强激光辐照光学元件的光热效应探测系统的研究中期报告.doc

中 北 大 学 毕业论文中期报告 学 生 姓 名： 学 号： 学 院、系： 信息与通信工程学院、光电工程系 专 业： 光电信息工程 论 文 题 目： 强激光辐照光学元件的光热效应探测系统的研究 指导教师: 2014年5月5日 毕业设计中期报告 学校 中北大学 专业 光电信息工程 学生姓名 班级 学号 论文题目 强激光辐照光学元件的光热效应探测系统的研究 本人在该设计中具体 应完成的工作 1）了解光学元件在强激光辐照下的光热效应特性； 2）光热效应的探测方法； 3）光热效应探测系统方案与各部分功能的实现； 4）系统的性能分析与研究。 1、简述毕业论文开始以来所做的具体工作和取得的进展（要详细内容） 1）了解光热效应特性和探测装置的基本原理： 光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性变化。样品吸收光强调制的激光能量后在其体内产生热波, 进而引起一系列光热效应, 如折射率变化、反射率变化、样品表面形变、热辐射等。 若待检测样品是半导体, 且泵浦光的光子能量大于半导体禁带宽度, 则半导体吸收泵浦光后除了产生热波, 还会使过剩 载流子 浓度产生变化, 这也会引起一系列效应, 如折射率变化、自由载流子吸收、光生载流子辐射等。光热检测方法就是利用样品中产生的各种效应来测量样品的光学或者电学特性。 查阅相关资料学习光热偏转的检测方法： 光热光偏转技术是一种基于光热效应建立和发展起来的无损检测技术，因其具有灵敏度高、无需对样品进行预处理、可实时检测等优点，已在物理、材料科学等领域获得了广泛的应用。 当一束光强经过调制的光(称为激励光)照射到样品表面时，其光能被样品吸收，部分或全部转变为热能，并在样品内及相邻媒质中产生温度梯度。由于物质的折射率是温度的函数，结果在样品的加热区内以及与样品相邻的媒质薄层内形成折射率梯度，这时若让一束小功率激光(称为探测光)穿过样品内具有折射率梯度的区域(当样品为透明)，或掠射样品表面通过相邻媒质中具有折射率梯度的薄层时，光束将发生偏转，这一现象称为“厦景”(Mirage)效应[’}。通过对光束偏转角大小的测量，就可以对样品的特性(光、热、力学等特性以及几何参数等)进行研究，这种利用“唇景”效应进行检测的技术就称为光热光偏转技术(Photo-thermal Deflection Technique, PTD)。图1.2为光热光偏转实验装置。 图1.2光热光偏转实验的探测装置 3）实验系统的组成： A.光路部分 实验系统的光路部分由激励光源和探测光源组成，其中激励光源是大功率半导体激光器。激光器发出强激光经透镜系统，聚焦在样品上，使样品温度升高，从而在样品周围形成折射率梯度分布。探测激光发出光源，经透镜聚焦入射有折射率梯度分布的样品上。 B．接收部分 本实验中是用位置探测器(象限探测器)来接收信号，它是由若干个光敏元件(光 电二极管)所组成的电路，用于检测光束偏转的探测器。如果探测器有四个光电二极管 组成，叫做四象限探测器，如果是有二个光电二极管组成，则叫做二象限光电探测器。 还有四象限探测器能改装成二象限探测器使用，就是把四象限探测器中的每两个光电二 极管串联起来，组成差分电路。 象限探测器的输出信号需经锁相放大器处理。锁相放大器主要是用来检测信噪比很低的微弱的交流信号(信号甚至一可以小至数个nV )。它具有很高的检测灵敏度，即使当被测信号被数千倍于它的噪声掩盖时，仍然可以准确地将其检测出来。这是因为锁相放大器中有相敏检波器(PSD, phase sensitive detector)，能够提取出电路中特定频率和相位的信号，过滤掉噪声信号。锁相放大器卞要是由参考通道、信号通道、相关器二个部分组成，其中由积分器和乘法器构成的相关器是最重要的部分。 锁相放大器在进行测量时，需要一个与被测信号同频和同相的参考信号为基准，它只会对被测信号木身和噪声中与参考信号有相同频率(或是倍频)和相同相位的分量有响应，再将信号通过低通滤波器过滤掉低频部分，使有用信号通过系而去掉噪声干扰。最后把锁相放大器输出的信号输入到计算机中进行处理和运算。如锁相放大器的参考信号为： 输入信号为：将两信号相乘得： = 再通过低通滤波器，过滤掉交流。若f1=f2则输出：而一般即它是一个直流信号与振幅成正比。 2、目前存在问题，下一步的主要研究任务，具体设想与安排（要