光电技术综合实验

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①光电相位探测器器的基本结构及原理示意图②光电相位探测传感器的构成③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④阐述高斯匹配问题⑤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⑥叙述扩束系统的结构形式⑦微透镜器件基本原理和参数选取⑧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：①示意图图2（a）闭腔式He-Ne激光器结构图图2（b）开腔式He-Ne激光器结构图图2（c）半开腔式He-Ne激光器结构图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）1)(211<+<-DA代入221RLA-=,⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=)21)(21(2211RLRLRLD可得：1)1)(1(21<--<RLRL,引入所谓的g函数，将式子改写成：121<<gg，其中：22111,1R L g R L g -=-= ,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：0,12121<>g g g g ，即,1)(21>+D A 1)(21-<+D A（3）临界腔条件：0,12121==g g g g ，即,1)(21=+D A 1)(21-=+D A4、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d ，21g g 和表示谐振腔的因子，谐振腔本征波长λ，推导1x 、2x 、ω、1ω、2ω的数学表达式。

推导过程：共焦场的振幅分布由下式确定：e z n mmn mn yx y z H x z Hz E A z y x E )(00222))(2())(2()(|),,(|ωωωωω+-=对基模：e z yx z E A z y x E )(00000222)(|),,(|ωωω+-=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e 1的基模光斑尺寸为：0()w z w ===S0ω为镜上基模的光斑半径。

在共焦腔的中心)(z ω达到极小值：0()z ωω===由上图所示可得：221112222112()(),()(),ffR R x x R R x x d x x x x ==-+==++=-则由上式可解得：2112()()()d R d x d R d R -=-+-,1212()()()d R d x d R d R --=-+-,将111d g R =+,221d g R =+转化为111d R g =-,221d R g =-，再代入21,x x 可得：2221121()()11ddg x d dd d g g --=----，2212121()()11ddg x dd d d g g -+-=----。

按式中共焦腔中基模的光斑尺寸为：22021])(1[)(fz fz f z +=+=ωπλω，将21,z z 代入有：112442121112112()()()()()()d R d R R d R d R R d d R d R R d ω⎤⎤--==⎥⎥-+--+-⎦⎦112441212221212()()()()()()d R d R R d R d R R d d R d R R d ω⎤⎤--==⎥⎥-+--+-⎦⎦可用腔的g 参数表示如下：412112041211201)1(2)1(⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=g g g g g g g g Sωωω412121041212102)1(2)1(⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=g g g g g g g g Sωωω（3）设计一个He-Ne 激光器，输出端为一平面镜，要求束腰直径：20ω=0.2mm ，L=500mm ，计算第一反射镜曲率半径1R ，并指明束腰的位置。

解：由题意可得：2211111g R =-=-=∞4010ω-===可以得到：0.0496 4.96f m cm ==由公式21212212()()()[()()]L R L R L R R L fL R L R --+-=-+-并代入2,5000.5,R L m m m =∞==0.0496f m=得:2210.00240.251.0090.25fL R m L++===1110.504L g R =-=114421011210.10.2(1)0.504(10.5041)g m mg g g ω⎡⎤⎡⎤==⨯=⎢⎥⎢⎥-⨯-⨯⎣⎦⎣⎦11441202120.5040.10.14(1)1(10.5041)g m mg g g ω⎡⎤⎡⎤==⨯=⎢⎥⎢⎥-⨯-⨯⎣⎦⎣⎦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。