光电检测原理及应用

1、课程：光电检测技术专业：光电信息工程等级：0903姓：当平学生编号。老师：石坚成就衍射光栅的基本理论及其应用介绍衍射光栅是由密集等间距的平行线组成的一种非常重要的光学器件。有两类：反射和透射。衍射光栅精度高，制造难度大，但它具有性能稳定、分辨率高、角色色散大、波长变化小等优点，因此被广泛应用于各种光谱仪器中。衍射光栅是一种分光光学元件，不仅用于光谱学，还广泛应用于计量学、光通信、信息处理等领域。光栅有很多种，包括透射光栅和反射光栅；平面光栅和凹面光栅；还有黑白光栅和正弦光栅；一维光栅、二维光栅和三维光栅。衍射光栅装置可以设计为：平行单色光垂直照射光栅，光栅常数为0，光栅的狭缝总数为n。通过每个

2、狭缝向不同方向发射的光通过透镜聚集在屏幕上的不同位置，屏幕放置在透镜的焦平面上。由许多等距平行狭缝组成的光学元件称为衍射光栅。用金刚石刀头在玻璃板上刻出等间距的平行细槽，形成衍射光栅。由于漫反射，雕刻部分变得不透明，中间是透明玻璃，这相当于一个单缝透光。假设每条划线的宽度为b，即不透明的宽度，两个相邻划线之间的距离为a，即透明部分，a b称为光栅常数，通常用d表示，因此我们可以得到光栅常数与每单位距离的刻痕数n之间的倒数关系，即每单位长度的条纹越多，光栅常数越小。衍射光栅的原理；1.光栅分光原理：光栅是一种重要的分光元件，不仅用于光谱学，还广泛应用于计量学、光通信、信息处理等领域。根据不同的分

3、类方法，光栅可分为透射型和反射型光栅或振幅型和相位型光栅。本实验采用透射式振幅光栅，相当于一组等宽等间距的平行狭缝。其结构如下图所示：当波长为的平行光束入射到光栅平面上时，透射光按照衍射定律向各个方向传播，经透镜L会聚后，在透镜的第二个角平面上形成一组亮条纹。各级产生亮条纹的条件如下：如果入射光不是单色光，除k=0外，其他谱线将按波长顺序排列。当平行光垂直入射时，i=0，光栅方程简化为此时，可以观察到中心谱线非常强(称为零级谱线)，而其他级的谱线对称分布在零级谱线的两侧。在公式中，“”表示衍射光和入射光在光栅法线的同一侧，“-”表示它们不在法线的同一侧。当光谱有序时，称为零级光谱，此时光栅没有

4、色散效应。通过改变上述公式，我们可以看出：(1)当给定光栅常数和入射角度时，不同的波长对应于同一光谱中不同的衍射角，因此相应的谱线也在空间的不同位置，从而将合成光分解成相应的光谱。(2)波长越短，衍射角越小，光栅光谱从短波向长波向衍射角增大的方向扩展。常用的衍射光栅是闪烁光栅。闪烁光栅凹槽的横截面大部分为三角形，每个凹槽的反射面与光栅平面的夹角为闪烁角。光栅平面法线、入射角、衍射角、光栅常数和凹槽深度。光栅衍射后的光强分布不仅与光栅每个凹槽的衍射角有关，还与光栅所有凹槽的衍射光束的干涉有关。只要改变凹槽端面的形状和尺寸，所有级别光谱的相对分布都可以改变，因此光强度主要集中在所有需要的光谱级上。

5、(1)光栅的作用色散。指波长不同的两种波长的光分开的角度距离。单位是。(2)光栅的分辨率。它表示光栅分离两个相邻光谱的能力。通常，波长与在该波长附近可分辨的最小波长差的比值被用作光栅分辨率的量度。2.光栅的基本特性(1)角色离职率。光栅的角色散是指同一光谱中两条谱线的衍射角差 与其波长 之比，即从上式中，光栅的角色散与光栅常数成反比。然而，角色散与光栅中衍射单元的总数n无关。当衍射角k很小时，角色散D可以近似视为常数， 与 成正比，所以光栅光谱称为均匀发射光谱。(2)辨别能力。光谱仪器的分辨力r定义为两个谱线的波长 之差，这两个谱线可以被仪器分辨，并且它们的平均波长被去除。也就是说，根据瑞利准

6、则，光栅的分辨力r的表达式可以得到如下：上述公式表明，光栅的分辨力与衍射单元总数n和有效使用面积内光谱的阶数k成正比，与光栅常数d无关。分辨力r越大，刚能分辨的波长差 越小，光栅的分辨力越高。具有空间周期结构的光学元件，可以等宽等间隔地分割入射波前。它经常被用作色散元件来分离不同波长的谱线。光栅分为透射光栅和反射光栅。根据透射函数的不同，透射光栅可以分为普通的矩形透射光栅和正弦光栅。闪耀光栅是一种反射光栅，能量利用率高，凹面反射光栅能自动聚焦成像。根据制作方法的不同，有三种类型：划线光栅、复制光栅和全息光栅。所有光栅的基本原理都是一样的。以平面透射光栅为例，用金刚石刀具在平板玻璃上划出等宽等间

7、距的平行划线。未切割部分可以透光，而划线部分由于漫反射而不能透光，这相当于大量等宽等间距的平行狭缝。如果狭缝的宽度为a，不透明部分的宽度为b，两个相邻狭缝之间的距离d=a b称为光栅常数。是光栅的一个重要参数。光栅实验装置如图1所示。单色狭缝光源平行于光栅的狭缝，并置于L1透镜的物焦平面内。L1发出的平行光垂直入射到光栅上，光栅的每个狭缝都会产生单缝衍射。所有衍射角为的衍射光通过透镜L2会聚在屏幕上的p处，相干叠加的结果决定了p处的总光强.干涉最大值在屏幕上的位置由光栅方程给出：(k=01，2，)整数k称为干涉阶数，为波长。不同波长的主极大值位置不同，因此当光源为多色光时，不同波长分量的主极大

8、值相互分离形成光谱，称为光栅光谱。每个水平的最大强度受到单缝衍射的限制。水平越高，强度越弱，但分离的谱线越多，如图2所示。图中虚线表示单缝衍射的分布曲线。注意，所有波长的零级干涉最大值彼此一致，并且落在单缝衍射的中心最大值处。无色散的零阶干涉极大值占据了大部分能量，能量利用率低。反射闪耀光栅可以将衍射中心闪耀到一定的光谱，大大提高了能量利用率。衍射光栅是一种光谱元件，也是光谱仪器的核心元件。20世纪60年代以前，全息光栅和刻划光栅作为色散元件，被广泛应用于光谱分析中。它们是分析物质组成、探索宇宙奥秘和发展自然的必要工具，极大地促进了物理学、天文学、化学、生物学等科学的全面发展。随着科学技术的发

9、展，其应用已广泛应用于计量学、天文学、集成光学、光通信和原子能等领域。因此，光栅制作技术的研究从未中断过。衍射光栅的经典概念虽然简单，但内涵极其丰富。在过去的二十年里，光栅的应用已经远远超出了传统的应用范围，在科学研究和技术等许多领域已经成为不可替代的重要工具。例如，衍射光栅用于集成光学、光学全息术、光谱分析、模糊处理、数模转换、相关存储、光束耦合、光束扩展、光束偏转、光束采样、光束分离、光学逻辑、数据存储、光学测试、模式转换、相位共轭、脉冲整形和压缩、调Q、模式锁定、信号处理、太阳聚焦、空间光调制、光学开关等等近年来，一系列新型光栅的出现在科技发展和工业生产技术创新中发挥了越来越重要的作用。

10、在光纤中制作光栅，制作光纤光栅，促进光纤通信产业的发展；光栅和波导的结合产生了阵列波导光栅，它是光纤通信中非常重要的波分复用器件。光栅的飞秒脉冲啁啾放大技术促进了强激光的产生；大尺寸脉冲压缩光栅是激光核聚变装置不可缺少的分束器；应用于光电阵列照明技术的阻尼光栅：体全息光栅已经进入光存储和波分复用的实用阶段。光栅促进了科学技术的发展，世界对光栅的需求越来越大。参考1韩，崔，光电转换与检测技术(182)，北京：国防工业出版社，20102陆春生光电检测技术及其应用，北京：机械工业出版社，19923齐散斑是光学成像中的一种常见现象。牛顿解释了很久以前恒星闪烁而行星不闪烁的现象。由于激光的高相干性，激光

11、散斑现象更加明显。起初，人们主要研究如何减少散斑的影响。在研究过程中，人们发现散斑携带了大量关于光束和光束通过的物体的信息，因此产生了许多应用。例如，通过散斑的对比度来测量反射表面的粗糙度，通过散斑的动态条件来测量物体的移动速度，通过散斑来执行光学信息处理，甚至使用散斑验光。激光散斑可以通过曝光来测量，但最新的测量方法是电荷耦合器件和计算机技术，因为这种技术避免了显影和定影的过程，可以达到实时测量的目的，并广泛应用于科研和生产中。图(1)是空间中随机介质散射光源光形成的散斑图案。激光于1960年出现在世界上。当高相干性的激光照射在粗糙的表面上时，很容易看到这种图案，并且散斑携带了许多有用的信息

12、。散斑广泛应用于工程和其他方面。散斑理论是统计光学的一部分。屏蔽光的相干理论在许多地方是相似和相通的。它在20世纪80年代早期被应用于无损检测领域，其原理是通过叠加加载前后被测物体的激光散斑图案在缺陷部分形成干涉条纹。由于散斑干涉图是利用物体表面反射的光通过棱镜后产生的微小剪切量形成的，不需要参考光路，所以外部干涉的影响很小，检测时不需要防振工作台，便于现场使用。随着激光散斑测量技术的发展，利用CCD摄像机输出干涉图像信号，省去了显影、定影等复杂的湿式处理过程，大大提高了检测效率。同时，输出的数字信号可以直接与计算机连接进行自动处理，并且可以在计算机屏幕上实时观察到干涉图样，非常方便现场应用。

13、当激光从散射体表面漫反射或穿过透明的散射体(如磨砂玻璃)时，在散射面附近或散射面上的光场中可以观察到一种随机分布的明暗斑点，称为激光散斑(laser Speckles)或散斑。如果散射体足够粗糙，由这种分布形成的图案非常特殊和美丽(对比度为1)，如图(1)所示。图2激光散斑的产生(在图中，它是透射的或反射的)ZX1X0Z激光散斑是一个随机过程，因为随机散射体受到相干光的照射。要研究它，我们必须使用概率统计的方法。通过统计方法的研究，我们可以了解散斑强度分布、对比度和散斑运动规律的特点。图(2)示出了激光散斑的具体产生过程。当激光照射粗糙表面时，表面上的每个点都会散射光。所以在太空中每个点应该接

14、收物体上每个点的散射光。虽然这些光是相干的，但是它们的振幅和相位是不同的，并且它们是随机分布的。粗糙表面上每个小面积单元的基本光波的复振幅相互重叠，形成一定的统计分布。由于磨砂玻璃足够粗糙，激光散斑的明暗对比强烈，散斑的大小取决于光路。根据光路不同，散斑场可分为两种类型，一种是自由空间传播形成的散斑(也称客观散斑)，另一种是透镜成像形成的散斑(也称主观散斑)。在这个实验中，我们只研究前一种情况。当单色激发P1时P22W0O1XO2图3光路示意图xO02W当光线通过表面粗糙的玻璃板时，可以看到在观察平面上一定距离处，大大小小的亮点分布在几乎完全黑暗的背景上。当沿光路移动观察平面时，这些亮点的大小

15、会发生变化。如果我们试图改变激光照射在玻璃表面的面积，斑点的大小也会改变。因为这些斑点的大小不一致，所以这里所谓的大小是指它们的统计平均值。i2.激光散斑强度分布相关函数的概念如图3所示，激光高斯光束(见附录1)投射在磨砂玻璃(x，h)上，并且在放置在一定距离处的观察屏幕(x，y)上形成的斑点的强度分布是I (x，y)。(1)自相关函数假设观察面上任意两点的散斑强度分布为I (x1，y1)，I (x2，y2)，我们将强度分布的自相关函数定义如下：G(x1，y1；x2，y2)=I(x1，y1) I(x2，y2)1其中I (x1，y1)表示观察表面上任何Q1点的光强，I (x2，y2)表示观察面上另一个Q2点的光强，而表示统计平均值。根据光学知识，我们知道：I(x，y)=U(x，y)U*(x，y) (2)其中U(x，y)代表光场的复振幅。当玻璃板的表面足够粗糙(磨砂玻璃)时，根据散斑统计理论，我们可以得到以下公式：G(x1，y1；x2，y2)=I(x1，y1)I(x2，y2)| U(x1，y1)U*(x2，y2)2(3)=I u 21m(x1，y1；x2，y2)其中m (x1，y1；X2