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光電技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn) 光電相位探測(cè)傳感器設(shè)計(jì)班級(jí)： 光通信082姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師： 張翔光電相位探測(cè)傳感器的重要意義：基于光電探測(cè)技術(shù)檢測(cè)輸出波前相位特性，對(duì)改善光束的質(zhì)量有著重要的意義。光波在大氣中傳輸會(huì)受到大氣湍流、溫度等因素的影響，使激光輻射在傳播過(guò)程中隨機(jī)地改變其光波參量，使光束質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)所謂光束截面內(nèi)的強(qiáng)度閃爍、光束的彎曲和漂移（亦稱方向抖動(dòng)）、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象。為了改善光束的質(zhì)量，主動(dòng)光學(xué)誕生了，在觀測(cè)過(guò)程中內(nèi)置的光學(xué)修正部件對(duì)像質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，即自適應(yīng)光學(xué)。目前探測(cè)波前扭曲程度的傳感器主要有兩類：沙克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前傳感器，它通過(guò)由每一個(gè)附屬的圖像探測(cè)器產(chǎn)生的參考星星像來(lái)探測(cè)實(shí)際波前的扭曲情況。另一個(gè)是曲率探測(cè)系統(tǒng)，它的改正是通過(guò)雙壓電晶片自適應(yīng)透鏡來(lái)完成的，透鏡由兩個(gè)壓電平面組成。大氣湍流將使在大氣中傳輸?shù)墓獠ǖ墓馐|(zhì)量明顯變壞，產(chǎn)生波前相位畸變；自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可以對(duì)畸變的光波相位波前進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)、波前復(fù)原和預(yù)先進(jìn)行實(shí)時(shí)的波前校正，從而顯著改善到達(dá)靶面的光束質(zhì)量。光波相位的探測(cè)，進(jìn)而控制光波的相位來(lái)提高光束的質(zhì)量。一、設(shè)計(jì)目的與要求1、設(shè)計(jì)目的利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)光電相位探測(cè)傳感器，著重研究其前端激光器及光電探測(cè)模塊。2、設(shè)計(jì)內(nèi)容光電相位探測(cè)器器的基本結(jié)構(gòu)及原理示意圖光電相位探測(cè)傳感器的構(gòu)成掌握激光器的的組成，和各組件的作用，特別是前端激光器和光電探測(cè)模塊闡述高斯匹配問(wèn)題定性繪出采用圓形鏡穩(wěn)定腔He-Ne激光器輸出光強(qiáng)分布特性，并對(duì)模式特性進(jìn)行細(xì)致闡述 敘述擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式微透鏡器件基本原理和參數(shù)選取光電探測(cè)器件的分類二、光電相位探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)及原理示意圖1、 基本結(jié)構(gòu)（1）光學(xué)匹配系統(tǒng)：將入射光束的口徑縮?。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(duì)分割后的入射波波前成像。（3）光電探測(cè)器：接收光電信號(hào)，目前多用CCD探測(cè)器。（4）圖像采集卡：微透鏡陣列與光電探測(cè)器之間加入匹配透鏡。（5）數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)：通過(guò)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步得到波前相位分布。（6）光波相位模式復(fù)原軟件等。 2 、原理示意圖激光入射匹配系統(tǒng)微透鏡陣列光電探測(cè)器圖像采集卡數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)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(duì)分割后的入射波前成像。3、光電探測(cè)器用于接受光電信號(hào)，目前多用CCD探測(cè)器。4、微透鏡陣列和光電探測(cè)器之間加入匹配透鏡。5、進(jìn)一步計(jì)算得到波前相位分布。設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)總示意圖三、前端激光器1、激光器的組成及各組件的作用（1）泵浦系統(tǒng)泵浦原是指向工作物質(zhì)共給能量的能源，依靠它把工作物質(zhì)中的原子，分子叢基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，并形成粒子束反轉(zhuǎn)。泵浦系統(tǒng)是指為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。常用的泵浦方式有：a電子注入：用電學(xué)方法將電子或空穴從作用區(qū)的兩側(cè)注入到作用區(qū)中，以在作用區(qū)形成粒子束反轉(zhuǎn)。二極管激光器采用的就是這種方法，這種泵浦法的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易調(diào)治，效率高等。b光學(xué)泵浦：這是利用光源的光輻射把工作物質(zhì)中的原子泵浦到高能態(tài)。固體激光器，光線激光器，染料激光器，有機(jī)激光器等都采用這種方法。對(duì)泵浦光源的基本要求是，發(fā)射波長(zhǎng)與工作物質(zhì)吸收波長(zhǎng)匹配。滿足這個(gè)條件，泵浦光源的大部分光能就會(huì)真正用于泵浦，獲得比較高的泵浦效率；此外，近年來(lái)，用半導(dǎo)體二級(jí)激光管作泵浦光源，具有體積小，使用壽命長(zhǎng)，發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)。c氣體放電泵浦：利用氣體放電，加熱氣體，使他們電離，或者讓電子，離子與工作物質(zhì)中的原子發(fā)生非彈性碰撞，把他們激發(fā)到高能態(tài)，李子激光器，原子或分子氣體激光器，金屬蒸氣激光等采用這個(gè)方法。d粒子束泵浦：向工作物質(zhì)注入高能電子或離子，讓他們與工作物質(zhì)的原子或分子作非彈性碰撞，把后者激發(fā)到高能態(tài)。高壓氣體激光器等采用這種方法。e化學(xué)泵浦：利用工作物質(zhì)本身化學(xué)反應(yīng)式所產(chǎn)生的能量，把原子，分子激發(fā)到高能態(tài)，化學(xué)泵浦可分為直接泵浦，能量轉(zhuǎn)移泵浦和光分解泵浦三種方式：直接泵浦是由工作物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)形成激發(fā)態(tài)原子；能量轉(zhuǎn)移泵浦是利用某些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)原子與工作物質(zhì)的原子作非彈性碰撞，通過(guò)能量交換把后者激發(fā)到高能態(tài)；光分解泵浦是利用光輻射照射工作物質(zhì)，使其發(fā)生光分解反應(yīng)，并在反應(yīng)過(guò)程中形成激發(fā)態(tài)原子。2、工作物質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。3、諧振腔諧振腔也稱為共振腔，是指光子可在其中來(lái)回振蕩的光學(xué)腔體。梅曼激光器所用的諧振腔，由2塊互相平行的平面反射鏡組成，其中一塊反射鏡對(duì)激光的發(fā)射率接近100%，另一塊對(duì)激光有事當(dāng)透過(guò)率，以便對(duì)外輸出激光。除了上訴平-平腔之外，還有其他形式的共振腔，如平-凸腔，共焦腔等。共振腔的作用有兩個(gè)：a 正反饋：讓光輻射不斷地在工作物質(zhì)中往返傳播，使受激輻射強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，最終達(dá)到和維持激光振蕩。b 選模：原子向某個(gè)模作受激輻射躍遷的速率與處在這個(gè)模的光子數(shù)目成正比，謝振腔內(nèi)的模式很多，各個(gè)模的光學(xué)增益是不一樣的，沿光軸附近小立體角內(nèi)傳播的模增益最大。隨著光輻射在腔內(nèi)往返傳播次數(shù)的增加，處在這個(gè)模的光子迅速增多，以致后來(lái)差不多所有在激發(fā)態(tài)的原子都向這個(gè)模作受激輻射躍遷。于是我們就可以獲得發(fā)散角小，相干性更好的激光束。仔細(xì)設(shè)計(jì)腔鏡反射率，可以讓激光其輸出不同波長(zhǎng)。諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。于是用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過(guò)這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來(lái)回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。下面以He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)為例：示意圖諧振腔構(gòu)成與分類光學(xué)諧振腔可分為：閉腔、開(kāi)腔、氣體波導(dǎo)腔，其中根據(jù)光束幾何逸出損耗的高低，開(kāi)腔又分為穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔、臨界腔。開(kāi)腔的穩(wěn)定條件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。從理論上分析這類腔時(shí)通常認(rèn)為其側(cè)面沒(méi)有光學(xué)邊界，因此將這類諧振腔稱為開(kāi)放式光學(xué)諧振腔，簡(jiǎn)稱開(kāi)腔。利用變化矩陣算法，得：（1） 代入 , 可得： ,引入所謂的g函數(shù)，將式子改寫(xiě)成：，其中： ,上式稱為共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，式中當(dāng)凹面鏡向著腔內(nèi)時(shí)，R取正值。當(dāng)凸面鏡向著腔內(nèi)時(shí)，R取負(fù)值。（2）非穩(wěn)定腔條件：，即（3）臨界腔條件：，即4、激光諧振腔基本參數(shù)設(shè)計(jì)（1）激光器選擇A、由于光電相位探測(cè)傳感器是主要利用激光的相位來(lái)工作，因此選擇氣體激光器（如He-Ne激光器），因?yàn)闅怏w激光器具有光束質(zhì)量好、方向性好、單色性好、穩(wěn)定性好(包括頻率穩(wěn)定性)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，符合設(shè)計(jì)要求。B、由于穩(wěn)定腔幾何偏折損耗很低且鏡面上的場(chǎng)分布可用高斯函數(shù)描述，可以用高斯模的匹配問(wèn)題來(lái)解決光學(xué)匹配。因此用穩(wěn)定腔激光器。（2）條件推導(dǎo)：設(shè)諧振腔長(zhǎng)度為，表示諧振腔的因子，諧振腔本征波長(zhǎng)，推導(dǎo)、的數(shù)學(xué)表達(dá)式。推導(dǎo)過(guò)程：共焦場(chǎng)的振幅分布由下式確定：對(duì)基模：可見(jiàn)共焦場(chǎng)基膜的振幅在橫截面內(nèi)由高斯分布函數(shù)所描述。定義在振幅的的基模光斑尺寸為：，式中 為鏡上基模的光斑半徑。在共焦腔的中心達(dá)到極小值：由上圖所示可得：則由上式可解得：,將,轉(zhuǎn)化為,，再代入可得：，。按式中共焦腔中基模的光斑尺寸為：，將代入有：可用腔的參數(shù)表示如下：（3）設(shè)計(jì)一個(gè)He-Ne激光器，輸出端為一平面鏡，要求束腰直徑：2=0.2mm，L=500mm，計(jì)算第一反射鏡曲率半徑，并指明束腰的位置。解：由題意可得： 可以得到： 由公式 并代入 得: 圖3 諧振腔示意圖四、高斯模的匹配問(wèn)題1、高斯模匹配的意義由激光器的諧振腔所產(chǎn)生的高斯光束注入到另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)(例如周期序列的光學(xué)傳輸線、作為干涉儀的諧振腔、在非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)中將入射高斯光束聚焦到非線性晶體上時(shí)，要求有一定的光斑半徑等)，還涉及到高斯模的匹配問(wèn)題。當(dāng)實(shí)現(xiàn)模匹配時(shí)，一個(gè)入射的高斯模，只能激起第二個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)相對(duì)應(yīng)的高斯模，而不激起系統(tǒng)的其他模式。這時(shí)，入射模的能量將全部轉(zhuǎn)給系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)模式而不發(fā)生向系統(tǒng)其他模式的能量轉(zhuǎn)換。如果沒(méi)實(shí)現(xiàn)模式匹配，入射模將激起第二個(gè)系統(tǒng)多個(gè)不同的模式發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，即所謂模交叉，從而降低了入射模的鍋臺(tái)系數(shù)，增加了損耗。2、高斯模匹配原理光學(xué)傳輸線和干涉儀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，如下圖，如果在期間適當(dāng)位置插入一個(gè)適當(dāng)焦距的透鏡L后，光束和互為共軛光束，則透鏡L實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)腔之間的高斯模匹配。當(dāng)實(shí)現(xiàn)模匹配時(shí)，一個(gè)入射的高斯模，只能激起第二個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)相對(duì)應(yīng)的高斯模，而不激起系統(tǒng)的其他模式。這時(shí)，入射模的能量將全部轉(zhuǎn)給系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)模式而不發(fā)生向系統(tǒng)其他模式的能量轉(zhuǎn)換。如果沒(méi)實(shí)現(xiàn)模式匹配，入射模將激起第二個(gè)系統(tǒng)多個(gè)不同的模式發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，即所謂模交叉，從而降低了入射模的耦合系數(shù)，增加了損耗。圖4 高斯模匹配原理示意圖下面討論兩個(gè)腔的模匹配問(wèn)題。如上圖，設(shè)兩個(gè)高斯模的腰部位置和腰斑尺寸為已知，其中一個(gè)腔中的光斑半徑，它與透鏡的距離為，(只與腔參數(shù)有關(guān)，除與腔參數(shù)有關(guān)外，還與透鏡至腔反射鏡之間的距離有關(guān))；另一個(gè)腔的相應(yīng)參數(shù)和。在束腰部，相應(yīng)的復(fù)光束多數(shù)和均為純虛數(shù)(因?yàn)樵谶@里，波陣面的曲率半徑為無(wú)限大)。由下式表示。對(duì)入射光束： ； 對(duì)出射光束：；由高斯光束薄透鏡變換公式有： ，將其化簡(jiǎn)并按照虛部實(shí)部分開(kāi)，得：將和代入上面兩式： （1） （2）將（2）式代入（1）式可得：，其中如果兩個(gè)腔的位置已經(jīng)固定，即兩個(gè)腰斑之間的距離：可以得到：將上式兩邊平方，并令：，得：這就是之間的關(guān)系。3、圓形鏡穩(wěn)定腔He-Ne激光器輸出光強(qiáng)分布特性可以證明，當(dāng)腔的菲涅爾數(shù)時(shí)，圓形鏡共焦腔自再現(xiàn)模由下述拉蓋爾-高斯函數(shù)所描述：式中為鏡面上的極坐標(biāo)；為歸一化常數(shù)；為共焦腔長(zhǎng)（鏡的焦距）；為締合拉蓋爾多項(xiàng)式。相應(yīng)的本征值：光在激光諧振腔中振蕩的特定形式稱為激光的模式。它包括縱模和橫模2種。前者代表激光器輸出頻率的個(gè)數(shù)，后者代表激光束橫截面的光強(qiáng)分布規(guī)律。根據(jù)模的數(shù)目，縱模又分為單縱模和多縱模；橫模也分為基模和高階模。一個(gè)理想激光器的輸出應(yīng)該只包含單縱摸和基模，這樣的激光才能充分體現(xiàn)極好的單色性、方向性和相干性。其光束的光強(qiáng)分布呈單一的高斯分布。但實(shí)際上，大多數(shù)激光器都是多模運(yùn)轉(zhuǎn)的，其光束的光強(qiáng)分布是不均勻的，呈現(xiàn)出多峰值現(xiàn)象。激光的模式結(jié)構(gòu)雖然受多種因素影響，但諧振腔的結(jié)構(gòu)和性能是主要的控制因素。光在諧振腔內(nèi)往返振蕩的過(guò)程中，諧振腔兩端的反射鏡邊緣會(huì)引起圓孔衍射。由于這種多次的衍射效應(yīng)導(dǎo)致光束在橫截面上的光強(qiáng)分布變得不均勻。將激光束投到屏上，我們可以發(fā)現(xiàn)光斑中有1個(gè)或多個(gè)亮點(diǎn)。只有1個(gè)亮點(diǎn)的叫做基模，記作；2個(gè)或2個(gè)以上亮點(diǎn)的叫做高階模或多橫模。模沿幅角方向的節(jié)線數(shù)目為，沿徑向的節(jié)線數(shù)目為，各節(jié)線圓沿方向不是等距分布的。圖5為某些激光橫模的光強(qiáng)分布。圖5 圓形鏡激光橫模的光強(qiáng)分布設(shè)有如圖6所示的諧振腔，腔長(zhǎng)為，反射鏡的直徑，為腔內(nèi)傳播的是一高斯光束，該光束在鏡面上的電矢量振幅A的分布為：而光強(qiáng)的分布為：這種由于衍射效應(yīng)使光束向邊緣處彌散而形成的光能量損耗稱為衍射損耗設(shè)初始光強(qiáng)為，腔內(nèi)往返一周后，光強(qiáng)衰減到，則定義平均單程功率損耗率為：,估算諧振腔的單程衍射損耗為：，式中為菲涅爾數(shù)。衍射損耗與的關(guān)系比較復(fù)雜，通常將計(jì)算結(jié)果畫(huà)成曲線圖。圖7畫(huà)出了圓截面共焦腔和圓截面平行平面鏡腔的曲線。橫坐標(biāo)為數(shù)，縱坐標(biāo)為單程衍射損耗。由圖利用上式可以計(jì)算出光強(qiáng)。圓截面平行平面腔圓截面共焦腔1101000.61.01.41241040110100TEM01TEM00圓截面平行平面腔圖7 衍射損耗與關(guān)系4、擴(kuò)束系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖8如圖，透鏡1將在焦平面入射的激光束散射為束腰為,分散角為。 （1）是激光束入射到的半徑，是和出射束腰之間的距離。是透鏡的焦距。束腰以更長(zhǎng)的焦距射到透鏡后焦平面。以為束腰的高斯光束將由光束擴(kuò)展器進(jìn)行準(zhǔn)直，高斯光束在光束擴(kuò)展器作用下的準(zhǔn)直率：其中，經(jīng)過(guò)光束擴(kuò)展器后的束腰和分散角分別為： （2）將（1）代入（2）中：從這些式子可以看出，高斯光束的準(zhǔn)直率不僅僅與擴(kuò)束系統(tǒng)有關(guān)，還與激光束的位置、參數(shù)以及透鏡性質(zhì)有關(guān)。光束質(zhì)量的評(píng)定：名稱定義數(shù)學(xué)表達(dá)式表征內(nèi)容OTF光學(xué)傳遞函數(shù)：以空間頻率為變量的傳遞的像的調(diào)制度和相移的函數(shù)稱為光學(xué)傳遞函數(shù)。OTF的模部分為調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF), OTF的輻角部分為位相調(diào)制傳遞函數(shù)(PTF)OTF描述了非相干系統(tǒng)的成像性質(zhì)MTF調(diào)制傳遞函數(shù)：描述的是光學(xué)系統(tǒng)傳遞對(duì)比度的能力式中，為像的調(diào)制度，為物的調(diào)制度OTF的模部分為調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)，決定光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要取決于MTFPSF點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)：光學(xué)系統(tǒng)的理想狀態(tài)是物空間一點(diǎn)發(fā)出的光能量在像空間也集中在一點(diǎn)上，但實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，物空間一點(diǎn)發(fā)出的光在像空間總是分散在一定的區(qū)域內(nèi)，其分布的情況稱為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的傅里葉變換特性，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF可直接由波差計(jì)算得到式中，為點(diǎn)振幅分布函數(shù)，C為常數(shù)，為光學(xué)系統(tǒng)的口徑，為光學(xué)系統(tǒng)的焦距，取單位圓中的規(guī)一化坐標(biāo)。則點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為 一般使PSF規(guī)一化，即 對(duì)一般光學(xué)系統(tǒng)，通常選擇理想物點(diǎn)位于光軸上的無(wú)窮遠(yuǎn)處，即采用平行光入射被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的方法，這時(shí)所要考察的像方焦點(diǎn)的分布即為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSFPV表面形貌的最大峰谷值峰谷之間的差值RMS表面形貌的均方根值式中，是單次測(cè)值。，N是重復(fù)測(cè)定次數(shù)峰谷之間的均方根光束衍射倍率因子：實(shí)際光束的腰斑半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角的乘積和基模高斯光束的腰斑半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角的乘積的比值。值可以表征實(shí)際光束偏離衍射極限的程度,因此被稱為衍射倍率因子. , (方鏡), (圓鏡).基模高斯光束具有最小的值(),其光腰半徑和發(fā)散角也最小,達(dá)到衍射極限高階、多模高斯光束或其他非理想光束(如波前畸變)的值均大于1. 值越大,光束衍射發(fā)散越快。衍射極限倍數(shù)：實(shí)際激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角與理想光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的比值理想光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角實(shí)際激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角用透鏡下的光斑直徑表示：與發(fā)射光束性質(zhì)和發(fā)射系統(tǒng)像差有關(guān)激光束并不嚴(yán)格平行，而是具有一定的發(fā)散度，滿足條件：的遠(yuǎn)場(chǎng)情況下，光束的發(fā)散角稱為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角只要測(cè)得束腰光束半徑，就能計(jì)算出發(fā)散角。實(shí)際測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角時(shí)，不可能在無(wú)窮遠(yuǎn)處進(jìn)行，只能采用近似的方法測(cè)出距束腰足夠遠(yuǎn)處的光束發(fā)散角五、微透鏡陣列器件基本原理和參數(shù)選取基本參數(shù)如下:數(shù)值孔徑； 總孔徑：；焦距： ； 入射波長(zhǎng)：微透鏡陣列：陣列子透鏡尺寸：1、微透鏡陣列器件工作原理微透鏡列陣是由通光孔徑及浮雕深度為微米級(jí)的透鏡組成的列陣，它不僅具有傳統(tǒng)透鏡的聚焦、成像等基本功能，而且具有單元尺寸小、集成度高的特點(diǎn)，使得它能夠完成傳統(tǒng)光學(xué)元件無(wú)法完成的功能，并能構(gòu)成許多新型的光學(xué)系統(tǒng)。微選鏡列陣可分為折射型微透鏡列陣與衍射型微透鏡列陣兩類。衍射微透鏡列陣?yán)闷浔砻娌ㄩL(zhǎng)量級(jí)的三維浮雕結(jié)構(gòu)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制、變換，具有輕而薄、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)。作為功能元件，在波前傳感、光聚能、光整形等多種系統(tǒng)可得到廣泛應(yīng)用。微透鏡陣列將一個(gè)完整的激光波前在空間上分成許多微小的部分, 每一部分都被相應(yīng)的小透鏡聚焦在焦平面上, 一系列微透鏡就可以得到由一系列焦點(diǎn)組成的平面, 如圖9（a）所示; 如果激光波前為理想的平面波前, 那么在微透鏡陣列焦平面上就可以得到一組均勻而且規(guī)則的焦點(diǎn)分布, 如圖9(b)所示; 然而實(shí)際的激光波前并不是理想的平面波前, 它們或多或少地帶有一些畸變, 用微透鏡陣列聚焦后, 焦點(diǎn)不再是均勻分布, 而是與理想的焦點(diǎn)發(fā)生了位移, 如圖9(c)。 圖92、光電探測(cè)器件與微透鏡器件位置的確定利用像散元件(如柱面鏡) 產(chǎn)生的像散, 在焦點(diǎn)附近像散光束出現(xiàn)軸向不對(duì)稱性, 在最佳焦點(diǎn)的兩邊出現(xiàn)水平方向或垂直方向的像散線。把被測(cè)點(diǎn)離焦量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣獍卟煌较蚬饽艿淖兓? 經(jīng)過(guò)光電探測(cè)元件探測(cè), 就可以得到離焦量像散法原理如圖10所示：OOO(a)正焦(c)遠(yuǎn)焦(b)近焦圖10將光電探測(cè)器放在合適位置, 使之在正焦時(shí), 光斑在其上為圓形, 而在不同離焦情況下, 探測(cè)器上的光斑形狀發(fā)生不同的變化. 將探測(cè)單元分為一個(gè)以分離線分離的四個(gè)象限, 若四個(gè)象限接受的光強(qiáng)分別為. 設(shè)探測(cè)單元?dú)w一化輸出信號(hào)S為：3 、質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算知道光腰尺寸0 D 和實(shí)際發(fā)散角 ，設(shè)計(jì)者就能通過(guò)下述公式得出任何沿Z 軸傳播光束的光斑直徑：將上述結(jié)果和薄透鏡公式或光線軌跡方程相結(jié)合，就可以對(duì)高斯光束或混合模式光束進(jìn)行建模。這將節(jié)省設(shè)計(jì)周期，節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用。從非數(shù)值采樣方法得到的分析結(jié)果會(huì)對(duì)激光束得出許多不同結(jié)論，但通過(guò)光束輪廓可以得出光束直徑的數(shù)值采樣。光束的XY 掃描或二維陣列圖像可以提供量化的光斑形狀以及橢圓率。質(zhì)心坐標(biāo)可由下式計(jì)算出：其中， 是子孔徑內(nèi)坐標(biāo)處的像素灰度值；分別是像素在子孔徑的和方向的坐標(biāo)。由上式可得到光斑的質(zhì)心。下面是平面波和非平面波通過(guò)微透鏡陣列成像在光電探測(cè)器上的圖像分布：偵測(cè)器正面微透鏡陣列偵測(cè)器理想波前偵測(cè)器正面微透鏡陣列偵測(cè)器待測(cè)波前 圖11六、光電探測(cè)器件一、光電探測(cè)器件的要求：1.對(duì)可見(jiàn)光波段，特別是激光有很好的響應(yīng)，對(duì)左右波長(zhǎng)也有響應(yīng)2.結(jié)合圖像采集卡，最大采集速率可達(dá)20幀/s。二、分類：（1）利用光子效應(yīng)。應(yīng)用最廣的有三種，即光電導(dǎo)、光生伏打效應(yīng)和光電發(fā)射效應(yīng)。前兩種統(tǒng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)（見(jiàn)固態(tài)光電探測(cè)器），后一種稱為外光電效應(yīng)（見(jiàn)光電效應(yīng)、光電管和光電倍增管）。主要有光電子發(fā)射探測(cè)器 、光電導(dǎo)探測(cè)器、光伏探測(cè)器。（2）利用熱效應(yīng)，簡(jiǎn)稱熱探測(cè)器:熱探測(cè)器是不同于光子探測(cè)器的另一類光探測(cè)器。它是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的器件。熱釋電效應(yīng)是指某些物質(zhì)(例如硫酸三甘肪、錠酸櫻、鋁酸錫鋇等品體)吸收光輻射后將其轉(zhuǎn)換成熱能，這個(gè)熱能使晶體的溫度升高，溫度的變化又改變了晶體內(nèi)品格的間距這就引起在居里溫度以下存在的自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應(yīng)。與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是：響應(yīng)較低，響應(yīng)時(shí)間校長(zhǎng)，一般地，要同時(shí)得到靈敏度高、響應(yīng)快的特性是困難的。然而自熱釋電探測(cè)器出現(xiàn)后，緩和了這一矛盾。熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度已比過(guò)去那些熱探測(cè)器有了很大提高，因此熱探測(cè)器的使用范圍擴(kuò)大了，延伸到原來(lái)部分光子探測(cè)器獨(dú)占的領(lǐng)域，而且在大于14um的遠(yuǎn)紅外域更有廣闊的用途。（3）利用波的相互作用這類探測(cè)器利用入射輻射的電磁場(chǎng)與一個(gè)參考輻射的電磁場(chǎng)在光敏材料中的相互作用。主要有光學(xué)外差探測(cè)及光學(xué)參量效應(yīng)。 光學(xué)外差探測(cè)利用一個(gè)頻率與被測(cè)相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測(cè)元件（通常由光電導(dǎo)材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測(cè)輻射混頻而產(chǎn)生差頻。光學(xué)外差探測(cè)只受到散粒噪聲的限制，因而探測(cè)率比直接探測(cè)或零差探測(cè)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 參量效應(yīng)可利用相干輻射在雙折射晶體（例如 K