光电检测原理及应用

课程：光电检测技术专业：光电信息工程班级：0903姓名：党平学号：05094091任课教师：时坚成绩衍射光栅的基本理论及其应用引言衍射光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件。分反射和透射两大类。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，但其性能稳定，分辨率高，角色散高而且随波长的变化小﹐所以在各种光谱仪器中得到广泛应用。衍射光栅是一种分光用的光学元件，它不仅用于光谱学，还广泛用于计量、光通信、信息处理等方面。光栅种类很多，有透射光栅和反射光栅；平面光栅和凹面光栅；还有黑白光栅和正弦光栅；一维光栅、二维光栅和三维光栅。对于衍射光栅的装置可设计为：一束平行单色光垂直照射在光栅上，光栅常数为d，光栅的总缝数为N。通过每一狭缝向不同方向发射的光通过透镜聚集在屏幕上不同的位置，屏幕放在透镜的焦平面上。由许多等距的相同的平行狭缝构成的光学元件就称为衍射光栅，用金刚石尖端在玻璃板上刻划出等间距的平行细槽，这样就构成了一个衍射光栅，刻画处由于漫反射而变得不透光，其间为透明的玻璃，相当于透光的单缝。假设每个刻线的宽度为b，也就是不透光的宽度，相邻两刻的间距为a，也就是透光的部分，a+b就称作是光栅常量，常用d来表示，这样我们就可以得到光栅常数和每单位距离上所含刻痕数N之间成倒数关系，也就是说，单位长度上的条纹越多，光栅常数越小。衍射光栅的原理：1、光栅分光原理：光栅是一种重要的分光元件，它不仅用于光谱学，还广泛用于计量、光通信、信息处理等方面。光栅按不同分类方法可分为透射型和反射型光栅或振幅型和位相型光栅，本实验使用的是透射型振幅光栅，它相当于一组数目极多的等宽、等间距的平行排列的狭缝。其结构如下图所示：光栅周期为d=a+b当一束波长为λ的平行光入射到光栅平面，透射光按衍射规律向各个方向传播，经透镜L会聚后，在透镜第二角平面上形成一组亮条纹，各级亮条纹产生的条件是：kid)sin(sin)3,2,1,0(k如果入射光不是单色光，则除k=0外，其余各级谱线将按波长的次序依次排开。当平行光垂直入射时，i=0，光栅方程简化为kdsin2,1,0k这时在0的方向上可以观察到中央谱线极强（称为零级谱线），其它级次的谱线则对称地分布在零级谱线的两侧。式中“+”号表示衍射光和入射光在光栅法线同侧“-”号表示它们不在法线的同一侧。光谱级次0k时，称为零级光谱，这时光栅没有色散作用。将上式进行变化，则有：)sinarcsin(idm可知：（1）当给定光栅常数d和入射角i时，在同一级光谱中，不同的波长对应不同的衍射角，因此所对应的谱线在空间的位置也不同，从而使复合光分解成为对应的光谱。（2）波长越短，衍射角越小，光栅光谱由短波到长波向着衍射角增大的方向展开。通常采用的衍射光栅为闪烁光栅。闪烁光栅刻槽断面形装多为三角形，每个刻槽的反射面和光栅平面之间的夹角成为闪烁角。n为光栅平面法线，i为入射角为衍射角，d为光栅常数，为刻槽深度。光栅衍射后光强分布不仅与光栅的每一条刻槽的衍射角有光，还与光栅的所有刻槽的衍射光束相互干涉有关。只要改变这种刻槽的端面形状和尺寸，便可以改变各级光谱的相对分布，使光强主要集中到所有要求的光谱级次上。（1）光栅的角色散。指波长差为的两个波长的光线被分开的角距离的大小。其单位为nmrad。（2）光栅的分辨率。表示光栅能够分开相邻两光谱的能力，通常把波长与在该波长附近能被分辨的最小波长差的比值作为光栅分辨率的度量。2、光栅的基本特性(1)角色散率。光栅的角色散率是指在同级光谱中两条谱线衍射角之差Δθ与其波长Δλ之比，即，由上式可知，光栅的角色散率与光栅常数成反比。但角色散率与光栅中衍射单元的总数N无关。光衍射角θk很小时，1cos,角色散率Dθ可以近似看做常数，此时Δθ与Δλ成正比，故光栅光谱称为匀排光谱。(2)分辨本领。分光仪器的分辨本领R定义为两条刚可被该仪器分辨开的谱线波长差Δλ去除它们的平均波长λ，即，根据瑞利判据可求得光栅的分辨本领R的表达式为：KNR，上式说明光栅的分辨本领正比于有效使用面积内衍射单元总数N和光谱的级次k，与光栅常数d无关。分辨本领R越大，表明刚刚能被分辨开的波长差Δλ越小，该光栅分辨细微结构的能力越高。能等宽等间隔地分割入射波前的、具有空间周期性结构的光学元件。常作为色散元件来分离不同波长的谱线。光栅分透射光栅和反射光栅两类。透射光栅按透射率函数的不同可分为普通的矩形透射率光栅和正弦光栅两种。闪耀光栅是反射光栅的一种，有较高的能量利用率，凹面反射光栅能自动聚焦成像。根据制作方法的不同，可分划线光栅、复制光栅和全息光栅3种。所有光栅的基本原理均相同。以平面透射光栅为例，在平板玻璃上用金刚石刻刀刻划等宽等间距的平行刻线，未刻部分能透光，刻划部分因漫反射而不透光，这等效于大量等宽等间距的平行狭缝。设缝宽为a，不透光部分宽度为b，则相邻两缝的间距d＝a＋b称光栅常数。是光栅的重要参量。光栅的实验装置如图1，单色缝光源与光栅的狭缝平行，放置在透镜L1的物方焦面内，从L1射出的平行光垂直入射到光栅上，光栅的每条狭缝都将产生单缝衍射，衍射角为θ的所有衍射光被透镜L2会聚于幕上的P处，相干叠加的结果决定了P处的总光强。幕上干涉主极大的位置由下述光栅方程给定：kdsin(k＝01，±2，……)整数k称干涉级，λ为波长。不同波长的主极大位置不同，故光源为复色光时，不同波长成分的主极大彼此分离而成光谱，称光栅光谱。各级主极大的强度要受到单缝衍射的限制，级次愈高强度愈弱，但不同谱线分得愈开，如图2所示。图中虚线表示单缝衍射的分布曲线。注意到所有波长的零级干涉主极大均重合在一起，并落在单缝衍射的中央极大处，无色散的零级主极大占了大部分能量，能量利用率较低。反射式闪耀光栅可把衍射中央极大闪耀到某一级光谱处，大大提高了能量利用率。衍射光栅是一种分光元件,也是光谱仪器的核心元件。1960年代以前,全息光栅,刻划光栅,作为色散元件,广泛用于摄谱仪光谱分析,是分析物质成分、探索宇宙奥秘、开发大自然的必用仪器,极大地推动了包括物理学、天文学、化学、生物学等科学的全面发展。随着科学技术的发展，其应用早已不局限于光谱学领域，在计量学、天文学、集成光学、光通信、原子能等方面已被广泛应用。因此，对光栅制作技术的研究从来没有间断过。衍射光栅的经典概念虽然简单，但其内涵却极为丰富。在过去的二十多年里，光栅的用途远远超过传统意义上的应用范围，在科研和技术等诸多领域成为无可替代的及其重要的工具。例如，衍射光栅应用于集成光学、光学全息、光谱分析、模糊处理、数模转换、相关存储、光束耦合、光束扩束、光束偏转、光束取样、光束分光、光学逻辑、数据储存、光学测试、模式转换、位相共轭、脉冲整形与压缩、调Q、锁模、信号处理、太阳能聚焦、空间光调制、光学开关、诊断测量、图像识别等等，同时光栅还在不断在新领域得到应用。近年来,一系列新型光栅的出现对科学技术的发展和工业生产技术的革新也发挥着越来越大的作用:把光栅做在光纤里面,产生了光纤光栅,促进了光纤通信产业的发展;光栅和波导的结合,产生了阵列波导光栅,是非常重要的光纤通信的波分复用器件;光栅的飞秒脉冲啁啾放大技术促进了强激光的产生;大尺寸的脉冲压缩光栅是激光核聚变装置不可缺少分束器;Dam光栅应用于光电子阵列照明技术;体全息光栅在光存储及波分复用方面的已快进入实用化阶段。光栅推动了科学技术的发展,世界上对光栅的需求越来越大。参考文献1韩丽英崔海霞主编，光电变换与检测技术（182），北京：国防工业出版社，20102卢春生光电探测技术及应用，北京：机械工业出版社，19923秦积荣光电检测原理及应用，北京：国防工业出版社，19854柳桂国检测技术及应用，北京：电子工业出版社，2003激光散斑的基本理论及激光散斑干涉测试技术的应用引言散斑现象普遍存在于光学成象的过程中，很早以前牛顿就解释过恒星闪烁而行星不闪烁的现象。由于激光的高度相干性，激光散斑的现象就更加明显。最初人们主要研究如何减弱散斑的影响。在研究的过程中发现散斑携带了光束和光束所通过的物体的许多信息，于是产生了许多的应用。例如用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度，利用散斑的动态情况测量物体运动的速度，利用散斑进行光学信息处理、甚至利用散斑验光等等。激光散斑可以用曝光的办法进行测量，但最新的测量方法是利用CCD和计算机技术，因为用此技术避免了显影和定影的过程，可以实现实时测量的目的，在科研和生产过程中得到日益广泛的应用。如图（1）为光源发出的光被随机介质散射在空间形成的一种斑纹图样。1960年世界出现了激光器，高度相干性的激光照在粗糙表面很容易看到这种图样，散斑携带大量有用信息。散斑在工程技术方面等各方面有广泛的应用。散斑的理论是统计光学的一部分。掩护光的相干理论在很多地方是相似的和相通的。其于20世纪80年代初期应用于无损检测领域，其原理是通过被检测物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。由于是利用物体表面反射的光通过棱镜后产生的微小剪切量形成散斑干涉图，不需要参考光路，因此外界干扰的影响小，检测时不需要防振工作台，便于现场使用。随着激光散斑测量技术的发展，采用CCD摄像机输出干涉图像信号，省去了显影定影等繁杂的湿处理手续，大大的提高了检测效率，同时可直接将输出的数字化信号与计算机连接，自动处理，并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形，现场应用十分方便。激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（laserSpeckles）或斑纹。如果散射体足够粗糙，这种分布所形成的图样是非常特殊和美丽的（对比度为1），如图（1）。激光散斑是由无规散射体被相干光照射产生的，因此是一种随机过程。要研究它必须使用概率统计的方法。通过统计方法的研究，可以得到对散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点的认识。图（2）说明激光散斑具体的产生过程。当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每一点都要散射光。因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。由于毛玻璃足够粗糙，所以激光散斑的亮暗对比强烈，而散斑的大小要根据光路情况来决定。散斑场按光路分为两种，一种散斑场是在自由空间中传播而形成的（也称客观散斑），另一种是由透镜成象形成的（也称主观散斑）。在本实验中我们只研究前一种情况。当单色激光穿过具有粗糙表面的玻璃板，在某一距离处的观察平面上可以看到大大小小的亮斑分布在几乎全暗的背景上，当沿光路方向移动观察面时这些亮斑会发生大小的变化，如果设法改变激光照在玻璃面上的面积，散斑的大小也会发生变化。由于这些散斑的大小是不一致的，因此这里所谓的大小是指其统计平均值。它的变化规律可以用相关函数来描述。2.激光散斑光强分布的相关函数的概念如图3所示激光高斯光束（参见附录1）投射在毛玻璃上(,),在一定距离处放置的观察屏(x,y)上的形成的散斑的光强分布为Ｉ(x,y)。（1）自相关函数假设观察面任意两点上的散斑光强分布为Ｉ(x1,y1)，Ｉ(x2,y2)，我们定义光强分布的自相关函数为：G（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ(x1,y1)Ｉ(x2,y2)〉(1)图2激光散斑的产生(图中为透射式，也可以是反射式的情形)ZX1X0ZP1P22W0O1XO2图3光路原理图O02W其中Ｉ(x1,y1)表示观察面上任一点Q1的光强，Ｉ(x2,y2)表示观察面上另一点Q2上的光强，〈〉表示求统计平均值。根据光学知识我们知道：（x，y）=U（x，y）U（x，y）(2)式中U(x,y)表示光场的复振幅。当玻璃板表面足够粗糙（毛玻璃）时,根据散斑统计学的理论我们可以得到如下的公式：G（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ(x1,y1)〉〈Ｉ(x2,y2)〉+〈U(x1,y1)U(x2,y2