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光電技術綜合實驗 光電相位探測傳感器設計班級： 光通信082姓名： 學號： 指導老師： 張翔光電相位探測傳感器的重要意義：基于光電探測技術檢測輸出波前相位特性，對改善光束的質量有著重要的意義。光波在大氣中傳輸會受到大氣湍流、溫度等因素的影響，使激光輻射在傳播過程中隨機地改變其光波參量，使光束質量受到嚴重影響，出現所謂光束截面內的強度閃爍、光束的彎曲和漂移（亦稱方向抖動）、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現象。為了改善光束的質量，主動光學誕生了，在觀測過程中內置的光學修正部件對像質進行自動調整，即自適應光學。目前探測波前扭曲程度的傳感器主要有兩類：沙克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前傳感器，它通過由每一個附屬的圖像探測器產生的參考星星像來探測實際波前的扭曲情況。另一個是曲率探測系統(tǒng)，它的改正是通過雙壓電晶片自適應透鏡來完成的，透鏡由兩個壓電平面組成。大氣湍流將使在大氣中傳輸的光波的光束質量明顯變壞，產生波前相位畸變；自適應光學系統(tǒng)可以對畸變的光波相位波前進行實時探測、波前復原和預先進行實時的波前校正，從而顯著改善到達靶面的光束質量。光波相位的探測，進而控制光波的相位來提高光束的質量。一、設計目的與要求1、設計目的利用所學知識設計光電相位探測傳感器，著重研究其前端激光器及光電探測模塊。2、設計內容光電相位探測器器的基本結構及原理示意圖光電相位探測傳感器的構成掌握激光器的的組成，和各組件的作用，特別是前端激光器和光電探測模塊闡述高斯匹配問題定性繪出采用圓形鏡穩(wěn)定腔He-Ne激光器輸出光強分布特性，并對模式特性進行細致闡述 敘述擴束系統(tǒng)的結構形式微透鏡器件基本原理和參數選取光電探測器件的分類二、光電相位探測器的基本結構及原理示意圖1、 基本結構（1）光學匹配系統(tǒng)：將入射光束的口徑縮?。ǚ糯螅┑脚c微透鏡陣列相匹配尺寸。（2）微透鏡陣列：將入射光瞳分割，對分割后的入射波波前成像。（3）光電探測器：接收光電信號，目前多用CCD探測器。（4）圖像采集卡：微透鏡陣列與光電探測器之間加入匹配透鏡。（5）數據處理計算機：通過數據處理，進一步得到波前相位分布。（6）光波相位模式復原軟件等。 2 、原理示意圖激光入射匹配系統(tǒng)微透鏡陣列光電探測器圖像采集卡數據處理計算機1、將入射光速的口徑縮?。ǚ糯螅┑脚c微透鏡陣列相匹配尺寸。2、微透鏡陣列將入射光瞳分割，對分割后的入射波前成像。3、光電探測器用于接受光電信號，目前多用CCD探測器。4、微透鏡陣列和光電探測器之間加入匹配透鏡。5、進一步計算得到波前相位分布。設計原理設計總示意圖三、前端激光器1、激光器的組成及各組件的作用（1）泵浦系統(tǒng)泵浦原是指向工作物質共給能量的能源，依靠它把工作物質中的原子，分子叢基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，并形成粒子束反轉。泵浦系統(tǒng)是指為了使工作介質中出現粒子數反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數比下能級多。常用的泵浦方式有：a電子注入：用電學方法將電子或空穴從作用區(qū)的兩側注入到作用區(qū)中，以在作用區(qū)形成粒子束反轉。二極管激光器采用的就是這種方法，這種泵浦法的優(yōu)點是：結構簡單，容易調治，效率高等。b光學泵浦：這是利用光源的光輻射把工作物質中的原子泵浦到高能態(tài)。固體激光器，光線激光器，染料激光器，有機激光器等都采用這種方法。對泵浦光源的基本要求是，發(fā)射波長與工作物質吸收波長匹配。滿足這個條件，泵浦光源的大部分光能就會真正用于泵浦，獲得比較高的泵浦效率；此外，近年來，用半導體二級激光管作泵浦光源，具有體積小，使用壽命長，發(fā)光效率高等優(yōu)點。c氣體放電泵浦：利用氣體放電，加熱氣體，使他們電離，或者讓電子，離子與工作物質中的原子發(fā)生非彈性碰撞，把他們激發(fā)到高能態(tài)，李子激光器，原子或分子氣體激光器，金屬蒸氣激光等采用這個方法。d粒子束泵浦：向工作物質注入高能電子或離子，讓他們與工作物質的原子或分子作非彈性碰撞，把后者激發(fā)到高能態(tài)。高壓氣體激光器等采用這種方法。e化學泵浦：利用工作物質本身化學反應式所產生的能量，把原子，分子激發(fā)到高能態(tài)，化學泵浦可分為直接泵浦，能量轉移泵浦和光分解泵浦三種方式：直接泵浦是由工作物質發(fā)生的化學反應形成激發(fā)態(tài)原子；能量轉移泵浦是利用某些化學反應產生的激發(fā)態(tài)原子與工作物質的原子作非彈性碰撞，通過能量交換把后者激發(fā)到高能態(tài)；光分解泵浦是利用光輻射照射工作物質，使其發(fā)生光分解反應，并在反應過程中形成激發(fā)態(tài)原子。2、工作物質激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質中可以實現粒子數反轉，以制造獲得激光的必要條件。3、諧振腔諧振腔也稱為共振腔，是指光子可在其中來回振蕩的光學腔體。梅曼激光器所用的諧振腔，由2塊互相平行的平面反射鏡組成，其中一塊反射鏡對激光的發(fā)射率接近100%，另一塊對激光有事當透過率，以便對外輸出激光。除了上訴平-平腔之外，還有其他形式的共振腔，如平-凸腔，共焦腔等。共振腔的作用有兩個：a 正反饋：讓光輻射不斷地在工作物質中往返傳播，使受激輻射強度不斷增強，最終達到和維持激光振蕩。b 選模：原子向某個模作受激輻射躍遷的速率與處在這個模的光子數目成正比，謝振腔內的模式很多，各個模的光學增益是不一樣的，沿光軸附近小立體角內傳播的模增益最大。隨著光輻射在腔內往返傳播次數的增加，處在這個模的光子迅速增多，以致后來差不多所有在激發(fā)態(tài)的原子都向這個模作受激輻射躍遷。于是我們就可以獲得發(fā)散角小，相干性更好的激光束。仔細設計腔鏡反射率，可以讓激光其輸出不同波長。諧振腔有了合適的工作物質和激勵源后，可實現粒子數反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。于是用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。下面以He-Ne激光器的結構為例：示意圖諧振腔構成與分類光學諧振腔可分為：閉腔、開腔、氣體波導腔，其中根據光束幾何逸出損耗的高低，開腔又分為穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔、臨界腔。開腔的穩(wěn)定條件兩塊具有公共軸線的球面鏡構成的諧振腔稱為共軸球面腔。從理論上分析這類腔時通常認為其側面沒有光學邊界，因此將這類諧振腔稱為開放式光學諧振腔，簡稱開腔。利用變化矩陣算法，得：（1） 代入 , 可得： ,引入所謂的g函數，將式子改寫成：，其中： ,上式稱為共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，式中當凹面鏡向著腔內時，R取正值。當凸面鏡向著腔內時，R取負值。（2）非穩(wěn)定腔條件：，即（3）臨界腔條件：，即4、激光諧振腔基本參數設計（1）激光器選擇A、由于光電相位探測傳感器是主要利用激光的相位來工作，因此選擇氣體激光器（如He-Ne激光器），因為氣體激光器具有光束質量好、方向性好、單色性好、穩(wěn)定性好(包括頻率穩(wěn)定性)、結構簡單、使用方便、成本低、壽命長等優(yōu)點，符合設計要求。B、由于穩(wěn)定腔幾何偏折損耗很低且鏡面上的場分布可用高斯函數描述，可以用高斯模的匹配問題來解決光學匹配。因此用穩(wěn)定腔激光器。（2）條件推導：設諧振腔長度為，表示諧振腔的因子，諧振腔本征波長，推導、的數學表達式。推導過程：共焦場的振幅分布由下式確定：對基模：可見共焦場基膜的振幅在橫截面內由高斯分布函數所描述。定義在振幅的的基模光斑尺寸為：，式中 為鏡上基模的光斑半徑。在共焦腔的中心達到極小值：由上圖所示可得：則由上式可解得：,將,轉化為,，再代入可得：，。按式中共焦腔中基模的光斑尺寸為：，將代入有：可用腔的參數表示如下：（3）設計一個He-Ne激光器，輸出端為一平面鏡，要求束腰直徑：2=0.2mm，L=500mm，計算第一反射鏡曲率半徑，并指明束腰的位置。解：由題意可得： 可以得到： 由公式 并代入 得: 圖3 諧振腔示意圖四、高斯模的匹配問題1、高斯模匹配的意義由激光器的諧振腔所產生的高斯光束注入到另一個光學系統(tǒng)時(例如周期序列的光學傳輸線、作為干涉儀的諧振腔、在非線性光學實驗中將入射高斯光束聚焦到非線性晶體上時，要求有一定的光斑半徑等)，還涉及到高斯模的匹配問題。當實現模匹配時，一個入射的高斯模，只能激起第二個系統(tǒng)的一個相對應的高斯模，而不激起系統(tǒng)的其他模式。這時，入射模的能量將全部轉給系統(tǒng)的對應模式而不發(fā)生向系統(tǒng)其他模式的能量轉換。如果沒實現模式匹配，入射模將激起第二個系統(tǒng)多個不同的模式發(fā)生模式轉換，即所謂模交叉，從而降低了入射模的鍋臺系數，增加了損耗。2、高斯模匹配原理光學傳輸線和干涉儀都具有自己的高斯模，如以和表示高斯光束和高斯光束的腰斑尺寸，如下圖，如果在期間適當位置插入一個適當焦距的透鏡L后，光束和互為共軛光束，則透鏡L實現了兩個腔之間的高斯模匹配。當實現模匹配時，一個入射的高斯模，只能激起第二個系統(tǒng)的一個相對應的高斯模，而不激起系統(tǒng)的其他模式。這時，入射模的能量將全部轉給系統(tǒng)的對應模式而不發(fā)生向系統(tǒng)其他模式的能量轉換。如果沒實現模式匹配，入射模將激起第二個系統(tǒng)多個不同的模式發(fā)生模式轉換，即所謂模交叉，從而降低了入射模的耦合系數，增加了損耗。圖4 高斯模匹配原理示意圖下面討論兩個腔的模匹配問題。如上圖，設兩個高斯模的腰部位置和腰斑尺寸為已知，其中一個腔中的光斑半徑，它與透鏡的距離為，(只與腔參數有關，除與腔參數有關外，還與透鏡至腔反射鏡之間的距離有關)；另一個腔的相應參數和。在束腰部，相應的復光束多數和均為純虛數(因為在這里，波陣面的曲率半徑為無限大)。由下式表示。對入射光束： ； 對出射光束：；由高斯光束薄透鏡變換公式有： ，將其化簡并按照虛部實部分開，得：將和代入上面兩式： （1） （2）將（2）式代入（1）式可得：，其中如果兩個腔的位置已經固定，即兩個腰斑之間的距離：可以得到：將上式兩邊平方，并令：，得：這就是之間的關系。3、圓形鏡穩(wěn)定腔He-Ne激光器輸出光強分布特性可以證明，當腔的菲涅爾數時，圓形鏡共焦腔自再現模由下述拉蓋爾-高斯函數所描述：式中為鏡面上的極坐標；為歸一化常數；為共焦腔長（鏡的焦距）；為締合拉蓋爾多項式。相應的本征值：光在激光諧振腔中振蕩的特定形式稱為激光的模式。它包括縱模和橫模2種。前者代表激光器輸出頻率的個數，后者代表激光束橫截面的光強分布規(guī)律。根據模的數目，縱模又分為單縱模和多縱模；橫模也分為基模和高階模。一個理想激光器的輸出應該只包含單縱摸和基模，這樣的激光才能充分體現極好的單色性、方向性和相干性。其光束的光強分布呈單一的高斯分布。但實際上，大多數激光器都是多模運轉的，其光束的光強分布是不均勻的，呈現出多峰值現象。激光的模式結構雖然受多種因素影響，但諧振腔的結構和性能是主要的控制因素。光在諧振腔內往返振蕩的過程中，諧振腔兩端的反射鏡邊緣會引起圓孔衍射。由于這種多次的衍射效應導致光束在橫截面上的光強分布變得不均勻。將激光束投到屏上，我們可以發(fā)現光斑中有1個或多個亮點。只有1個亮點的叫做基模，記作；2個或2個以上亮點的叫做高階?；蚨鄼M模。模沿幅角方向的節(jié)線數目為，沿徑向的節(jié)線數目為，各節(jié)線圓沿方向不是等距分布的。圖5為某些激光橫模的光強分布。圖5 圓形鏡激光橫模的光強分布設有如圖6所示的諧振腔，腔長為，反射鏡的直徑，為腔內傳播的是一高斯光束，該光束在鏡面上的電矢量振幅A的分布為：而光強的分布為：這種由于衍射效應使光束向邊緣處彌散而形成的光能量損耗稱為衍射損耗設初始光強為，腔內往返一周后，光強衰減到，則定義平均單程功率損耗率為：,估算諧振腔的單程衍射損耗為：，式中為菲涅爾數。衍射損耗與的關系比較復雜，通常將計算結果畫成曲線圖。圖7畫出了圓截面共焦腔和圓截面平行平面鏡腔的曲線。橫坐標為數，縱坐標為單程衍射損耗。由圖利用上式可以計算出光強。圓截面平行平面腔圓截面共焦腔1101000.61.01.41241040110100TEM01TEM00圓截面平行平面腔圖7 衍射損耗與關系4、擴束系統(tǒng)結構 圖8如圖，透鏡1將在焦平面入射的激光束散射為束腰為,分散角為。 （1）是激光束入射到的半徑，是和出射束腰之間的距離。是透鏡的焦距。束腰以更長的焦距射到透鏡后焦平面。以為束腰的高斯光束將由光束擴展器進行準直，高斯光束在光束擴展器作用下的準直率：其中，經過光束擴展器后的束腰和分散角分別為： （2）將（1）代入（2）中：從這些式子可以看出，高斯光束的準直率不僅僅與擴束系統(tǒng)有關，還與激光束的位置、參數以及透鏡性質有關。光束質量的評定：名稱定義數學表達式表征內容OTF光學傳遞函數：以空間頻率為變量的傳遞的像的調制度和相移的函數稱為光學傳遞函數。OTF的模部分為調制傳遞函數(MTF), OTF的輻角部分為位相調制傳遞函數(PTF)OTF描述了非相干系統(tǒng)的成像性質MTF調制傳遞函數：描述的是光學系統(tǒng)傳遞對比度的能力式中，為像的調制度，為物的調制度OTF的模部分為調制傳遞函數(MTF)，決定光學系統(tǒng)成像質量的主要取決于MTFPSF點擴散函數：光學系統(tǒng)的理想狀態(tài)是物空間一點發(fā)出的光能量在像空間也集中在一點上，但實際的光學系統(tǒng)成像時，物空間一點發(fā)出的光在像空間總是分散在一定的區(qū)域內，其分布的情況稱為點擴散函數(PSF)。根據光學系統(tǒng)的傅里葉變換特性，點擴散函數PSF可直接由波差計算得到式中，為點振幅分布函數，C為常數，為光學系統(tǒng)的口徑，為光學系統(tǒng)的焦距，取單位圓中的規(guī)一化坐標。則點擴散函數為 一般使PSF規(guī)一化，即 對一般光學系統(tǒng)，通常選擇理想物點位于光軸上的無窮遠處，即采用平行光入射被測光學系統(tǒng)的方法，這時所要考察的像方焦點的分布即為點擴散函數PSFPV表面形貌的最大峰谷值峰谷之間的差值RMS表面形貌的均方根值式中，是單次測值。，N是重復測定次數峰谷之間的均方根光束衍射倍率因子：實際光束的腰斑半徑與遠場發(fā)射角的乘積和基模高斯光束的腰斑半徑與遠場發(fā)射角的乘積的比值。值可以表征實際光束偏離衍射極限的程度,因此被稱為衍射倍率因子. , (方鏡), (圓鏡).基模高斯光束具有最小的值(),其光腰半徑和發(fā)散角也最小,達到衍射極限高階、多模高斯光束或其他非理想光束(如波前畸變)的值均大于1. 值越大,光束衍射發(fā)散越快。衍射極限倍數：實際激光束的遠場發(fā)散角與理想光束的遠場發(fā)散角的比值理想光束的遠場發(fā)散角實際激光束的遠場發(fā)散角用透鏡下的光斑直徑表示：與發(fā)射光束性質和發(fā)射系統(tǒng)像差有關激光束并不嚴格平行，而是具有一定的發(fā)散度，滿足條件：的遠場情況下，光束的發(fā)散角稱為遠場發(fā)散角只要測得束腰光束半徑，就能計算出發(fā)散角。實際測量遠場發(fā)散角時，不可能在無窮遠處進行，只能采用近似的方法測出距束腰足夠遠處的光束發(fā)散角五、微透鏡陣列器件基本原理和參數選取基本參數如下:數值孔徑； 總孔徑：；焦距： ； 入射波長：微透鏡陣列：陣列子透鏡尺寸：1、微透鏡陣列器件工作原理微透鏡列陣是由通光孔徑及浮雕深度為微米級的透鏡組成的列陣，它不僅具有傳統(tǒng)透鏡的聚焦、成像等基本功能，而且具有單元尺寸小、集成度高的特點，使得它能夠完成傳統(tǒng)光學元件無法完成的功能，并能構成許多新型的光學系統(tǒng)。微選鏡列陣可分為折射型微透鏡列陣與衍射型微透鏡列陣兩類。衍射微透鏡列陣利用其表面波長量級的三維浮雕結構對光波進行調制、變換，具有輕而薄、設計靈活等特點。作為功能元件，在波前傳感、光聚能、光整形等多種系統(tǒng)可得到廣泛應用。微透鏡陣列將一個完整的激光波前在空間上分成許多微小的部分, 每一部分都被相應的小透鏡聚焦在焦平面上, 一系列微透鏡就可以得到由一系列焦點組成的平面, 如圖9（a）所示; 如果激光波前為理想的平面波前, 那么在微透鏡陣列焦平面上就可以得到一組均勻而且規(guī)則的焦點分布, 如圖9(b)所示; 然而實際的激光波前并不是理想的平面波前, 它們或多或少地帶有一些畸變, 用微透鏡陣列聚焦后, 焦點不再是均勻分布, 而是與理想的焦點發(fā)生了位移, 如圖9(c)。 圖92、光電探測器件與微透鏡器件位置的確定利用像散元件(如柱面鏡) 產生的像散, 在焦點附近像散光束出現軸向不對稱性, 在最佳焦點的兩邊出現水平方向或垂直方向的像散線。把被測點離焦量的變化轉變?yōu)楣獍卟煌较蚬饽艿淖兓? 經過光電探測元件探測, 就可以得到離焦量像散法原理如圖10所示：OOO(a)正焦(c)遠焦(b)近焦圖10將光電探測器放在合適位置, 使之在正焦時, 光斑在其上為圓形, 而在不同離焦情況下, 探測器上的光斑形狀發(fā)生不同的變化. 將探測單元分為一個以分離線分離的四個象限, 若四個象限接受的光強分別為. 設探測單元歸一化輸出信號S為：3 、質心坐標計算知道光腰尺寸0 D 和實際發(fā)散角 ，設計者就能通過下述公式得出任何沿Z 軸傳播光束的光斑直徑：將上述結果和薄透鏡公式或光線軌跡方程相結合，就可以對高斯光束或混合模式光束進行建模。這將節(jié)省設計周期，節(jié)約時間和費用。從非數值采樣方法得到的分析結果會對激光束得出許多不同結論，但通過光束輪廓可以得出光束直徑的數值采樣。光束的XY 掃描或二維陣列圖像可以提供量化的光斑形狀以及橢圓率。質心坐標可由下式計算出：其中， 是子孔徑內坐標處的像素灰度值；分別是像素在子孔徑的和方向的坐標。由上式可得到光斑的質心。下面是平面波和非平面波通過微透鏡陣列成像在光電探測器上的圖像分布：偵測器正面微透鏡陣列偵測器理想波前偵測器正面微透鏡陣列偵測器待測波前 圖11六、光電探測器件一、光電探測器件的要求：1.對可見光波段，特別是激光有很好的響應，對左右波長也有響應2.結合圖像采集卡，最大采集速率可達20幀/s。二、分類：（1）利用光子效應。應用最廣的有三種，即光電導、光生伏打效應和光電發(fā)射效應。前兩種統(tǒng)稱為內光電效應（見固態(tài)光電探測器），后一種稱為外光電效應（見光電效應、光電管和光電倍增管）。主要有光電子發(fā)射探測器 、光電導探測器、光伏探測器。（2）利用熱效應，簡稱熱探測器:熱探測器是不同于光子探測器的另一類光探測器。它是基于光輻射與物質相互作用的熱效應制成的器件。熱釋電效應是指某些物質(例如硫酸三甘肪、錠酸櫻、鋁酸錫鋇等品體)吸收光輻射后將其轉換成熱能，這個熱能使晶體的溫度升高，溫度的變化又改變了晶體內品格的間距這就引起在居里溫度以下存在的自發(fā)極化強度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應。與光子探測器相比，熱探測器的主要缺點是：響應較低，響應時間校長，一般地，要同時得到靈敏度高、響應快的特性是困難的。然而自熱釋電探測器出現后，緩和了這一矛盾。熱釋電探測器的響應度和響應速度已比過去那些熱探測器有了很大提高，因此熱探測器的使用范圍擴大了，延伸到原來部分光子探測器獨占的領域，而且在大于14um的遠紅外域更有廣闊的用途。（3）利用波的相互作用這類探測器利用入射輻射的電磁場與一個參考輻射的電磁場在光敏材料中的相互作用。主要有光學外差探測及光學參量效應。 光學外差探測利用一個頻率與被測相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測元件（通常由光電導材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測輻射混頻而產生差頻。光學外差探測只受到散粒噪聲的限制，因而探測率比直接探測或零差探測高幾個數量級。 參量效應可利用相干輻射在雙折射晶體（例如 K