相位探測(cè)器中傳感器的優(yōu)化.pdf

1、內(nèi)容摘要光的相位包含著豐富的物理信息，通過對(duì)光波波前的測(cè)量，最終獲取相位信息一直是科研人員關(guān)心的一個(gè)話題。相位測(cè)量的難度在于目前的光學(xué)探測(cè)設(shè)備使用的均是光電轉(zhuǎn)換，而電子對(duì)相位信息是不敏感的，必須將通過特定方法，將相位信息轉(zhuǎn)化為光探頭所能測(cè)量的信號(hào)，例如光強(qiáng)等。實(shí)際中的波前探測(cè)是一個(gè)尚待解決的高難度問題。盡管已經(jīng)發(fā)展了多種波前探測(cè)技術(shù)，但這些方法均存在一定缺點(diǎn)。最近，Buse等人提出利用雙折射晶體進(jìn)行波前探測(cè)的方法，這種方法十分簡便、實(shí)用

2、。本論文針對(duì)雙折射晶體波前探測(cè)技術(shù)，通過數(shù)值模擬，討論了該方法的優(yōu)化問題，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本論文在第二章中簡要介紹了波前的概念總結(jié)了現(xiàn)有的波前探測(cè)技術(shù)，包括:紋影陰影(schlierenandshadowgraph)方法，哈特曼一夏克(ShackHarmann)干涉波前探測(cè)技術(shù)(interferometry)方法，Zernike發(fā)明的相稱顯微方法。簡要介紹了這些方法的原理、應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)。第三章討論了利用雙折射晶體作為傳感器來進(jìn)行波前

3、探測(cè)的方法。介紹了Buse等人所提出的實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)該方法的可改進(jìn)之處進(jìn)行了簡要的介紹。第四章中，對(duì)雙折射晶體測(cè)量波前方法的理論進(jìn)行了分析，通過數(shù)值模擬，我們計(jì)算了晶體厚度、晶體晶軸取向、晶體雙折射率差異等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過分析，認(rèn)為該方法的檢測(cè)靈敏度與測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍之間存在競(jìng)爭，通過適當(dāng)選擇晶體參數(shù)，我們可以獲得最佳的測(cè)量效果。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了柱面波的波前分布情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法的有效性。附錄給出了數(shù)值模擬和實(shí)

4、驗(yàn)中使用的程序代碼。關(guān)鍵詞:相位探測(cè)雙折射晶體錐光全息第一章緒論1.光波相位探測(cè)的意義光作為自然界一個(gè)重要的現(xiàn)象，一直受到人們的重視，其研究歷史與人類文明史幾乎同步。早在古希臘時(shí)期，Euclid在《Catoprotics》一書中就己經(jīng)闡述了光的直線傳播特性和反射規(guī)律，而我國古典思想巨著《墨子》也闡述了小孔成像等基本光學(xué)現(xiàn)象。19世紀(jì)中葉，J.C.Maxwel發(fā)表了“電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)”[11)，他總結(jié)了前人的實(shí)驗(yàn)及理論工作，建立起著名的Ma

5、xwell方程。其工作將光的波動(dòng)說推向了高峰。在二十世紀(jì)初，通過M.Planck[11jN.Bohr[12]A.Einstein[I習(xí)等人的工作，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)進(jìn)入到量子階段.目前，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)己十分深入，例如，當(dāng)今研究能量范圍從單光子一直延伸到太瓦量級(jí)。光學(xué)技術(shù)己經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚幕炯夹g(shù)之一。光作為基本的物理現(xiàn)象，對(duì)其定量描述十分重要。光的特性表現(xiàn)在振幅、頻率、偏振和相位四個(gè)方面。振幅表征光的強(qiáng)度，頻率代表光的能量(日

6、常生活中代表顏色)，偏振描述電磁場(chǎng)的振動(dòng)方向，而相位代表振動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)程度。掌握以上四個(gè)物理量，就可以準(zhǔn)確地描述一束光的各種性質(zhì)。對(duì)于振幅、頻率以及偏振，隨著電子技術(shù)等的發(fā)展，人們己經(jīng)可以十分精確地進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量空間分辨精度可以達(dá)到波長，也就是亞微米量級(jí)，而測(cè)量誤差小到可以完全忽略。以振幅測(cè)量為例，利用商用半導(dǎo)體探頭，現(xiàn)在己經(jīng)可以測(cè)量幾個(gè)光子的能量，響應(yīng)速度達(dá)到ps以下，利用CCD設(shè)備，可以測(cè)量光強(qiáng)在亞微米尺度上的分布。相對(duì)而言，相位信

7、息的測(cè)量是最困難的。到目前為止，其測(cè)量精度與其他三個(gè)參數(shù)相比有較大的差距。相位測(cè)量的難度在于目前的光學(xué)探測(cè)設(shè)備使用的均是光電轉(zhuǎn)換，而電子對(duì)相位信息是不敏感的，必須將通過特定方法，將相位信息轉(zhuǎn)化為光探頭所能測(cè)量的信號(hào)，例如光強(qiáng)等。一束光的相位分布代表著十分豐富的信息。物體表面反射光的相位分布代表著該物體的表面形貌，通過透明介質(zhì)的透射光的相位代表著介質(zhì)內(nèi)的折射率分布，從量子系統(tǒng)中發(fā)射的光的相位分布代表著系統(tǒng)中粒子的量子相關(guān)特征，等等。因此，

8、盡管相位信息測(cè)量十分困難，但工作十分重要，很多研究人員從事著這方面的研究。2.光波前探測(cè)技術(shù)相位測(cè)量技術(shù)所檢測(cè)的是相位的相對(duì)值。由于光源的初始相位是一個(gè)高速變化的值，測(cè)量絕對(duì)相位幾乎不可能，而且，絕對(duì)相位值也沒有實(shí)際的物理意義。描述相位相對(duì)值最簡單也是最有效的物理量是光的波前形貌。光的波前形貌反映了不同空間點(diǎn)上相位信息的相對(duì)值。一旦確定了光波前的形狀，我們可以確定不同空問點(diǎn)土電磁振動(dòng)的相位差異確定振動(dòng)的相關(guān)程度。目前，己發(fā)展了多種光波前