（物理电子学专业论文）基于旋光色散原理的波长鉴别技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 本篇论文从理论和实践上详细探讨了基于旋光色散原理快速鉴别激光波长的 技术。首先，将起偏器的光轴和偏光分束器即渥拉斯顿棱镜的光轴调整成4 5 度角，并将其固定。波长为15 5 0n l i l 的半导体激光器发出的单色激光经过起偏器 变成线偏振光，然后经过旋光晶体，其偏振面旋转一定的角度后出射到渥拉斯顿 棱镜，并被分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，出射光被双光路光电探测器 接收后送到波长检测系统，由波长检测系统对两束信号进行差除和的运算处理。 多次采集并进行数据处理取其平均值作为该激光束的旋光角度。已知激光波长与 波长计得出的旋光度存在一一对应的关系，所以，可通过旋光角度得出光源的波 长。这种利用渥拉斯顿棱镜作为检偏器的双光路探测方法有效避免了因为光源波 动造成的误差，其精度较高、过程简单、利于推广使用。 通过理论研究和实验表明，硬件平台的选择是本实验的关键。检测系统必须 要有便携的特点，并且能够快速测量。为了满足以上要求，本文通过对几种常见 硬件方案的比较，最后决定选择体积小，运算速度快，扩展功能强大的s 3 c 2 4 4 0 平台。总的来说，我们建立的测量系统基本上达到了预期的要求。 关键词：旋光效应；波长检测；$ 3 c 2 4 4 0 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ef a s td i s t i n g u i s h i n gt e c h n o l o g yo fo p t i c a lm a s e rw a v e l e n g t hw a s r e s e a r c h e di nt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yi nd e t a i lu s i n gp r i n c i p l eo fo p t i c a lr o t a t o r y d i s p e r s i o n f i r s t , t h eo p t i ca x i so fp o l a r i z e ra n dp o l a rl i g h tb e a md i v i d e r - - 一w o l l a s t o n p r i s mw a sa d j u s t e dt o4 5 0 a n g l e sa n df i x e d t h eh o m o g e n e o u sl a s e rr a d i a t e db y s e m i - - - c o n d u c t o rl a s e r 、 ，i 廿l15 5 0n a n o m e t e r ( n m ) w e r et u m e di n t ol i n e a rp o l a r i z a t i o n l i g l a ta f t e rp a s s i n gp o l a r i z e r t h e nt h el i g h tp a s s e dt h eo p t i c a lr o t a t i o nc r y s t a l 、析t l l c i r c u m g y r a t i n gd e t e r m i n a t ea n g l e so ft h ep o l a r i z a t i o np l a n e ，s h o o ti n t ow o l l a s t o np r i s m t h el i n e a rp o l a r i z a t i o nl i g h tw a sd i v i d e di n t ot w op o l a r i z a t i o n sl i g h tw h i c hp o l a r i z e d i r e c t i o nw a so r t h o g o n a l t h i st w ol i g h t sw a sd e t e c t e db yt w ob e a mp a t hp h o t o e l e c t r o n d e t e c t o ra n ds e n tt ow a v e l e n g t hd e t e c t i n gs y s t e mw h i c hw i l lc a l c u l a t ea n dd i s p o s et h e t w ob e a ms i g n a l sw i 也d i f f e r e n c e d i v i s i o n - s u mf o r m u l a t h ed a t aw a sc o l l e c t e da n d p r o c e s s e d a n dt h ea v e r a g eo fi tw a sa st ot h er o t a t i o na n g l e so ft h el a s e rb e a n t h e r ei s au n i q u ec e r t a i nr e l a t i o n s h i pb e t w e e no p t i c a lm a s e rw a v e l e n g t hw h i c hi sm e a s u r e db y w a v em e t e ra n d o p t i c a lr o t a t i o n s o ，t h eo p t i c a lm a s e rw a v e l e n g t hc a n b ed e d v e db yt h e r o t a t i o na n g l e s t w ol i g h tp a t hd e t e c t i n gm e t h o du s i n gw o l l a s t o np r i s ma sp o l a r i z a t i o n a n a l y z e re f f i c i e n c ya v o i d se r r o r sw h i c hi n d u c e db yf l u c t u a t eo fs o u r c e t h i sm e t h o d w i n lh i g h e rp r e c i s i o na n ds i m p l ep r o c e s si ss u i t e dt op o p u l a r i z e t h r o u g ht h e o r e t i cr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t s ，w e v ek n o w nt h a tt h ek e yp o i n to f t h e m e t h o di st h ec h o s eo ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h em e a s u r es y s t e mm u s te a s yt oc a r r y , a n dm e a s u r ef a s t s a t i s f y i n gr e q u e s to ft h a t ，$ 3 c 2 4 4 0s y s t e mw h i c hh a v es m a l lc a p a c i t y , f a s ta r i t h m e t i cs p e e da n ds t r o n ge x p a n s i b i l i t yw a ss e l e c t e df m a l l ya st h eh a r d w a r e p l a t f o r m i ns u m m a r i z e ，t h em e a s u r e m e n ts y s t e m w ee s t a b l i s h e da c h i e v et h e a n t i c i p a t i v ed e s i r eb a s i c a l l y k e yw o r d s ：o p t i c a lr o t a t i o ne f f e c t ；w a v e l e n g t hm e a s u r e m e n t ；$ 3 c 2 4 4 0 n 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： 姿亥奉 l 签字日期：印口年占月5 f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：嚷锈半 导师签名： 签字日期：劲7 年夕月3 旧 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： u j 牿 为2d 年s 只f 日 工作单位：雾芯江艚 电话：口转，一黝夕孵 通讯地址：锦钎黼豫鸺 邮编渺 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 波长鉴别技术的研究背景 光的波长是物理检测技术中的一个重要参量，因为许多光学检测技术的基础 都是光波长的测量，在诸如s p r 检测、光纤传感技术等领域中，波长都扮演着重 要的角色。波长鉴别( 测量) 技术就是：先通过测量与波长有一定对应关系的其 他物理量，进而由函数关系推出波长的一种检测方法【。 光波长鉴别技术是伴随着光纤通信发展起来的一项新兴技术，它与光纤通信的 发展水平是密不可分的。光波长鉴别技术的水平同时也是决定光通信发展程度的 重要因素之一。因此，对光波长鉴别技术的研究具有十分重大的实用价值和理论 意义。 1 1 1 波长鉴别技术的分类及特点 根据被测光信号中光载频成分的不同，大体上可将光波长测量技术分为两类： 一是针对包含多个光载频的光信号而言的多波长测量技术；另一种是针对线宽足 够窄的单色光信号而言的单波长测量技术，下面分别对它们进行介绍。 ( 1 ) 多波长测量技术 对于非单色光源，我们需要将其发出的光进行分解，即将不同波长的光线按 一定规律分开排列，然后通过实验方法测量这些被分解的光谱光线的波长和强度。 光谱分析仪是用于分解和记录光谱的，按照其所用分光元件的不同，可分为棱镜 光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪这些多波长光谱分析仪大多结构复杂、价格很 高，。而且一般体积庞大，仅限于固定场所测试，很难用于现场安装测试和维护工 作，而且它们的波长分辨率很高，波长测量范围也都远远超过了d w d m 系统的测 量要求所以需要开发出一些针对d w d m 系统测试的便携式光波长测量仪表，以 使测试工作更方便有效1 2 】。 黑龙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 单波长测量技术 在很多场合，我们需要对d w d m 系统的某一个复用信道波长进行测量，或对 d w d m 光源波长进行监测和校准单波长测量系统结构一般都比较简单，易于做成 便携式仪表，而且成本较低，具有很高的性价比在需要对多个信道同时进行监测 时，可将一个可调谐光滤波器和单波长测量仪表配合使用，将可调谐光滤波器沿 着要选测的波长范围进行调整移动，然后通过单波长测量仪表依次测出各信道波 长及光功率值。下面将对一些应用于15 5 0l l m 窗口的单波长测量技术进行介绍。 首先是基于波分复用器件的单波长测量，其原理如图1 1 所示： 输 图1 1 利用双锥耦合波分复用器实现波长测量 f i g 1 - 1u s eb i p y r a m i dc o u p l i n gw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e rt om e a s u r ew a v e l e n g t h 图中有一个双锥耦合波分复用器，它将输入光信号分为么、召两路，这两路光 信号分别通过光电二极管见和转化为光电电流l 和，l 和易输入到一个对 数放大器后产生一个输出电压。该测量方案中的关键器件是双锥耦合波分复用器， 被测光信号波长值的测量主要是借助于耦合波分复用器的耦合系数随入射光波长 的变化而变化这一特性来实现的。利用这一测量原理制成的波长计在l5 3 0 - 15 7 0 n i n 的范围内可以达到小于o 1 砌的测量精度。 除此之外，还有基于线性滤光片的单波长测量( 图1 - 2 ) 及基于多量子阱电吸 收探测器的单波长测量( 图1 3 ) 。其中，后者的测量系统在15 5 0 - - 一15 9 3n r n 的范 围内可达到士8 3 0n l n 的分辨率( = 1 0 0 2v ) 1 3 j 。由于与本文并没有密切的联系， 在这里不再赘述。 第1 章绪论 图1 - 2 基于线性滤光片的光波长测量方案 f i g 1 - 2ap l a nb a s e do nl i n e a rs p e c t r a lf i l t e rf o rm e a s u r i n gw a v e l e n g t h l b 0 u l b b ll b u u 1 6 b i ) 波长h i 图1 3 线性滤光片的传输比曲线 f i g 1 - 3t h et r a n s f e rr a t i oc u r v e ds h a p ef o rl i n e a rs p e c t r a lf i l t e r 1 1 2 波长鉴别技术的发展趋势 光波长作为物理检测的基准值，被广泛应用于长度、速度、角度、平面度、 直线度和垂直度等的测量，是精密计量、精密机械和微电子工业领域重要的测量 参数，而精确地测量波长大小和并维持其稳定性是保证测量准确性和量值溯源的 关键，因此国内外都十分重视激光波长测量技术的研究。对于光波长测量仪表而 言，运用的测量原理和结构要简单，这样才能尽量减小仪表的体积，但同时又要 求有较宽的测量范围和较高的测量精度。总的来说，光波长测量仪表必须具备以 下性能： 黑龙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 能同时测出被测信号的光功率值； ( 2 ) 原理简单，容易实现； ( 3 ) 结构紧凑，体积小，易于便携； ( 4 ) 成本低廉。 展望未来，光波长的测量将向着更高精度测量方向发展，主要是更高稳定度 的研究。2 0 0 2 年以来，美国的n i s t 、德国的p t b 、法国的l p t f 、英国的n p l 和 中国计量院等都开展了光钟的研究，其最终稳定度有望达到l o 。1 8 。激光波长测量 将面向工业应用光的实用化、高精度的方向发展，其中提高导轨运动精度、优化 信号处理方法等是关键内容f 4 - 9 】。 1 2a r m 处理器介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 公司是3 2 位 嵌入式r i s c 微处理器技术的领导者，自从1 9 9 0 年创办公司以来，基于a r m 技 术口核的微处理器的销售量已经超过了1 0 0 亿。 a r m 公司并不生产芯片，而是出售芯片技术授权。其合作公司针对不同需求 搭配各类硬件部件，比如u a r t 、s d i 、i 。c 等，设计出不同的s o c 芯片。 a r m 公司在技术上的开放性使得它的合作伙伴既有世界顶级的半导体公司， 也有各类中、小型公司。随着合作伙伴的增多，也使得a r m 处理器可以得到更多 的第三方工具、制造和软件支持，又使整个系统成本降低，使新品上市时间加快， 从而具有更大的竞争优势。 基于a r m 的处理器以其高速度、低功耗、价格低等优点得到非常广泛的应用， 它可以应用于以下领域： 为无线通信、消费电子、成像设备等产品提供可运行复杂操作系统的开放 应用平台； 第1 章绪论 在海量存储、汽车电子、工业控制和网络应用等领域提供实时嵌入式应用； 安全系统，比如信用卡、s i m 卡等【1 0 】。 1 2 1a r m 处理器系列及体系架构版本 在相同的指令集下，搭配不同部件就可以组装出具有不同功能的处理器，比 如有无内存管理单元、有无调试功能等。它们可以分为8 个系列，下面简要说明 它们的特点： ( 1 ) a r m 7 a r m 7 系列处理器是低功耗的3 2 位r i s c 微处理器，它主要用于对成本、功 耗特别敏感的产品。最高可以达到1 3 0 m i p s ，支持t h u m b l 6 位指令集和a r m 3 2 位指令集。a r m 7 系列的处理器没有内存管理单元( 加讯，) 。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j s 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属于低端a r m 处理器核。 ( 2 ) a r m 9 与a r m 7 相比，a r m 9 的最大差别在于：有m m u 和c a c h e 。它的指令执行 效率较a r m 7 有较大提高，最高可以达到3 0 0 m i p s 。 a r m 9 系列微处理器有a r m 9 2 0 t 和a r m 9 2 2 t 两种类型。 ( 3 ) a r m 9 e a r m 9 e 系列微处理器在单一的处理器内核上提供了微处理器、d s p 、j a v a 应 用系统的解决方案，极大地较少了芯片的面积和系统的复杂程度。a r m 9 e 系列微 处理器提供了增强的d s p 处理能力，适合于那些需要同时使用d s p 和微处理器的 应用场合。 a r m 9 e 系列微处理器有a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 、a r m 9 6 6 e s 、 a r m 9 6 8 e s 和a r m 9 9 6 h s 共5 种类型。 ( 4 ) a i 洲1 0 e a r m l 0 e 系列微处理器具有更加杰出的高性能、低功耗特点，由于使用了新 黑龙江大学硕士学位论文 的体系结构，它拥有所有的a r m 系列中最高的主频。a r m l 0 e 系列微处理器采用 了一种新的省电模式，支持“6 4 b i tl o a d s t o r em i c r o a r c h i t e c t u r e ”，含有浮点运算协 处理器( 符合i e e e 7 5 4 标准，支持向量运算) 。 a r m l 0 e 系列微处理器有a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s 共3 种 类型。 ( 5 ) a r m l l a r m l l 系列微处理器是a r m 公司近年推出的新一代r i s c 处理器，它是a r m 新指令架构a r m v 6 的第一代设计实现。a r m ll 的媒体处理能力和低功耗特 点特别适用于无线和消费类电子产品，其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合 网络处理应用。 a r m l l 系列微处理器有这样4 种类型：a r m l lm p c o r e ，a r m l l 3 6 j ( f ) - s ， a r m l15 6 t 2 ( f ) 一s 和a r m l1 7 6 j z ( f ) 一s 。 ( 6 ) c o r t e x c o r t e x 系列处理器是基于a r m v 7 架构的，分为c o r t e x a 、c o r t e x - r 和c o r t e x - m 共3 类。c o r t e x a 为传统的、基于虚拟存储的操作系统和应用程序而设计，支持 a r m 、t h u m b 和t h u m b 2 指令集；c o r t e x - r 针对实时系统设计，支持a r m 、t h u m b 和t h u m b 2 指令集；c o r t e x m 为对价格敏感的产品设计，只支持t h u m b 2 指令集。 ( 7 ) s e c t t r c o r e s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术 的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功 耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器有如下类型：s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c 2 0 0 。 ( 8 ) o p t i m o d ed a t ee n g i n e s 这是一个新的p 核，针对高性能的嵌入式信号处理应用而设计。 在以上这8 个系列中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为通用处理器系 列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 第1 章绪论 系列专门为安全要求较高的应用而设计【1 1 1 。 a r m 体系架构的版本就是它所使用的指令集版本。a r m 架构支持3 2 位的 a r m 指令集和1 6 位的t h u m b 指令集，后者使得代码的存储空间大大减小。还提 供了一些扩展功能，比如j a v a 加速器( j a z e l l e ) 、用以提高安全性能的t r u s t z o n e 技术、智能能源管理( i e m ，i n t e l l i g e n te n e r g ym a n a g e r ) 、s i m d 和n e o n t m 等技 术。 还在使用的指令集( i s a ，i n s t r u c t i o ns e t a r c h i t e c t u r e ) 有以下版本。 ( 1 ) a r m v 4 这是当今市场上最老的版本，a r m v 4 只支持3 2 位的指令集，支持3 2 位的地 址空间。一些a r m 7 系列的处理器和i n t e l 公司的s t r o n g a r m 处理器采用a r m y 4 指令集。 ( 2 ) a r m v 4 t 增加了1 6 位的t h u m b 指令集，它可以产生更紧凑的代码，与相同功能的a r m 代码相比，可以节省超过3 5 的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 ( 3 ) a r m v 5 t e 在1 9 9 9 年，a r m v 5 t e 版本改进了t h u m b 指令集，增加了一些“增强型d s p 指令”，简称为e 指令集。 ( 4 ) a r m v 5 t e j 在2 0 0 0 年，a r m v 5 t e j 版本中增加了j a z e l l e 技术用于提供j a v a 加速功能。 相比于仅用软件实现的j a v a 虚拟机，j a z e l l e 技术使得j a v a 代码的运行速度提高8 位，而功耗降低8 0 。 ( 5 ) a r m v 6 在2 0 0 1 年，a r m v 6 问世。它在很多方面都有改进：存储系统、异常处理， 最重要的是增加了对多媒体功能的支持。a r m v 6 中包含了一些媒体指令以支持 s i m d 媒体功能扩展。s i m d 媒体功能扩展为音频视频的处理提供了优化功能，可 以使音频视频的处理性能提高4 倍。 黑龙江大学硕士学位论文 ( 6 ) a r m v 7 a r m v 7 架构使用t h u m b 2 技术，还使用了n e o n 技术，将d s p 和媒体处理 能力提高了近4 倍，并支持改良的浮点运算，满足下一代3 d 图形、物理应用以及 传统嵌入式控制应用的需求【1 2 】。 基于性能和价格的综合因素考虑，本文中使用了$ 3 c 2 4 4 0 芯片，其处理器属 于a r m 9 2 0 t 系列，版本为a r m v 4 t 。 1 2 2 波长鉴别技术中选择a r m 处理器的理由 计算机及其接口技术的发展和传统测试测量仪器系统暴露出来的不足，使得 基于计算机的虚拟仪器设备越来越成为测试测量仪器的主导。虚拟仪器系统以其 平台通用性、可扩充、易升级和高度的智能性获得了广泛的工业应用。在p c 和工 业控制计算机中插入基于p c 总线( i s a ，p c i ) 的数采板卡构成硬件系统，编写 w i n d o w s 系统平台的驱动程序和软面板实现软件功能，成为业界的主要解决方案。 但是在野外和恶劣环境下测试任务的实践过程中，我们发现基于p c 或工控机 的虚拟仪器暴露出很多问题，如：体积大，不便于携行；插卡式结构，接触易松 动、不紧固；以机械硬盘为主要存储介质，抗震性能差等。 以3 2 位嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为特征的嵌入式计算平台使测量计 算进入了后p c 时代。嵌入式系统的小体积、高可靠能够满足实现野外和恶劣环境 下的便携虚拟仪器的需要。基于嵌入式计算平台，设计虚拟仪器系统成为构建测 试系统的新思路。 文中采用基于a r m 9 内核的嵌入式系统$ 3 c 2 4 4 0 为核心开发光波长测量仪。 作为3 2 位的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 架构1 1 3 1 ，基于a r m 核的微 控制器芯片具有较高的运行速度、较大的地址空间、低功耗和高性价比，具备在 其上运行一个完整的嵌入式操作系统的能力。系统以触摸屏作为人机交换平台，取 代了传统的键盘，脱离了定标等分析软件对微机的依赖，最终使用户通过简单的 操作对光波进行检测。 第1 章绪论 1 3 论文研究的意义及内容 本课题利用晶体旋光效应分析和研究线偏振光通过石英晶体后偏振态的变化 情况，并结合偏振光振动面旋转角度的检测方法，得到波长与旋光角度的对应关 系，从而得到一种新型的光波长检测方法。 本课题研究的意义在于： ( 1 ) 波长作为一个基本物理量在科学实验、工程测量和工业生产中经常遇到， 所以新型的波长测量方法的研究和探索应该受到足够的重视。国内的波长检测技 术起步较晚，高精度的波长测量仪器基本都是国外进口产品，探究新型的波长测 量方法具有十分重要的现实意义。 ( 2 ) 相比传统的波长测量方法，基于a r m 9 的嵌入式波长测量装置有很多优点： c p u 主频高、运算速度快、测量精度高、抗电磁干扰、测量稳定性好、便携性好、 操作方便、成本低、功耗低、扩展性强、功能修改方便，这些优点确立了研究的 可行性。 综上所述，作为一种新型的光波长测量方法，基于a r m 9 的光波长测量系统 具备技术的先进性和工程的实用性，具有十分广阔的应用前景。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章光波的基本性质和旋光理论基础 2 1 引言 本章介绍光波的基本性质、偏振光以及旋光性质的理论基础，以及整个测试 系统所需要的基本公式。 2 2 光波的基本性质 根据光的电磁理论，光波具有电磁波的所有性质，这些性质都可以从电磁场的 基本方程差克斯韦方程组f 4 j 推导出来。从麦克斯韦方程组出发，结合具体的 边界条件及初始条件，可以定量地研究光的各种传输特性。 麦克斯韦方程组的微分形式为： v d = p v 雪：0 v 豆：一一a b 劣 v 雷：了+ 望 a ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 光波在各种介质中的传播过程实际上就是光与介质相互作用的过程。因此，在 运用麦克斯韦方程组处理光的传播特性时，必须考虑介质的的属性，以及介质对 电磁场量的影响。描述介质特性对电磁场量影响的方程，即物质方程，其关系如 下： 西：占雷( 2 5 ) 雪= 膏 ( 2 6 ) 1 0 第2 章基本性质和旋光理论基础 j = 仃e( 2 7 ) 其中，s 和是两个标量，分别称为介电常数和磁导率。c = e o 为介电常数，描 述介质的电学性质，毛是真空中介电常数，q 是相对介电常数；= 风从为介质 磁导率，描述介质的磁学性质，是真空中磁导率，以是相对磁导率；仃为电导 率，描述介质的导电特性。在通过麦克斯韦方程组求解各个场量时，上述物质方 程是必不可少的【1 引。 2 2 1 光的传播 麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，指出任何随时间变化的电场，将 在周围空间产生变化的磁场，任何随时间变化的磁场，将在周围空间产生变化的 电场，变化的电场和磁场之间互相联系，互相激发，并且以一定速度向周围空间 传播。因此，交变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波，应当满 足描述这种波传播规律的波动方程【1 6 l 。 下面，我们从麦克斯韦方程组出发，推导出电磁波的波动方程，限定介质为各 向同性的均匀介质，仅讨论远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流的区域。此 时，麦克斯韦方程组简化为： v 西：0( 2 8 ) v 雪：0( 2 9 ) v x 雷：一望 ( 2 1 0 ) 研 v x 百：望( 2 1 1 ) 拼 取( 2 1 0 ) 的旋度，并将( 2 1 1 ) 代入，得到： v ( v 雷) = 一胪警 沼1 2 ) 黑龙江大学硕士学位论文 利用矢量微分恒等式： 通过2 - 8 式可得： 同理得到： 若令v = 告q , u n - 则上述两式可化为： v ( v j ) = v ( v j ) - v 2 j ( 2 - 1 3 ) v 2 雷一胆警= 。 协1 4 ) v 2 豆一肛雾= 。 协 v 2 豆专雾= 。 协 v 2 豆一三罂：0 ( 2 1 7 ) 1 ，o t 此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了交变电场和磁场是以 速度1 i ，传播的电磁波动【1 7 j 。 2 2 2 光的反射和折射 光在两个介质分界面上的反射和折射，本质上是光波的电磁场与物质相互作用 的问题。我们只考虑用电磁场的边值条件和介电常数、磁导率来研究光在两介质 分界面上的反射和折射问题。 如图，平面波在界面上的反射和折射。 第2 章基本性质和旋光理论基础 日1 。n ，血y “ 2 界面 必 a z 丘z 图2 1 光在界面上的反射和折射 f i g2 - 1t h er e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o no fp l a n ew a v eo nt h ei n t e r f a c e 一个单色的平面波照射到两种不同介质的分界面上时，将分成两个波，一个折 射波和一个反射波。它们遵循反射定律和折射定律f 1 8 】。 其中反射定律为： 折射定律为： s i l l b = s i n o l s i i l q = n 2s i n 0 2 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 下面我们讨论反射光、折射光与入射光振幅和位相关系的菲涅耳公式。对于电 矢量豆垂直于入射面和平行于入射面的入射平面波，其反射光和折射光的振幅和 位相关系并不相同，所以有必要对这两种情况分别予以讨论。在实际情况中，入 射光的电矢量丘可以在垂直于传播方向的平面内取任意方向，但是总可以把丘分 解为垂直于入射面的分量丘，和平行于入射面的分量丘口，这就是说，可以把入射 光分解为电矢量垂直于入射面和平行于入射面的s 波和p 波。 s 波的反射波和入射波的振幅比为： 黑龙江大学硕士学位论文 = 鲁= 一丽s i n ( 0 1 - t 9 2 ) 协2 。) s 波的折射波和入射波的振幅比： = 等= 鬻 q 捌) 和气通常称为s 波的反射系数和投射系数。 p 波的反射波和入射波的振幅比为： 名= 等= 揣 协2 2 ) p 波的折射波和入射波的振幅比为： 。2 等2 褊 协2 3 ， 0 和分别称为p 波的反射系数和透射系数。菲涅耳公式就是包括s 波和p 波的 蜃射和柑射系粒存内的今鄯公式l l g 2 3 光的偏振理论 2 3 1 光的偏振现象及其应用 光的干涉和衍射现象表明了光的波动性，而光的偏振性则表明了光及所有电磁 波是横波。实验表明，只有横波才有偏振现象。麦克斯韦的电磁理论，证明了光 波是一种横波，即它的光矢量始终是与传播方向垂直的1 2 0 j 。如果在光波中，光矢 量的振动方向在传播过程中保持不变，只是它的大小随位相改变，这种光称为线 偏振光。线偏振光的光矢量与传播方向组成的面就是线偏振光的振动面。 通常太阳、白炽灯等普通光源包含大量辐射原子和分子，在同一时间发出具有 不同初相位和振动方向的光波，光矢量在空间无规则地变化，从而不显示任何方 第2 章基本性质和旋光理论基础 向特性，也就表示为非偏振特性，这些光都是非偏振光。平常所见的自然光是各 种特性在各个方向都完全相同的均匀的光。自然光通过一些人造偏振器件后，能 得到偏振光的输出。 偏振是光的一个重要特性，人类对光的偏振特性，早就作了大量的研究。由于 激光器的问世，能够得到单色性好、亮度高的偏振光。人们发现物质中的粒子( 原 子与分子) 对于不同偏振态的光波具有不同的响应，使得偏振光广泛用于探索物 质结构与性质的研究工作。此外，偏振光的获得与变换还广泛应用在各种应用技 术中f 2 l 】。 2 3 2 偏振态的定义与分类 平面光波是横电磁波，其光矢量的振动方向与光波传播方向垂直。而在垂直方 向的平面内，光振动方向相对光传播方向是不对称的，这种不对称性导致了光波 性质随光振动方向的不同而发生变化。我们将这种光振动方向相对光传播方向不 对称的性质，称为光的偏振特性。它是横波区别于纵波的最明显标志。 “偏振状态”有两重含义，其一是描述一束光是属于“完全偏振光、“自然光 或“部分偏振光 中的哪一种；其二是对这三种光中的完全偏振光作进一步分类， 即分类为“线偏振光( 或平面偏振光) 、“椭圆偏振光 和“圆偏振光。为了区 别起见，我们把前一类称为“偏振状态 ，把后一类称为“偏振态 。 根据空间任一点光电场e 的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为 线偏振、圆偏振和椭圆偏振。 在空间任意一点，光矢量在同一时刻沿传播方向上各点都在同一平面内，这种 偏振光称为线偏振光。 在圆偏振光中光矢量的端点沿一圆周运动，光矢量的量值保持不变，而它的旋 转角度则在0 到2 n 之间变化。通常规定逆着光传播的方向看，e 顺时针方向旋转 时，称为右旋偏振光，反之，称为左旋偏振光。 椭圆偏振光是实际应用中最普遍的一种偏振光形式，它的光矢量在垂直传播 方向的平面内大小和方向都在改变，端点的运动轨迹在垂直于传播方向的平面内 1 5 黑龙江大学硕士学位论文 是一个椭圆。由于旋向的不同，椭圆偏振光也可分为右旋椭圆偏振光和左旋椭圆 偏振光。 2 4 旋光色散理论 2 4 1 旋光现象及其原理 18 11 年，阿喇果( a r a g o ) 在研究石英晶体的双折射特性时发现：一束线偏振 光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度。由于 石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而阿喇果发现的 现象应该属于另外一种新现象，这就是晶体中的旋光现象。稍后，比奥( b i o t ) 在 一些蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。 大量实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的角 度秒与在该介质中通过的距离d 成正比： p = o r d ( 2 2 4 ) 式中，p 是晶体的旋光角；口是晶体的旋光系数，又称旋光率，它与光波长、介质 的性质及温度等因素有关。 有些晶体的旋光性质有左旋和右旋之分。旋转的方向一般是这样确定的：迎着 从旋光晶体出射的光看去，线偏振光振动面在晶体中是顺时针转动的，称为右旋； 逆时针转的称为左旋。其旋光系数分别用口+ 和口表示，对于同一晶体，其左、右 旋转的值相同。 当光传播方向改变时，晶体的左旋或右旋的性质不变，因此，如果通过晶体的 偏振光从镜面上反射后再通过同一晶体，则振动面就恢复到原来的方向。 对各向异性晶体，旋光系数口是光传播方向与晶体光轴夹角的函数。但对大多 数晶体，偏离光轴的旋光性已被双折射性所掩盖，所以对于晶体一般是指沿光轴 方向的旋光系数。 对于不同波长的光在同一旋光物质中其旋光率不同，这种现象称为旋光色散 第2 章基本性质和旋光理论基础 1 2 4 2 5 】。本实验选用的旋光介质为石英晶体，由于石英晶体在不同入射波长下的旋 光率不同，而且没有计算公式。所以，我们需要在所测值范围附近选择多点进行 测量，用结果拟合出一条曲线，作为入射波长与旋光率的关系曲线。当再次测量 入射光时，可以通过所测旋光角度，反推出入射波长。这就是我在本设计中要达 到的最终目的。 2 4 2 旋光色散的实验系统 i 单色光源 _ 口 旋光物质( 石英晶体) l 心 偏振片w o l l a s t o n 棱镜 a b 图2 - 2 待测系统结构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f a w a i tm e a s u r i n gs y s t e m 整个实验系统如上图所示，由四个部分构成。单色光源采用波长为15 5 01 3 _ 1 3 3 的半导体激光器，它发出的光束经过偏振片后称为线偏振光，然后经过旋光晶体， 其振动面旋转一定的角度后出射到渥拉斯顿棱镜，最后被分为两束偏振方向相互 垂直的线偏振光。两个光信号入射到后文的采集系统中，进行运算处理。 2 6 - 3 5 】 首先，将起偏器的光轴和偏光分束器即渥拉斯顿棱镜的光轴调整成4 5 度角( 这 是为了获得对旋光率口变化的最大灵敏度) ，并固定不动，偏振光经过旋光晶体后， 偏振面旋转一定角度，光线进入渥拉斯顿棱镜，出射后光线被分解为振动方向相 互垂直的两束平面偏振光，根据光强公式【3 6 - 4 5 】： 1 = 霹c o s 2 ( 伊一秒) ( 2 - 2 5 ) 由前面起偏器和渥拉斯顿棱镜的条件可以知道出射的两束光的强度分别为： l = 去 霹( 1 + s i l l ( 2 秒) ) ( 2 2 6 ) 黑龙江大学硕士学位论文 l = 2 e 0 2 ( 1 “n ( 2 p ) ) ( 2 - 2 7 ) 将两个信号的差、和作除法运算可得： 簪：s i n ( z 0 ) 2 0 ( 2 。2 8 ) l a + l b 通过已知的旋转角度和旋光率之间的关系式0 ：a d ，可以求出旋光率口， 由于石英晶体在不同入射波长下的旋光率不同，查手册或者对照实验拟合曲线可 以确定对应的波长值。 2 5 本章小结 本章首先介绍了光的基本性质及光的偏振。随后对光的偏振状态进行了分类 描述，然后引出了旋光现象，并在理论上对其进行了详细分析和解释。随后给出 了旋光现象的一些重要性质及计算公式，明确了旋光率( 旋光角度) 与系统入射 光波长的关系。 第3 章$ 3 c 2 4 4 0 在波长鉴别系统中的应用 第3 章$ 3 c 2 4 4 0 在波长鉴别系统中的应用 3 1 引言 本章主要介绍$ 3 c 2 4 4 0 的基本性能及整个系统开发平台的建立。 3 2 $ 3 c 2 4 4 0 介绍 3 2 1 $ 3 c 2 4 4 0 基本参数及性能特点 随着设计与制造技术的发展，集成电路设计从晶体管的集成发展到逻辑门的 集成，现在又发展到i p 的集成，即s o c ( s y s t e m o na c h i p 设计技术。s o c 可以 有效地降低电子信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力， 是未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。 综合多种说法，s o c 的定义明确地表明了以下特征： 实现复杂系统功能的v l s i ： 采用超深亚微米工艺技术； 使用一个以上嵌入式c p u 数字信号处理器( d s p ) ； 外部可以对芯片进行编程； 主要采用第三方p 进行设计。 因此，其合理定义为：s o c 是在一个芯片上由于广泛使用预定制模块d ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 而得以快速开发的集成电路。 本系统使用的$ 3 c 2 4 4 0 就属于s o c ，它集成了处理器、内存管理单元( m m c ) 、 n a n df l a s h 控制器等部件，而处理器是基于a r m 公司的p 设计的【4 7 】。 三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，为手持设备和一般类型应 用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整体系统 成本，$ 3 c 2 4 4 0 提供了以下丰富的内部设备。 1 9 黑龙江大学硕士学位论文 $ 3 c 2 4 4 0 采用了a r m 9 2 0 t 的内核，o 1 3 l a i n 的c m o s 标准宏单元和存储单元。 其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感性的应用。 它采用了新的总线架构a d v a n c e dm i c r oc o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 。 $ 3 c 2 4 4 0 的杰出的特点是其核心处理器( c p u ) ，是一个由a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s 有限公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t 的r i s c 处理器。a r m 9 2 0 t 实现了 m m u ，a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的1 6