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基于矩形探测器的CO_2激光外差探测特性研究

作　者: 张怀勇
导　师: 李琦
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光外差探测外差效率矩形探测器光学设计外差实验
分类号: TN247
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

激光外差探测是目前公认的量子限探测技术,其可探测功率在10-11W量级,比直接探测高几个数量级。外差探测具有高的接收灵敏度和速度分辨率,其良好的探测微弱信号的能力,使其研究应用越来越广泛。外差效率是评价外差探测系统性能的重要参数之一。如何提高外差探测系统的外差效率,即提高外差探测信噪比,一直是人们研究和关注的重点。外差效率与信号光和本振光在探测器光敏面上的场分布直接相关。光束的振幅分布、位相差及偏振态等都会影响到外差效率。只有当振幅、位相及偏振态等都严格匹配时,才可以获得较高的外差效率探测器形状、尺寸以及性能也是影响外差效率的一个重要因素。已有的光外差探测器光敏面多为圆形或正方形,关于光敏面为矩形的探测器的研究报道很少。因此,本论文结合实验室现有的矩形探测器,对采用该探测器时系统的外差特性进行初步研究。本论文根据外差效率的基本理论,以信噪比公式为基础,归纳总结了外差效率公式的推导过程,并在理论上对采用圆形探测器与矩形探测器的系统的外差效率进行比较分析。简要分析了信号光光轴偏移及倾斜效应对外差探测的影响。应用Matlab软件,对探测器光敏面上信号光与本振光均为艾里分布情况时,系统的外差效率进行数值仿真研究。分析了信号光光轴偏移量、矩形探测器长宽比、信号光光轴倾斜角度等对矩形探测器外差效率的影响。对不同的信号光斑尺寸当信号光光轴偏移及倾斜存在时,圆形探测器与矩形探测器外差效率进行比较分析。对信号光为艾里分布、本振光为高斯分布情况时,系统的外差效率进行数值仿真研究。分别讨论了高斯光束束腰和成像物镜F数、信号光光轴偏移量、矩形探测器长宽比及信号光光轴倾斜角度对外差效率的影响。当信号光光轴偏移及倾斜存在时,对采用圆形探测器和矩形探测器的系统的外差效率进行比较分析。根据仿真结果及实验室现有条件,利用ZEMAX软件设计外差实验中所需的本振扩束系统和成像物镜系统。根据光学系统综合误差曲线、波面差曲线、场曲和畸变曲线、点阵图及MTF曲线,对设计结果进行简单像差分析。利用实验室现有的矩形探测器和圆形探测器,对信号光轴偏移情况下的外差特性进行初步实验研究,并对实验结果进行分析与讨论。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外发展状况  10-14
    1.2.1 国外研究进展状况  10-13
    1.2.2 国内研究进展状况  13-14
  1.3 论文主要研究内容  14-16
第2章外差探测理论及分析  16-29
  2.1 外差探测基本理论  16-18
  2.2 信号光光轴偏移和倾斜效应  18-21
    2.2.1 扫描接收角度滞后效应  18-20
    2.2.2 信号光光轴倾斜效应  20-21
  2.3 外差探测信噪比分析  21-22
  2.4 外差效率公式  22-24
  2.5 矩形探测器外差效率公式分析  24-28
  2.6 本章小结  28-29
第3章外差效率数值仿真研究  29-47
  3.1 艾里本振光与艾里信号光混频  29-37
    3.1.1 信号光光轴偏移时的外差效率  30-35
    3.1.2 信号光光轴倾斜时的外差效率  35-37
  3.2 高斯本振光与艾里信号光混频  37-45
    3.2.1 信号光光轴偏移时的外差效率  39-42
    3.2.2 信号光光轴倾斜时的外差效率  42-45
  3.3 本章小结  45-47
第4章外差探测光路设计与实验研究  47-67
  4.1 外差光路系统设计  47-56
    4.1.1 光学系统设计简介  47-48
    4.1.2 确定待设计系统  48-49
    4.1.3 本振扩束系统设计  49-53
    4.1.4 成像物镜系统设计  53-55
    4.1.5 像差分析  55-56
  4.2 外差探测实验  56-66
    4.2.1 实验原理及装置  56-58
    4.2.2 存在的问题及分析  58-59
    4.2.3 实验结果及分析  59-66
  4.3 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  72-74
致谢  74

基于矩形探测器的CO_2激光外差探测特性研究

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