PSD安装倾斜误差对光斑定位的影响

　　0　引言

　　PSD(Position Sensitive Detector)是一种基于横向光电效应的光电位置敏感器件[1],与象限探测器及CCD不同,它只有一个完整的光敏面,能够直接探测到入射光斑的能量重心位置,因而具有很高的灵敏度和良好的瞬态响应特性,备受工程界的青睐。

　　自从1930年Schottky第一次发现了横向光电效应以来,许多科学工作者对这种效应及其应用潜力作了深入的探讨。然而,无论是在理论基础还是实际工程应用中,关于PSD的研究均是基于“入射光能量分布均匀,且为恒值”这个前提条件[2-3],认为光斑能量中心和几何中心重合。但是在实际应用中,这一前提条件并不能满足。因为激光器的输出为高斯光束,在高斯光束的横平面上,光斑的能量是沿径向呈高斯分布[4],因此能量中心即为光斑的中心(光斑呈圆形)。若不是在高斯光束的横平面上,即平面与传播轴的夹角不是90°,则此时在该平面上高斯光束形成的光斑为椭圆形,该椭圆光斑的能量中心与椭圆的几何中心不是同一个中心,只有在平面经过高斯光束的光腰中心的时候,这两个中心才一致。在实际测量中往往就把椭圆的几何中心作为椭圆光斑的能量中心。这必然会给PSD的光斑定位引入误差。文献[5-6]中也有报道关于能量分布对测量的影响,简单分析或从实验中得到一些结论,但是都没有针对光斑能量高斯分布做过详细讨论。因此,光斑能量高斯分布对PSD定位到底产生多大的影响,这需要进行深入研究。针对此问题,本文建立了入射光能量为高斯分布时PSD安装误差对光斑定位引起的畸变误差数学模型,并进行仿真研究。

　　1　高斯光束在介质中的传输特性

　　高斯光束在介质中传播方式可以分为三种,它们各自具有以下传输特性:

　　(1)高斯光束在均匀介质中的传播[4]根据光学理论,高斯光束在均匀介质中传播时,沿传播方向的光斑直径呈双曲线变化。在高斯光束的横平面上,光斑的能量是沿径向呈高斯分布的。

　　(2)薄透镜对高斯光束的变换当高斯光束穿过薄透镜时,理论研究[4]表明,出射光线仍是高斯光束,只不过表征高斯光束的参量发生了改变。

　　(3)离轴高斯光束经一阶光学系统的变换离轴高斯光束经一阶光学系统的变换后,成为偏心高斯光束[7]。

　　通过上述三种传播方式分析,可以得出结论:不论采用那一种光束传播方式,经过光学系统变换后,出射光束在传播方向上还是属于高斯光束。因此,为了建模和仿真方便起见,不失一般性,我们认为出射光束是理想高斯光束,即高斯光束中心光线和光学系统光轴重合。分析由于PSD安装位置倾斜,导致PSD光敏面上光斑能量分布改变,对光斑定位的影响。