光電檢測課程設計 孫浩

課程設計任務書學院理學院專業(yè)光信息科學與技術學生姓名孫浩班級學號1009020213課程設計題目一種光電準直系統(tǒng)的設計實踐教學要求與任務：（1） 選擇恰當?shù)墓怆姍z測方法及光電器件，設計種光電準直系統(tǒng)。（2） 設計測量系統(tǒng)原理示意圖、裝置圖、電路圖；（3） 闡明工作原理，分析此方法的優(yōu)缺點，說明如何提高測量的準確度；（4） 完成課程設計論文。工作計劃與進度安排：時間：十四~十五周，具體安排如下：（1） 理解題目要求，查閱資料，確定設計方案：3天；（2） 設計與繪制原理圖、裝置圖：2天；（3） 調整方案：1天；（4） 撰寫說明書：3天；（5） 答辯：1天。指導教師：201年月日專業(yè)負責人：201年月曰學院教學副院長：201年月曰

成績評定表學生姓名孫浩班級學號1009020213專業(yè)光信息科學與技術課程設計題目一種光電準直系統(tǒng)的設計評語組長簽字：成績日期2013年月日目錄TOC\o"1-5"\h\z1引言 4\o"CurrentDocument"2基本原理 5\o"CurrentDocument"3檢測原理 6\o"CurrentDocument"3.1光束光學系統(tǒng)設計 63.1.1激光器的選擇 63.1.2光學元件的說明 6\o"CurrentDocument"3.2光電探測器及處理電路 7\o"CurrentDocument"4設計說明 8\o"CurrentDocument"4.1減小激光器輸出光束的漂移 84.1.1熱穩(wěn)定裝置 84.1.2光束補償裝置 94.1.3在激光管周圍對稱地放置自動控溫加熱器 9\o"CurrentDocument"4.2消除大氣擾動的影響 10\o"CurrentDocument"5結果討論 10\o"CurrentDocument"參考文獻 111引言激光準直廣泛應用于工程技術中，如大尺寸設備的裝配和制造的準直、直線度的測試、多自由度準直測量［1］。根據(jù)現(xiàn)有激光準直原理的不同，可將激光準直的方法分為振幅測量法、干涉測量法等。振幅測量法以激光束的強度中心作為直線基準，在需要準直的點上用光電探測器接收。缺點是易受光束截面上強度分布不對稱、探測器靈敏度不對稱的影響；干涉測量法是在以激光束作為直線基準的基礎上，又以光的干涉原理進行讀數(shù)來進行直線度測量的⑵。缺點是只能在較短距離有好的精度，不適于較長距離的準直。本課設的光柵衍射干涉激光準直裝置主要利用干涉測量法，實現(xiàn)在較短距離的準直。2基本原理光柵衍射干涉激光準直裝置以光柵做敏感元件，以雙面發(fā)射鏡組兩反射面夾角的中分線為直線基準。He-Ne激光器1發(fā)出的光經(jīng)擴束系統(tǒng)2、分光鏡3、射向光柵4,光柵4的刻線方向垂直于紙面，平行于拖板7的底面。入射光經(jīng)光柵調制，產(chǎn)生各級衍射光，其中+1和-1級衍射光分別垂直投射到雙面反射鏡組6的兩個反射面上（雙面反射鏡組6的兩個反射面之間的夾角設計成與土級衍射光之間的夾角互補）。這樣土1級衍射光經(jīng)雙面反射鏡組反射面反射后，沿原路返回到光柵，再次經(jīng)光柵衍射，+1級的+1級衍射光（+1，-1）與-1級的-1級衍射光（-1,-1），沿原入射光方向反向射出并產(chǎn)生干涉。1-He-Ne激光器2-擴束系統(tǒng)3-分光鏡4-光柵5-石英晶體6-雙面反射鏡7-拖板8-滑板9-偏振分光鏡10,11-光電探測器圖1光柵衍射干涉激光準直裝置原理圖光路中石英晶片5的作用是利用石英晶體的雙折射性能產(chǎn)生偏振方向相互垂直的兩路偏振光，并使這兩路偏振光發(fā)生移相，兩路相干光經(jīng)分光鏡3反射后投射到偏振分光鏡9上，由分光鏡9將偏振方向互相垂直且相移為90的兩路相干光束分開，分別由光電探測器10及11接收。測量時，可令光柵4固定在拖板7上，滑板8勻速地從導軌的一端移向另一端，導軌在垂直平面內的直線度偏差使滑板8及光柵4隨之有垂直于光柵方向的上下位移，即柵線相對于雙面反射鏡組6的兩反射面夾角的平分線上有上下位移，于是干涉光強信號發(fā)生變化。當光柵位移量x等于以1個光柵系數(shù)d時，光強信號有4個周期的變化，即干涉光強信號變化一個周期k，相當于光柵上下位移1/4個光柵常數(shù)⑶：

丫dk=_3檢測原理3.1光束光學系統(tǒng)設計3.1.1激光器的選擇利用激光束的能量中心照射在光電探測器上，因此需要光場能量分布均勻所以激光器電光源采用單模輸出的He-Ne激光器⑷，功率不需要太大，l~2mW就能滿足測量需要,波長為632.8nm。3.1.2光學元件的說明光柵最重要的作用是作為分光元件，這里作用是把入射光調制成各級衍射光，且衍射分級關于中心亮紋對稱。d（sin甲土sin0）=m九 ⑵由光柵方程可見，對于給定光柵常數(shù)d的光柵，當用復色光照射時，除零級衍射光外，不同波長的同一級衍射光不重合，即發(fā)生“色散”現(xiàn)象，這就是衍射光柵的分光原理。對應于不同波長的各級亮線稱為光柵譜線，不同波長光譜線的分開程度隨著衍射級次的增大而增大，對于同一衍射級次而言，波長大者，0大，波長小者，0小⑸。圖2透射光柵的衍射石英晶體是各向異性介質，當一束單色光在各向異性晶體的界面折射時，可以產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射。在兩束折射光中，有一束總是遵循折射定律，稱為尋常光，用符號o表示；另一束則不然，一般情況下，即使入射角為零，其折射角也不等于零，稱它為非常光，用符號e表示。且o光和e光為偏振方向互相垂直的偏振光⑹。偏振分光鏡的作用是使偏振方向互相垂直的光束分成沿原來傳播方向的光束和沿鏡面反射方向的光束⑺。3.2光電探測器及處理電路四象限光電池一般由4個扇形的硅光電池組成，也有的是一片整個的硅光電池，正交切開N或P層形成具有公共基底的四象限，如圖3(a)所示。四象限探測器中每片硅光電池的轉換效率應該一致，它們之間的相對位置也應準確。但實際上，兩片光電池的轉換效率往往差很遠，有的可能20%。因此，所使用的光電池必須精心挑選，使每組的轉換效率一致。處理電路一般采用如圖3(b)所示的加、減運算電路實現(xiàn)，這時水平方向和垂直方向的輸出電壓分別為：U二(U+U)-(U+U)TOC\o"1-5"\h\zx 1 4 2 3 (2)\o"CurrentDocument"U二(U+U)-(U+U) (2)y 1 2 3 4式中，U,U,U,U分別為光電池4個電極的輸出電壓。圖3(b)中，A1~A6為12 3 4放大器⑻。圖3(a圖3(a)四象限探測器圖3(b)四象限探測器的處理電路4設計說明4.1減小激光器輸出光束的漂移采用小功率單模He-Ne激光器，對這種激光器的要求，主要是光束方向的漂移要盡可能小。光束方向漂移的大小取決于組成諧振腔的兩塊反射鏡的穩(wěn)定性。由于諧振腔反射鏡支架的變形、激光器的發(fā)熱（一般可達60。?70。）及周圍環(huán)境溫度的變化，引起激光器毛細管彎曲或諧振腔變形，都可能引起光束方向的漂移。普通的He-Ne激光器，光束方向穩(wěn)定性為10-4?10-6rad；性能良好的外腔式激光器，技術參數(shù)為：光束方向穩(wěn)定性為2.5x10-7rad，對于1m長的測量光程，其光束漂移量為0.1至數(shù)微米。減小激光器輸出光束的漂移，可以采用以下幾項措施：4.1.1熱穩(wěn)定裝置1-He-Ne激光器2-波形管3-絕熱材料4-套筒圖5激光器熱穩(wěn)定裝置示意圖熱穩(wěn)定裝置如圖5所示，在激光器外面放一個波形管，其作用是與激光器外表面保持良好的彈性接觸。同時，波形管是用導熱性比較好的金屬材料做成的，如不銹鋼或磷青銅。波形管周圍填充著具有相當?shù)偷膶嵯禂?shù)和相當高的比熱容的絕緣材料，如顆粒狀的氧化鎂。在氧化鎂外面是導熱較好的材料做成的套筒。兩端用絕熱材料環(huán)將波形管與套筒之間的絕熱材料封閉住。整個裝置的作用是使激光器沿長度方向的溫度梯度減少，同時使裝置維持在較低的工作溫度上，從而減少變形⑼。4.1.2光束補償裝置圖6所示為光束補償裝置。不透明管用來阻擋雜散光和灰塵；角錐棱鏡使反射到激光諧振腔平面反射鏡上的光束總是平行于布儒斯特窗上的入射光束。同樣，在布儒斯特窗上的輸出光束總是平行于出射窗的入射光束。因此當有一個扭力使角錐棱鏡變動時，它所反射的激光束并不改變原來的路程。而且，凹面腔反射鏡和平面腔反射鏡的位置靠的很近，實際上具有相同的環(huán)境條件，因此兩個面的相對運動是很小的。所以，當激光器殼體變形時，輸出激光束對原來的位置只產(chǎn)生很小的橫向位移和角度偏移。1-激光管2-準直儀主體3-不透明管4-角錐棱鏡5-平面腔反射鏡6-布儒斯特窗7-出射窗8-凹面腔反射鏡圖6外腔管的光束補償裝置4.1.3在激光管周圍對稱地放置自動控溫加熱器1-激光管2,3,4,5-四組加熱器6四象限硅光電池圖7溫控補償光束漂移裝置若光束漂移，則四象限光電池將光信號輸出給自動控溫裝置，使一組加熱器開始工作，以使管殼形成微小變形來校正光點回到硅光電池零位［9］。4.2消除大氣擾動的影響激光準直光束在空氣中的傳播路徑作為測量基準直線，如大氣的熱流、風速、密度變化會引起大氣折射率的變化，從而使激光束在傳播過程中偏離直線。常用方法有以下幾種：在光束傳輸路程上避免有熱源、溫度梯度、及氣流等的影響。將光束用套管屏蔽，甚至將管子抽成真空。沿著激光束前進的方向以適當流速的空氣流噴射，因為空氣流將提高空氣擾動的頻率，可用時間常數(shù)比較小的低通濾波器，消除輸出信號的交變成分。對頻率為50?60Hz的擾動可采取積分電路消除⑼。5結果討論本課設的光柵衍射干涉激光準直裝置主要利用干涉測量法，實現(xiàn)在較短距離的準直。該激光準直儀的優(yōu)點是測量精度高；裝置構造簡單；缺點：該準直儀測量距離較短。在測量過程中由于激光器的發(fā)熱會造成激光器毛細管彎曲或諧振腔變形引起激光束方向的漂移，此外空氣擾動造成的光斑跳動等也會影響測量精度。所以在上面提出了三種減小激光束漂移的方法和四種減小空氣擾動的方法。裝置中采用四象限光電池暗電流較大，各個單元的轉換效率不可能做到一致，使光強的探測不夠準確。因此所使用的光電池必須精心挑選，使每組的