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：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图1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HYPERLINK"http://www.hudong.com/wiki/%E8%B4%A8%E9%87%8F"\t"_blank"质量好、方向性好、单色性好、稳定性好(包括频率稳定性)、HYPERLINK"http://www.hudong.com/wiki/%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%AE%80%E5%8D%95"\t"_blank"结构简单、使用方便、HYPERLINK"http://www.hudong.com/wiki/%E6%88%90%E6%9C%AC%E4%BD%8E"\t"_blank"成本低、HYPERLINK"http://www.hudong.com/wiki/%E5%AF%BF%E5%91%BD%E9%95%BF"\t"_blank"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。-图2谐振腔示意图推导过程：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