相位探測器中傳感器的優(yōu)化.pdf

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

2、。本論文針對雙折射晶體波前探測技術，通過數(shù)值模擬，討論了該方法的優(yōu)化問題，并進行了實驗研究。本論文在第二章中簡要介紹了波前的概念總結了現(xiàn)有的波前探測技術，包括:紋影陰影(schlierenandshadowgraph)方法，哈特曼一夏克(ShackHarmann)干涉波前探測技術(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、應用以及優(yōu)缺點。第三章討論了利用雙折射晶體作為傳感器來進行波前

3、探測的方法。介紹了Buse等人所提出的實驗原理，實驗裝置及實驗結果，并對該方法的可改進之處進行了簡要的介紹。第四章中，對雙折射晶體測量波前方法的理論進行了分析，通過數(shù)值模擬，我們計算了晶體厚度、晶體晶軸取向、晶體雙折射率差異等對實驗結果的影響。通過分析，認為該方法的檢測靈敏度與測量動態(tài)范圍之間存在競爭，通過適當選擇晶體參數(shù)，我們可以獲得最佳的測量效果。通過實驗檢測了柱面波的波前分布情況，實驗結果證明該方法的有效性。附錄給出了數(shù)值模擬和實

4、驗中使用的程序代碼。關鍵詞:相位探測雙折射晶體錐光全息第一章緒論1.光波相位探測的意義光作為自然界一個重要的現(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現(xiàn)象。19世紀中葉，J.C.Maxwel發(fā)表了“電磁場的動力學”[11)，他總結了前人的實驗及理論工作，建立起著名的Ma

5、xwell方程。其工作將光的波動說推向了高峰。在二十世紀初，通過M.Planck[11jN.Bohr[12]A.Einstein[I習等人的工作，人們對光的認識進入到量子階段.目前，人們對光的認識己十分深入，例如，當今研究能量范圍從單光子一直延伸到太瓦量級。光學技術己經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚幕炯夹g之一。光作為基本的物理現(xiàn)象，對其定量描述十分重要。光的特性表現(xiàn)在振幅、頻率、偏振和相位四個方面。振幅表征光的強度，頻率代表光的能量(日

6、常生活中代表顏色)，偏振描述電磁場的振動方向，而相位代表振動之間的關聯(lián)程度。掌握以上四個物理量，就可以準確地描述一束光的各種性質(zhì)。對于振幅、頻率以及偏振，隨著電子技術等的發(fā)展，人們己經(jīng)可以十分精確地進行測量。測量空間分辨精度可以達到波長，也就是亞微米量級，而測量誤差小到可以完全忽略。以振幅測量為例，利用商用半導體探頭，現(xiàn)在己經(jīng)可以測量幾個光子的能量，響應速度達到ps以下，利用CCD設備，可以測量光強在亞微米尺度上的分布。相對而言，相位信

7、息的測量是最困難的。到目前為止，其測量精度與其他三個參數(shù)相比有較大的差距。相位測量的難度在于目前的光學探測設備使用的均是光電轉換，而電子對相位信息是不敏感的，必須將通過特定方法，將相位信息轉化為光探頭所能測量的信號，例如光強等。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)中粒子的量子相關特征，等等。因此，

8、盡管相位信息測量十分困難，但工作十分重要，很多研究人員從事著這方面的研究。2.光波前探測技術相位測量技術所檢測的是相位的相對值。由于光源的初始相位是一個高速變化的值，測量絕對相位幾乎不可能，而且，絕對相位值也沒有實際的物理意義。描述相位相對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上相位信息的相對值。一旦確定了光波前的形狀，我們可以確定不同空問點土電磁振動的相位差異確定振動的相關程度。目前，己發(fā)展了多種光波前