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光电技术综合实验 光电相位探测传感器设计班级： 光通信082姓名： 学号： 指导老师： 张翔光电相位探测传感器的重要意义：基于光电探测技术检测输出波前相位特性，对改善光束的质量有着重要的意义。光波在大气中传输会受到大气湍流、温度等因素的影响，使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象。为了改善光束的质量，主动光学诞生了，在观测过程中内置的光学修正部件对像质进行自动调整，即自适应光学。目前探测波前扭曲程度的传感器主要有两类：沙克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前传感器，它通过由每一个附属的图像探测器产生的参考星星像来探测实际波前的扭曲情况。另一个是曲率探测系统，它的改正是通过双压电晶片自适应透镜来完成的，透镜由两个压电平面组成。大气湍流将使在大气中传输的光波的光束质量明显变坏，产生波前相位畸变；自适应光学系统可以对畸变的光波相位波前进行实时探测、波前复原和预先进行实时的波前校正，从而显著改善到达靶面的光束质量。光波相位的探测，进而控制光波的相位来提高光束的质量。一、设计目的与要求1、设计目的利用所学知识设计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。2、设计内容光电相位探测器器的基本结构及原理示意图光电相位探测传感器的构成掌握激光器的的组成，和各组件的作用，特别是前端激光器和光电探测模块阐述高斯匹配问题定性绘出采用圆形镜稳定腔He-Ne激光器输出光强分布特性，并对模式特性进行细致阐述 叙述扩束系统的结构形式微透镜器件基本原理和参数选取光电探测器件的分类二、光电相位探测器的基本结构及原理示意图1、 基本结构（1）光学匹配系统：将入射光束的口径缩小（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：通过数据处理，进一步得到波前相位分布。（6）光波相位模式复原软件等。 2 、原理示意图激光入射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1、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、微透镜阵列和光电探测器之间加入匹配透镜。5、进一步计算得到波前相位分布。设计原理设计总示意图三、前端激光器1、激光器的组成及各组件的作用（1）泵浦系统泵浦原是指向工作物质共给能量的能源，依靠它把工作物质中的原子，分子丛基态激发到高能态，并形成粒子束反转。泵浦系统是指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。常用的泵浦方式有：a电子注入：用电学方法将电子或空穴从作用区的两侧注入到作用区中，以在作用区形成粒子束反转。二极管激光器采用的就是这种方法，这种泵浦法的优点是：结构简单，容易调治，效率高等。b光学泵浦：这是利用光源的光辐射把工作物质中的原子泵浦到高能态。固体激光器，光线激光器，染料激光器，有机激光器等都采用这种方法。对泵浦光源的基本要求是，发射波长与工作物质吸收波长匹配。满足这个条件，泵浦光源的大部分光能就会真正用于泵浦，获得比较高的泵浦效率；此外，近年来，用半导体二级激光管作泵浦光源，具有体积小，使用寿命长，发光效率高等优点。c气体放电泵浦：利用气体放电，加热气体，使他们电离，或者让电子，离子与工作物质中的原子发生非弹性碰撞，把他们激发到高能态，李子激光器，原子或分子气体激光器，金属蒸气激光等采用这个方法。d粒子束泵浦：向工作物质注入高能电子或离子，让他们与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞，把后者激发到高能态。高压气体激光器等采用这种方法。e化学泵浦：利用工作物质本身化学反应式所产生的能量，把原子，分子激发到高能态，化学泵浦可分为直接泵浦，能量转移泵浦和光分解泵浦三种方式：直接泵浦是由工作物质发生的化学反应形成激发态原子；能量转移泵浦是利用某些化学反应产生的激发态原子与工作物质的原子作非弹性碰撞，通过能量交换把后者激发到高能态；光分解泵浦是利用光辐射照射工作物质，使其发生光分解反应，并在反应过程中形成激发态原子。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、谐振腔谐振腔也称为共振腔，是指光子可在其中来回振荡的光学腔体。梅曼激光器所用的谐振腔，由2块互相平行的平面反射镜组成，其中一块反射镜对激光的发射率接近100%，另一块对激光有事当透过率，以便对外输出激光。除了上诉平-平腔之外，还有其他形式的共振腔，如平-凸腔，共焦腔等。共振腔的作用有两个：a 正反馈：让光辐射不断地在工作物质中往返传播，使受激辐射强度不断增强，最终达到和维持激光振荡。b 选模：原子向某个模作受激辐射跃迁的速率与处在这个模的光子数目成正比，谢振腔内的模式很多，各个模的光学增益是不一样的，沿光轴附近小立体角内传播的模增益最大。随着光辐射在腔内往返传播次数的增加，处在这个模的光子迅速增多，以致后来差不多所有在激发态的原子都向这个模作受激辐射跃迁。于是我们就可以获得发散角小，相干性更好的激光束。仔细设计腔镜反射率，可以让激光其输出不同波长。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。下面以He-Ne激光器的结构为例：示意图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。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，表示谐振腔的因子，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。解：由题意可得： 可以得到： 由公式 并代入 得: 图3 谐振腔示意图四、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)，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。图4 高斯模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5为某些激光横模的光强分布。图5 圆形镜激光横模的光强分布设有如图6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。衍射损耗与的关系比较复杂，通常将计算结果画成曲线图。图7画出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面镜腔的曲线。横坐标为数，纵坐标为单程衍射损耗。由图利用上式可以计算出光强。圆截面平行平面腔圆截面共焦腔1101000.61.01.41241040110100TEM01TEM00圆截面平行平面腔图7 衍射损耗与关系4、扩束系统结构 图8如图，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。光束质量的评定：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MTFPSF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PSFPV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如下: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9（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9(b)所示; 然而实际的激光波前并不是理想的平面波前, 它们或多或少地带有一些畸变, 用微透镜阵列聚焦后, 焦点不再是均匀分布, 而是与理想的焦点发生了位移, 如图9(c)。 图92、光电探测器件与微透镜器件位置的确定利用像散元件(如柱面镜) 产生的像散, 在焦点附近像散光束出现轴向不对称性, 在最佳焦点的两边出现水平方向或垂直方向的像散线。把被测点离焦量的变化转变为光斑不同方向光能的变化, 经过光电探测元件探测, 就可以得到离焦量像散法原理如图10所示：OOO(a)正焦(c)远焦(b)近焦图10将光电探测器放在合适位置, 使之在正焦时, 光斑在其上为圆形, 而在不同离焦情况下, 探测器上的光斑形状发生不同的变化. 将探测单元分为一个以分离线分离的四个象限, 若四个象限接受的光强分别为. 设探测单元归一化输出信号S为：3 、质心坐标计算知道光腰尺寸0 D 和实际发散角 ，设计者就能通过下述公式得出任何沿Z 轴传播光束的光斑直径：将上述结果和薄透镜公式或光线轨迹方程相结合，就可以对高斯光束或混合模式光束进行建模。这将节省设计周期，节约时间和费用。从非数值采样方法得到的分析结果会对激光束得出许多不同结论，但通过光束轮廓可以得出光束直径的数值采样。光束的XY 扫描或二维阵列图像可以提供量化的光斑形状以及椭圆率。质心坐标可由下式计算出：其中， 是子孔径内坐标处的像素灰度值；分别是像素在子孔径的和方向的坐标。由上式可得到光斑的质心。下面是平面波和非平面波通过微透镜阵列成像在光电探测器上的图像分布：侦测器正面微透镜阵列侦测器理想波前侦测器正面微透镜阵列侦测器待测波前 图11六、光电探测器件一、光电探测器件的要求：1.对可见光波段，特别是激光有很好的响应，对左右波长也有响应2.结合图像采集卡，最大采集速率可达20帧/s。二、分类：（1）利用光子效应。应用最广的有三种，即光电导、光生伏打效应和光电发射效应。前两种统称为内光电效应（见固态光电探测器），后一种称为外光电效应（见光电效应、光电管和光电倍增管）。主要有光电子发射探测器 、光电导探测器、光伏探测器。（2）利用热效应，简称热探测器:热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。热释电效应是指某些物质(例如硫酸三甘肪、锭酸樱、铝酸锡钡等品体)吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内品格的间距这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。与光子探测器相比，热探测器的主要缺点是：响应较低，响应时间校长，一般地，要同时得到灵敏度高、响应快的特性是困难的。然而自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，因此热探测器的使用范围扩大了，延伸到原来部分光子探测器独占的领域，而且在大于14um的远红外域更有广阔的用途。（3）利用波的相互作用这类探测器利用入射辐射的电磁场与一个参考辐射的电磁场在光敏材料中的相互作用。主要有光学外差探测及光学参量效应。 光学外差探测利用一个频率与被测相干辐射的频率相近的参考激光辐射在探测元件（通常由光电导材料、光生伏打材料或光电发射材料制成）中与被测辐射混频而产生差频。光学外差探测只受到散粒噪声的限制，因而探测率比直接探测或零差探测高几个数量级。 参量效应可利用相干辐射在双折射晶体（例如 K