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(guān)心的一個話題。相位測量的難度在于目前的光學(xué)探測設(shè)備使用的均是光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為光探頭所能測量的信號，例如光強(qiáng)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(shù)，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(jìn)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(shù)，通過數(shù)值模擬，討論了該方法的優(yōu)化問題，并進(jìn)行了實驗研究。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。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(jié)果，并對該方法的可改進(jìn)之處進(jìn)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(jìn)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(jié)果的影響。通過分析，認(rèn)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(dāng)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(jié)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(guān)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(xué)現(xiàn)象。19世紀(jì)中葉，J.C.Maxwel發(fā)表了“電磁場的動力學(xué)”[11)，他總結(jié)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(jì)初，通過M.Planck[11jN.Bohr[12]A.Einstein[I習(xí)等人的工作，人們對光的認(rèn)識進(jìn)入到量子階段.目前，人們對光的認(rèn)識己十分深入，例如，當(dāng)今研究能量范圍從單光子一直延伸到太瓦量級。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(qiáng)度，頻率代表光的能量(日

6、常生活中代表顏色)，偏振描述電磁場的振動方向，而相位代表振動之間的關(guān)聯(lián)程度。掌握以上四個物理量，就可以準(zhǔn)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(shù)等的發(fā)展，人們己經(jīng)可以十分精確地進(jìn)行測量。測量空間分辨精度可以達(dá)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(dǎo)體探頭，現(xiàn)在己經(jīng)可以測量幾個光子的能量，響應(yīng)速度達(dá)到ps以下，利用CCD設(shè)備，可以測量光強(qiáng)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(xué)探測設(shè)備使用的均是光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為光探頭所能測量的信號，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(shù)相位測量技術(shù)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(guān)程度。目前，己發(fā)展了多種光波前