇铝石榴石激光器图1.3 光电相位测量系统组成示意2系统部件：2.1 激光器(一)设计要求: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1.36X107s-1。该系统中连续激光振荡。(二)激光器的三大组成系统抽运系统: 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
6、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、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。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
7、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
8、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)激光器的种类固体激光器: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。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
9、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，He-Ne激光器是最常用的一种,其结构如图2.1.1所示。图2.1.1 He-Ne激光器结构半导体激光器: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。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
10、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。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、
11、临界腔。 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：i. 代入, 可得： ,引入所谓的g函数，将式子改写成：,其中： ,上式称为共轴球面腔的稳定性条件，式中当凹面镜向着腔内时，R取正值。当凸面镜向着腔内时，R取负值。ii. 非稳定腔条件：，即iii. 临界腔条件：，即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
12、，这种特殊的平凹腔称为半共焦腔特殊腔： 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g参数分别为g1和g2 ，谐振腔本征波长 推导x1、x2、1、2的数学表达式。图2.1.2
13、 谐振腔示意图推导过程：共焦场的振幅分布由下式确定：对基模：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斑尺寸为：式中 为镜上基模的光斑半径。在共焦腔的中心达到极小值：由上图所示可得：则由上式可解得：,将,转化为,，再代入可得：，。按式中共焦腔中基模的光斑尺寸为：，将代入有：可用腔的参数表示如下：3. 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。解：由题意可得,得：，因为，所以束腰在无穷远处。2.2 光学匹配系统望远镜系统：(一) 课程设计的目的：运用应用光学知识，了解望远镜工作
14、原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。了解光学设计中的 PW 法基本原理。(二) 望远镜系统简述：望远镜的定义：望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到的目视光学仪器。望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。望远镜的分类：根据望远镜原理不同可以分为三种：1.折射望远镜：折射望远镜是用透镜作物镜的望远镜。分为两种类
15、型：由凹透镜作目镜的称为伽利略望远镜；由凸透镜作目镜的称开普勒望远镜。2.反射望远镜：反射望远镜是用凹面反射镜作物镜的望远镜。可分为牛顿望远镜、卡塞格林望远镜等几种类型。3.折反射望远镜：折反射望远镜是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。比较著名的有施密特望远镜。(三) 望远镜的主要特性分析望远镜简化结构：由两个光组组成，其中第一个光组的象方焦点与第二个光组的物方焦点重合。该组合光组的成象光路特点和成象特点如图2.2.1所示：图2.2.1望远镜简化结构望远镜的重要参数：1垂轴放大率 定义：代表共轭面像高和物高之比。 公式: 2轴向放大率定义：它表征像点与对应的物点沿轴移动量之比。 公式: 角放大率定义：它是折射前后的一对光线与光轴夹角 u和 u 之间的比值。公式: 3视放大率 定义：目视光学系
