光电相位探测传感器设计实验报告.docx

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光电相位探测传感器设计实验报告

光电技术综合实验Ⅰ

——光电相位探测传感器设计

姓名:

学号：

专业:

电子科学与技术

班级：

光电子071班

指导老师：

2010年12月

一、设计内容与目的：

利用所学知识设计一光电相位探测传感器，着重研究其前端激光器及光电探测模块。

二、光电相位探测器的基本结构及原理示意图：

基本结构：

1、光学匹配系统：

用来使入射光束的口径缩小（放大）与微透镜阵列相匹配尺寸。

2、微透镜阵列：

将入射光瞳分割，对分割后的入射波波前成像。

3、光电探测器：

接收光电信号目前多用CCD探测器。

4、图像采集卡：

微透镜阵列与光电探测器之间加入匹配透镜。

5、数据处理计算机：

进一步得到波前相位分布。

6、光波相位模式复原软件。

三、前端激光器：

1、激光器的构成：

（1）泵浦系统:

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。

一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。

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。

（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、固体或半导体。

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，可实现粒子数反转，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，面对面装上两块反射率很高的镜。

一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。

被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。

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。

2、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。

3、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,

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。

（2）非稳定腔条件：

，即

（3）临界腔条件：

，即

4、激光谐振腔基本参数设计：

（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（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。

B、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，推导、、、、的数学表达式。

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。

，

，

因为，所以束腰在无穷远处。

四、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具有自己的高斯模，如以和表示高斯光束Ⅰ和高斯光束Ⅱ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Ⅰ和Ⅱ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。

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）。

由下式表示。

对入射光束：

；

对出射光束：

，；

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：

，

将和代入上面两式：

（1）

（2）

将

（2）式代入

（1）式可得：

，其中

如果两个腔的位置已经固定，即两个腰斑之间的距离：

可以得到：

将上式两边平方，并令：

，得：

这就是之间的关系。

3、圆形镜稳定腔He-Ne激光器输出光强分布特性：

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-高斯函数所描述：

式中为镜面上的极坐标；为归一化常数；；为共焦腔长（——镜的焦距）；为缔合拉盖尔多项式。

相应的本征值：

光在激光谐振腔中振荡的特定形式称为激光的模式。

它包括纵模和横模2种。

前者代表激光器输出频率的个数，后者代表激光束横截面的光强分布规律。

根据模的数目，纵模又分为单纵模和多纵模；横模也分为基模和高阶模。

一个理想激光器的输出应该只包含单纵摸和基模，这样的激光才能充分体现极好的单色性、方向性和相干性。

其光束的光强分布呈单一的高斯分布。

但实际上，大多数激光器都是多模运转的，其光束的光强分布是不均匀的，呈现出多峰值现象。

激光的模式结构虽然受多种因素影响，但谐振腔的结构和性能是主要的控制因素。

光在谐振腔内往返振荡的过程中，谐振腔两端的反射镜边缘会引起圆孔衍射。

由于这种多次的衍射效应导致光束在横截面上的光强分布变得不均匀。

将激光束投到屏上，我们可以发现光斑中有1个或多个亮点。

只有1个亮点的叫做基模，记作；2个或2个以上亮点的叫做高阶模或多横模。

模沿幅角方向的节线数目为，沿径向的节线数目为，各节线圆沿方向不是等距分布的。

图4为某些激光横模的光强分布。

设有如图5所示的谐振腔，腔长为，反射镜的直径，为腔内传播的是一高斯光束，该光束在镜面上的电矢量振幅A的分布为：

而光强的分布为：

这种由于衍射效应使光束向边缘处弥散而形成的光能量损耗称为衍射损耗

设初始光强为，腔内往返一周后，光强衰减到，则定义平均单程功率损耗率为：

估算谐振腔的单程衍射损耗为：

，式中为菲涅尔数。

4、扩束系统结构：

透镜1将在焦平面入射的激光束散射为束腰为,分散角为。

（1）

，

是激光束入射到的半径，是和出射束腰之间的距离。

是透镜的焦距。

束腰以更长的焦距射到透镜后焦平面。

以为束腰的高斯光束将由光束扩展器进行准直，高斯光束在光束扩展器作用下的准直率：

其中，经过光束扩展器后的束腰和分散角分别为：

（2）

将

（1）代入

（2）中：

从这些式子可以看出，高斯光束的准直率不仅仅与扩束系统有关，还与激光束的位置、参数以及透镜性质有关。

名称

定义

数学表达式

表征内容

OTF

光学传递函数：

以空间频率为变量的传递的像的调制度和相移的函数称为光学传递函数。

OTF的模部分为调制传递函数（MTF）,OTF的辐角部分为位相调制传递函数（PTF）

OTF描述了非相干系统的成像性质

MTF

调制传递函数：

描述的是光学系统传递对比度的能力

式中，为像的调制度，为物的调制度

OTF的模部分为调制传递函数（MTF），，决定光学系统成像质量的主要取决于MTF

PSF

点扩散函数：

光学系统的理想状态是物空间一点发出的光能量在像空间也集中在一点上，但实际的光学系统成像时，物空间一点发出的光在像空间总是分散在一定的区域内，其分布的情况称为点扩散函数（PSF）。

根据光学系统的傅里叶变换特性，点扩散函数PSF可直接由波差计算得到

式中，为点振幅分布函数，C为常数，为光学系统的口径，为光学系统的焦距，取单位圆中的规一化坐标。

则点扩散函数为

一般使PSF规一化，即

对一般光学系统，通常选择理想物点位于光轴上的无穷远处，即采用平行光入射被测光学系统的方法，这时所要考察的像方焦点的分布即为点扩散函数PSF

PV

表面形貌的最大峰谷值

峰谷之间的差值

RMS

表面形貌的均方根值

式中，是单次测值。

，N是重复测定次数

峰谷之间的均方根

光束衍射倍率因子：

实际光束的腰斑半径与远场发射角的乘积和基模高斯光束的腰斑半径与远场发射角的乘积的比值。

值可以表征实际光束偏离衍射极限的程度,因此被称为衍射倍率因子.

（方镜）,（圆镜）.

基模高斯光束具有最小的值（）,其光腰半径和发散角也最小,达到衍射极限高阶、多模高斯光束或其他非理想光束（如波前畸变）的值均大于1.值越大,光束衍射发散越快。

衍射极限倍数：

实际激光束的远场发散角与理想光束的远场发散角的比值

理想光束的远场发散角

实际激光束的远场发散角用透镜下的光斑直径表示：

与发射光束性质和发射系统像差有关

激光束并不严格平行，而是具有一定的发散度，满足条件：

的远场情况下，光束的发散角称为远场发散角

只要测得束腰光束半径，就能计算出发散角。

实际测量远场发散角时，不可能在无穷远处进行，只能采用近似的方法测出距束腰足够远处的光束发散角

五、微透镜阵列器件基本原理和参数选取

基本参数：

数值孔径；总孔径：

；

焦距：

；入射波长：

微透镜阵列：

阵列

子透镜尺寸：

1、微透镜阵列器件工作原理：

微透镜列阵是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。

微选镜列阵可分为折射型微透镜列阵与衍射型微透镜列阵两类。

衍射微透镜列阵利用其表面波长量级的三维浮雕结构对光波进行调制、变换，具有轻而薄、设计灵活等特点。

作为功能元件，在波前传感、光聚能、光整形等多种系统可得到广泛应用。

微透镜阵列将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分,每一部分都被相应的小透镜聚焦在焦平面上,一系列微透镜就可以得到由一系列焦点组成的平面,如图6（a）所示;如果激光波前为理想的平面波前,那么在微透镜阵列焦平面上就可以得到一组均匀而且规则的焦点分布,如图6（b）所示;然而实际的激光波前并不是理想