1、光電技術(shù)綜合設(shè)計-光電相位探測傳感器設(shè)計班級姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：張翔（副教授）光電技術(shù)系成都信息工程學(xué)院一、設(shè)計目的與意義：本設(shè)計目的在了解其基本工作原理基礎(chǔ)上，完成光電相位探測傳觀器系統(tǒng)的簡易或原理 性設(shè)計，實現(xiàn)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、實時性好、并且能夠獲得光波波 前相位信息等特點。受設(shè)計時間限制，本課程設(shè)計主要是對前端的光電探測模塊。光電相位 探測傳感器主要由光學(xué)匹配系統(tǒng)、為透鏡陣列、光電探測器、圖像采集卡、數(shù)據(jù)處理計算機(jī) 和光波相位模式復(fù)原軟件等構(gòu)成。二、光電探測器原理示意圖如下：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

2、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(jìn)一步計算得到波前相位分布。三、激光器：（一）、激光器由三大基本系統(tǒng)組成：諧振腔、增益介質(zhì)、抽運系統(tǒng)。諧振腔作用：激光諧振腔是激光器的三個主要組成部分之一。在簡單情況下，它是在激活物 質(zhì)兩端適當(dāng)?shù)胤胖脙蓚€反射鏡組成。作用之一是提供正反饋，使激活介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射能多 次通過介質(zhì)，當(dāng)受激輻射所提供的增益超過損耗時在腔內(nèi)得到放大、建立并維持自激振蕩。增益介質(zhì)作用:增益介質(zhì)（即激光工作物質(zhì)），是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射 放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它

3、們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原 子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡 可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射 作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。抽運系統(tǒng)作用：諧振腔分為：開放式光腔和封閉腔。其中開放式光腔通?？煞譃榉€(wěn)定腔、非 穩(wěn)腔、臨界腔三類。氣體激光器是采用開腔的典型例子。（二）激光器種類：1、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。這種激光器的 工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅

4、寶石 和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm 的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。2、氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長 時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場達(dá) 60%左右。其中，氦一氖激光器是最常用的一種。3、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射 840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。 這種激光器體積小、質(zhì)量輕

5、、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅固，特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船 上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。4、液體激光器常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中 （乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光 （在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液 體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點，使它也得到廣泛 應(yīng)用。5、自由電子激光器：這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自 由電子束，只要改變自

6、由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射 譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。（三）光腔的構(gòu)成和分類在激活物質(zhì)的兩端恰當(dāng)?shù)胤胖脙蓚€反射鏡片，就構(gòu)成一個最簡單的光學(xué)諧振腔。在激光技術(shù)發(fā)展歷史上最早提出的是所謂平行平面腔，它由兩塊平行平面反射鏡組成。這種 裝置在光學(xué)上稱為法布里-珀羅干涉儀，簡記為F-P腔。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，以后又廣泛 采用由兩塊具有公共軸線的球面鏡構(gòu)成的諧振腔，稱為共軸球面腔；其中一個反射鏡為（或 兩個都為）平面的腔是這類腔的特例。由兩個以上的反射鏡構(gòu)成諧振腔的情況也是常見的， 折疊腔和環(huán)形腔就是這類諧振腔。激光器中常見的諧振腔的形式：雙凹

7、鏡腔： 當(dāng)R1=R2 = L時，兩凹面鏡焦點在腔中心處重合，稱為對稱共焦球面鏡腔；當(dāng) R1+R2 = L表示兩凹面鏡曲率中心在腔內(nèi)重合，稱為共心腔。平凹鏡腔：當(dāng)R=2L時，這種特殊的平凹腔稱為半共焦腔特殊腔:雙凸腔、平凸腔、凹凸腔等模式的概念激光諧振腔與模式的一般聯(lián)系只有具有一定的振蕩頻率和一定的空間分布的特定光束能夠在腔內(nèi)形成“自再現(xiàn)”振蕩。 在激光技術(shù)的術(shù)語中，通常將光學(xué)諧振腔內(nèi)可能存在的這種特定光束稱為腔的模式。不同的 諧振腔具有不同的模式，因此選擇不同的諧振腔就可以獲得不同的輸出光束形式。諧振腔示意圖由一個平面鏡和一個凹面鏡組成的共軸球面腔簡稱平凹腔。以R表示平凹腔凹面 鏡的曲率半徑，

8、L表示平凹腔的腔長，則對于平凹腔來說R1 ts，R2= R代入共軸球 面腔的穩(wěn)定性條件，可得出RL，即當(dāng)平凹腔凹面鏡的曲率半徑大于腔長時，平凹腔為穩(wěn)定腔。由任意一滿足0 (1 - )(1 - ) 1的球面腔唯一等價與一共焦腔的結(jié)論12f 2R1= R (七)=-(七 + )f 2(1) R2 = R(z2) = + (z2 + JZ 2L = z z21得zi=0, z2=L, f = .-L(R - L)。該式表明平凹腔的等價共焦腔的中心在平面鏡上。如把f = L(R - L)代入共焦腔的基模光斑解:(z) = 1 + (-)2 = W 】：1 + 三(2)兀 f f2人 2 L (R -

9、L) 1 ： z 2 得出平凹腔中的基模光斑半徑公式為：(z)= 兀2k、;1 + l(r _l)如z1=0,z2=L帶入上式得出平凹腔上的基模光斑半徑分別為 TOC o 1-5 h z T1:人 L R - L 1:人 LG 1氣=| L ( R - L )4 = |(-L)4 = V()4(3)入RL 1:入L R 21:入L11 =T4 =、()4 = i()4(4)2兀 R - L 兀 L (R - L) V k G (1 - G)要求：一個 He-Ne激光器諧振腔(A =632.8nm)，輸出端為平面鏡，束腰直徑:2吧二&幽，諧振腔長:并指出束腰位置（X1， 10 = 500歐幽，輸

10、出光為平面光束，求第二塊反射鏡半徑珞， 2），其中氣為第一塊鏡子的光斑尺寸，電為第二塊鏡子的光斑尺寸。解：設(shè)一般球面諧振腔的腔鏡曲率半徑為R、R，兩腔鏡距離束腰的位置分別為z，z，12122 0 = 0.2mm，諧振腔長度:Dg = 1 -腔的g因子： R，應(yīng)有D =1 R 1D =1 -(人、L(R - L )(R - L )(RR 2，且 f =%， 人人f,兀0諧振腔長度為d，光波波長為人，已知He-Ne激光器的光波長入=0.6328日m，lim RZZ T 0幅Amax的1；處時光束的半徑。）。由于高斯光束在Z = 0處的光斑半徑最小，故稱之為束腰。當(dāng)Z = 0時，有Z = 03和甲z

11、 = 0，因此束腰波面是零位相等相面。束腰尺寸是束腰振幅下降至中心振把L=D=500mm代入以上式子中，解得)=0.0097% = 504 .92 mm，束腰位置在反射鏡r 2面上。由此可得g g = (1-) = (-00-1 2 R1504.92與腔的軸線相交于任意一點z的等相位的曲率半徑為:x. +所以對放置在O、Oi處的反射鏡，應(yīng)有=R ( x 2)=R G)=f x ff2+=x +I f x Jx，由R =f2z + = 504.92Z. = 4.96mm，Z = 499 .51 mm所以其光斑半徑 （z）= 。再f故可得:Z = 4.96mm 時o (Z) =0.1005mmZ

12、=499.51mm 時o (Z) =1.0125mmX = z =4.96mm, x =5004.96=495.04mmX = z =499.51mm, x =500499.51=0.49mm從以上的計算中可得，從顯微鏡里出射的光束沒有達(dá)到理想的要求，因此我們還要進(jìn)行 擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計，在此過程中我們用顯微物鏡及望遠(yuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實現(xiàn)。本設(shè)計中因為要求采用* 二】羊2二】的氦氖激光，氦氖激光器諧振腔參數(shù)設(shè)計如下：由于氦氖激光器增益較小，所以選用穩(wěn)定腔。為了得到較大的模體積和調(diào)整腔的方便， 采用平凹穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)。平面鏡作輸出鏡，凹面鏡作全反鏡。四、高斯光束的匹配：相位匹配條件及原理當(dāng)小k=0時，相位因子等

13、于1，稱為相位匹配條件；而當(dāng)蚱0時，相位因子小于1，稱 為相位失配。只有在相位匹配條件下，才能獲得最高的轉(zhuǎn)換效率。在實際光學(xué)倍頻和混頻應(yīng)用中，為 了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，要考慮相位匹配條件。實現(xiàn)相位匹配的方法有利用晶體的雙折射性質(zhì)的角度相位匹配和晶體的折射率隨溫度變化的溫度相位匹配。若使一個穩(wěn)定腔所產(chǎn)生的高斯光束與另一個穩(wěn)定腔產(chǎn)生的高斯相匹配，需在合適的位置 放置一個焦距適當(dāng)?shù)耐哥R，使兩束高斯光束互為物象共軛光束。該透鏡稱為模匹配透鏡。當(dāng) 一個諧振嗆產(chǎn)生的單模高斯光束入射到另一個光學(xué)系統(tǒng)，側(cè)如干涉儀、多程反時室等，由于 該光學(xué)系統(tǒng)都有自己的本征模式，而且一般來說，與入射光波的模式是不匹配的，這樣

14、第一 個腔發(fā)出的單模光束將與第二個往中的各個不同模式相耦合，從而發(fā)生模的交叉激發(fā)作用而 使損耗增加，激發(fā)起系統(tǒng)的多模，在很多情況下這是需要避免的。而在模式匹配的情況下， 一個入射的單模高斯光束只會激發(fā)起系統(tǒng)一個相對應(yīng)的單模.現(xiàn)分析下圖所示的匹配系統(tǒng)。. 、 . 、 設(shè)在I腔中產(chǎn)生腰斑0的基模高斯光柬，在II腔中亦要產(chǎn)生腰斑3 0的基模高斯光束，如果在其適當(dāng)位置(物距Z，像距Z，)上插入一個適當(dāng)焦距f的簿透鏡，使由I腔發(fā)出的光 柬與II腔發(fā)出的光束為物像共軛，則該透鏡稱為二腔的模匹配透鏡。高斯光束的模匹配公 式如下： i (x2 + y2)/X時，由式(4.1.1)表示的復(fù)振幅分布為Ed ( x

15、 , y ) =e J 2 d( x 2 + y 2 ) jj E ( xj X d00 xx 0 + yyddxdy0由此衍射積分得到的光場復(fù)振幅分布稱為夫瑯禾費衍射。夫瑯和費衍射圖樣的特點是， 強(qiáng)度分布單純與方向有關(guān)。當(dāng)d變化時，僅產(chǎn)生尺度變化。實際上夫瑯和費衍射是菲涅耳衍射的一種特殊情況，兩者的差異僅在于一個二次相位因 子。本設(shè)計中，設(shè)計的微透鏡陣列為32x32，孔徑D=10.7mm，焦距f=15mm，入射激光束 波長X=632.8nm，每個子透鏡的尺寸為0.325x0.325mm2?？捎妹骊嘋CD接收微透鏡陣列元 件焦平面上的光強(qiáng)分布，可得到微透鏡的聚焦點陣圖。2、MATLAB 仿真下

16、面分別是矩形孔和圓形孔的夫瑯和費衍射MATLAB仿真的代碼和圖片，最后作的是 32*32微透鏡陣列的夫瑯和費衍射圖像：MATLAB圓孔截圖圓孔夫瑯和費衍射代碼clcclose allfigure(position,217 266 694 244);axes(position ,0.05,0.08,0.6,0.8);hold on;title(夫瑯和費圓孔衍射原理及衍射圖像)set(gcf, doublebuffer ,on);axis(-4,12,-5,5);rectangle(position ,0,1,0.2,3,FaceColor ,0.1,0.3,0.4);rectangle(posi

17、tion ,0,-4,0.2,3,FaceColor ,0.1,0.3,0.4);rectangle(position ,3.8,-4,0.4,8,FaceColor,.0.4,0.3,0.4,Curvature ,1,1);rectangle(position ,11,-5,0.4,10, FaceColor ,0.1,0.3,0.4);h1=plot(-4,-4,-0.7,-0.7);h2=plot(-4,-4,0,0);h3=plot(-4,-4,0.7,0.7);for k=-4:.1:0;pause(0.05);set(h1,h2,h3, xdata，-4,k);endy=-4:.1

18、:4;a=linspace(-atan(4/11),atan(4/11),length(y);a=10*sin(a);II=abs(sinc(a).”2*6;x=11-II;plot(x,y,r)K=find(diff(sign(diff(II)=-2)+1;yyN=y(K);P=zeros(3,5); yN=-0.7,0,0.7;H=P;for m=1:3;for n=1:5;p=polyfit(0,11,yN(m),yyN(n),1);P(m,n)=complex(p(1),p(2);H(m,n)=plot(0,yN(m);endendfor Q=0:.1:11;pause(0.05)fo

19、r w=1:15;m,n=ind2sub(3,5,w);Y=polyval(real(P(w),imag(P(w),Q);set(H(w), xdata ,0,Q, ydata ,yN(m),Y);endendaxes(position ,0.65,0.08,0.3,0.8) a=linspace(-atan(4/11),atan(4/11),300); X,Y=meshgrid(a);r=sqrt(X.”2+Y.”2);R=10*sin(r);II=abs(sinc(R).”2*6;imshow(II);矩孔夫瑯和費衍射代碼clcclear allbc=6328e-10; 氦氖激光波長a=3

20、25e-6;b=325e-6; 0.325*0.325mm 2尺寸透鏡f=15e-3;微透鏡焦距ym=0.005xm=0.005ny=32;nx=32;ys=linspace(-ym,ym,ny);xs=linspace(-xm,xm,nx);for i=1:nysinphi=ys(i)/sqrt(ys(i)八2+f八2);alpha=pi*a*sinphi/bc;B(i,:)=(sin(alpha)八2/(alpha)八2;endfor j=1:nxsinphi=xs(j)/sqrt(xs(j)八2+f八2);alpha=(pi*b*sinphi/bc);C(:,j)=(sin(alpha)

21、八2/(alpha)八2;endK=B*C;N=255;Br=(K./max(max(K)*N*N)矩形孔(a=b)的夫朗和費衍射樣r=sqrt(X.A2+YA2);R=5.*r;% 中=ka 0 = 5 r圓孔夫郎和費衍射圖樣subplot(2,1,1)M,S=meshgrid(ym,ys);image(xs,ys,Br);生成衍射圖像title 夫瑯和費矩形孔衍射圖像及光強(qiáng)分布圖 colormap(gray(N);subplot(2,1,2)生成光強(qiáng)分布圖surf(ys,xs,K)(簡化)矩形孔夫朗禾費衍射程序： a=linspace(1.5,1.5,500); %選擇屏上區(qū)域為(-1.5

22、,1.5) X,Y=meshgrid(a);R1=5*X;% 統(tǒng)=5 X =a2 fR2=5*Y;% 場=5Y = P2fII=50.*(sinc(R1).A2.*(sinc(R2).A2% 設(shè)定 10 = 50II(:,2:3)=0;imshow(II);(簡化)圓孔夫朗禾費衍射程序： a=linspace(-3,3,500);%選定區(qū)域(-3，3)X,Y=meshgrid(a);II=50.*(2*BesselJ(1,R)./R).A2;II(:,2:3)=0;imshow(II);八、心得體會對于這次的設(shè)計，說實話，很多知識雖然以前也學(xué)過，但是已經(jīng)基本上忘記了或者不熟 悉了。通過這次的設(shè)計，讓我重新復(fù)習(xí)了關(guān)于這個設(shè)計的一些知識，包括激光原理、應(yīng)用物 理、物理光學(xué)、光學(xué)器件原理等。并且更加的加深了對這方面知識的實際運用。并且通過對 各方面部件的設(shè)計，通過查閱個方面書籍和論文，了解了各部件工作原理和制作方法，了解 了很多以前從沒有接觸的知識。對于整體的系統(tǒng)，雖然沒有具體制作出實物，但是由于查閱 個個方面