光电检测课程设计 孙浩

课程设计任务书学院理学院专业光信息科学与技术学生姓名孙浩班级学号1009020213课程设计题目一种光电准直系统的设计实践教学要求与任务：（1） 选择恰当的光电检测方法及光电器件，设计种光电准直系统。（2） 设计测量系统原理示意图、装置图、电路图；（3） 阐明工作原理，分析此方法的优缺点，说明如何提高测量的准确度；（4） 完成课程设计论文。工作计划与进度安排：时间：十四~十五周，具体安排如下：（1） 理解题目要求，查阅资料，确定设计方案：3天；（2） 设计与绘制原理图、装置图：2天；（3） 调整方案：1天；（4） 撰写说明书：3天；（5） 答辩：1天。指导教师：201年月日专业负责人：201年月曰学院教学副院长：201年月曰

成绩评定表学生姓名孙浩班级学号1009020213专业光信息科学与技术课程设计题目一种光电准直系统的设计评语组长签字：成绩日期2013年月日目录TOC\o"1-5"\h\z1引言 4\o"CurrentDocument"2基本原理 5\o"CurrentDocument"3检测原理 6\o"CurrentDocument"3.1光束光学系统设计 63.1.1激光器的选择 63.1.2光学元件的说明 6\o"CurrentDocument"3.2光电探测器及处理电路 7\o"CurrentDocument"4设计说明 8\o"CurrentDocument"4.1减小激光器输出光束的漂移 84.1.1热稳定装置 84.1.2光束补偿装置 94.1.3在激光管周围对称地放置自动控温加热器 9\o"CurrentDocument"4.2消除大气扰动的影响 10\o"CurrentDocument"5结果讨论 10\o"CurrentDocument"参考文献 111引言激光准直广泛应用于工程技术中，如大尺寸设备的装配和制造的准直、直线度的测试、多自由度准直测量［1］。根据现有激光准直原理的不同，可将激光准直的方法分为振幅测量法、干涉测量法等。振幅测量法以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收。缺点是易受光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称的影响；干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的⑵。缺点是只能在较短距离有好的精度，不适于较长距离的准直。本课设的光栅衍射干涉激光准直装置主要利用干涉测量法，实现在较短距离的准直。2基本原理光栅衍射干涉激光准直装置以光栅做敏感元件，以双面发射镜组两反射面夹角的中分线为直线基准。He-Ne激光器1发出的光经扩束系统2、分光镜3、射向光栅4,光栅4的刻线方向垂直于纸面，平行于拖板7的底面。入射光经光栅调制，产生各级衍射光，其中+1和-1级衍射光分别垂直投射到双面反射镜组6的两个反射面上（双面反射镜组6的两个反射面之间的夹角设计成与土级衍射光之间的夹角互补）。这样土1级衍射光经双面反射镜组反射面反射后，沿原路返回到光栅，再次经光栅衍射，+1级的+1级衍射光（+1，-1）与-1级的-1级衍射光（-1,-1），沿原入射光方向反向射出并产生干涉。1-He-Ne激光器2-扩束系统3-分光镜4-光栅5-石英晶体6-双面反射镜7-拖板8-滑板9-偏振分光镜10,11-光电探测器图1光栅衍射干涉激光准直装置原理图光路中石英晶片5的作用是利用石英晶体的双折射性能产生偏振方向相互垂直的两路偏振光，并使这两路偏振光发生移相，两路相干光经分光镜3反射后投射到偏振分光镜9上，由分光镜9将偏振方向互相垂直且相移为90的两路相干光束分开，分别由光电探测器10及11接收。测量时，可令光栅4固定在拖板7上，滑板8匀速地从导轨的一端移向另一端，导轨在垂直平面内的直线度偏差使滑板8及光栅4随之有垂直于光栅方向的上下位移，即栅线相对于双面反射镜组6的两反射面夹角的平分线上有上下位移，于是干涉光强信号发生变化。当光栅位移量x等于以1个光栅系数d时，光强信号有4个周期的变化，即干涉光强信号变化一个周期k，相当于光栅上下位移1/4个光栅常数⑶：

丫dk=_3检测原理3.1光束光学系统设计3.1.1激光器的选择利用激光束的能量中心照射在光电探测器上，因此需要光场能量分布均匀所以激光器电光源采用单模输出的He-Ne激光器⑷，功率不需要太大，l~2mW就能满足测量需要,波长为632.8nm。3.1.2光学元件的说明光栅最重要的作用是作为分光元件，这里作用是把入射光调制成各级衍射光，且衍射分级关于中心亮纹对称。d（sin甲土sin0）=m九 ⑵由光栅方程可见，对于给定光栅常数d的光栅，当用复色光照射时，除零级衍射光外，不同波长的同一级衍射光不重合，即发生“色散”现象，这就是衍射光栅的分光原理。对应于不同波长的各级亮线称为光栅谱线，不同波长光谱线的分开程度随着衍射级次的增大而增大，对于同一衍射级次而言，波长大者，0大，波长小者，0小⑸。图2透射光栅的衍射石英晶体是各向异性介质，当一束单色光在各向异性晶体的界面折射时，可以产生两束折射光，这种现象称为双折射。在两束折射光中，有一束总是遵循折射定律，称为寻常光，用符号o表示；另一束则不然，一般情况下，即使入射角为零，其折射角也不等于零，称它为非常光，用符号e表示。且o光和e光为偏振方向互相垂直的偏振光⑹。偏振分光镜的作用是使偏振方向互相垂直的光束分成沿原来传播方向的光束和沿镜面反射方向的光束⑺。3.2光电探测器及处理电路四象限光电池一般由4个扇形的硅光电池组成，也有的是一片整个的硅光电池，正交切开N或P层形成具有公共基底的四象限，如图3(a)所示。四象限探测器中每片硅光电池的转换效率应该一致，它们之间的相对位置也应准确。但实际上，两片光电池的转换效率往往差很远，有的可能20%。因此，所使用的光电池必须精心挑选，使每组的转换效率一致。处理电路一般采用如图3(b)所示的加、减运算电路实现，这时水平方向和垂直方向的输出电压分别为：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分别为光电池4个电极的输出电压。图3(b)中，A1~A6为12 3 4放大器⑻。图3(a图3(a)四象限探测器图3(b)四象限探测器的处理电路4设计说明4.1减小激光器输出光束的漂移采用小功率单模He-Ne激光器，对这种激光器的要求，主要是光束方向的漂移要尽可能小。光束方向漂移的大小取决于组成谐振腔的两块反射镜的稳定性。由于谐振腔反射镜支架的变形、激光器的发热（一般可达60。〜70。）及周围环境温度的变化，引起激光器毛细管弯曲或谐振腔变形，都可能引起光束方向的漂移。普通的He-Ne激光器，光束方向稳定性为10-4〜10-6rad；性能良好的外腔式激光器，技术参数为：光束方向稳定性为2.5x10-7rad，对于1m长的测量光程，其光束漂移量为0.1至数微米。减小激光器输出光束的漂移，可以采用以下几项措施：4.1.1热稳定装置1-He-Ne激光器2-波形管3-绝热材料4-套筒图5激光器热稳定装置示意图热稳定装置如图5所示，在激光器外面放一个波形管，其作用是与激光器外表面保持良好的弹性接触。同时，波形管是用导热性比较好的金属材料做成的，如不锈钢或磷青铜。波形管周围填充着具有相当低的导热系数和相当高的比热容的绝缘材料，如颗粒状的氧化镁。在氧化镁外面是导热较好的材料做成的套筒。两端用绝热材料环将波形管与套筒之间的绝热材料封闭住。整个装置的作用是使激光器沿长度方向的温度梯度减少，同时使装置维持在较低的工作温度上，从而减少变形⑼。4.1.2光束补偿装置图6所示为光束补偿装置。不透明管用来阻挡杂散光和灰尘；角锥棱镜使反射到激光谐振腔平面反射镜上的光束总是平行于布儒斯特窗上的入射光束。同样，在布儒斯特窗上的输出光束总是平行于出射窗的入射光束。因此当有一个扭力使角锥棱镜变动时，它所反射的激光束并不改变原来的路程。而且，凹面腔反射镜和平面腔反射镜的位置靠的很近，实际上具有相同的环境条件，因此两个面的相对运动是很小的。所以，当激光器壳体变形时，输出激光束对原来的位置只产生很小的横向位移和角度偏移。1-激光管2-准直仪主体3-不透明管4-角锥棱镜5-平面腔反射镜6-布儒斯特窗7-出射窗8-凹面腔反射镜图6外腔管的光束补偿装置4.1.3在激光管周围对称地放置自动控温加热器1-激光管2,3,4,5-四组加热器6四象限硅光电池图7温控补偿光束漂移装置若光束漂移，则四象限光电池将光信号输出给自动控温装置，使一组加热器开始工作，以使管壳形成微小变形来校正光点回到硅光电池零位［9］。4.2消除大气扰动的影响激光准直光束在空气中的传播路径作为测量基准直线，如大气的热流、风速、密度变化会引起大气折射率的变化，从而使激光束在传播过程中偏离直线。常用方法有以下几种：在光束传输路程上避免有热源、温度梯度、及气流等的影响。将光束用套管屏蔽，甚至将管子抽成真空。沿着激光束前进的方向以适当流速的空气流喷射，因为空气流将提高空气扰动的频率，可用时间常数比较小的低通滤波器，消除输出信号的交变成分。对频率为50〜60Hz的扰动可采取积分电路消除⑼。5结果讨论本课设的光栅衍射干涉激光准直装置主要利用干涉测量法，实现在较短距离的准直。该激光准直仪的优点是测量精度高；装置构造简单；缺点：该准直仪测量距离较短。在测量过程中由于激光器的发热会造成激光器毛细管弯曲或谐振腔变形引起激光束方向的漂移，此外空气扰动造成的光斑跳动等也会影响测量精度。所以在上面提出了三种减小激光束漂移的方法和四种减小空气扰动的方法。装置中采用四象限光电池暗电流较大，各个单元的转换效率不可能做到一致，使光强的探测不够准确。因此所使用的光电池必须精心挑选，使每组的