六则光子学知识及经验分享!

1
波长如何影响光电二极管的上升时间?


光子入射光电二极管时,如果没有被菲涅尔反射将进入半导体继续传播,然后被吸收或到达末端。吸收一个光子产生一对电荷载流子。耗尽区内产生的载流子几乎瞬间形成光电流,但耗尽区外的载流子需要多一步才能进入耗尽区,所用的时间叫做扩散时间。在下图中,蓝色和红色光子分别在P区和N区产生载流子,这些载流子必须扩散到耗尽区内。



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光波长不同,穿透深度不同



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Si, Ge和InGaAs的吸收系数和穿透深度
光子波长越长,吸收越小,穿透越深




上图展示了各种探测器材料与波长相关的吸收系数和穿透深度。波长越长,吸收系数越小,因此长波光子需要传播更长的平均距离才会被吸收并产生载流子。距离耗尽区越远,上升时间越长。


下面三图分别展示了Si, InGaAs和Ge光电二极管的测量上升时间。以Si为例,波长小于800 nm时曲线斜率几乎平坦,说明如果光子在表面附近被吸收,那么扩散时间可忽略不计。波长大于800 nm后上升时间呈指数增长。由于Si在800 nm的穿透深度为9 µm,这说明从二极管顶部到耗尽区底部的距离小于9 µm。



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2
同一对偏振CP为何有不同的名字?
这对CP当然是指两个正交偏振分量。偏振光入射在某个表面上时,通常分解成垂直分量和平行分量,这两个分量加上光束传播方向两两正交,如下面的动态图所示。平行分量的振荡电场与入射平面平行,垂直分量的振荡电场与入射平面垂直。
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可能由于不同的语言和应用场合,偏振分量有多种不同的标记符号,有时可能让人不好判断哪个是哪个,下表中总结了五组不同的表示方法。


垂直分量

平行分量

s

p

TE

TM

//

σ

π

Sagittal

Tangential

s表示垂直因为它是德语senkrecht的首字母,p为parallel的首字母;TE和TM分别是横电场和横磁场。垂直和平行分量都是相对入射平面(由入射光线和反射光线确定)而言:垂直分量与入射平面垂直,平行分量与入射平面平行。



正入射:由于正入射时无法定义入射平面,所以无法明确定义垂直和平行分量。不过此时所有分量的反射率相同,所以一般不用区分。



3
如何使用斩波器测量光斑?


如果光斑太小或者波长范围不对时,相机和扫描狭缝光束轮廓仪无法准确测量光斑,这种情况可以使用斩波器、光电探测器和示波器近似测量,原理图如下所示。这种方法要求探测器和示波器的组合响应速度远高于信号变化率。 



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斩波器测量光斑的原理图



叶片边缘扫过光束时,示波器上将显示S形追迹曲线,其上升或下降时间与叶片运动方向上的光斑大小成正比。叶片扫描光束如下图所示,假设距离中心为R的某点扫过光束的角度为θ,那么弧长为,约等于这个方向的光斑直径。



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测量实例
光斑相对中心的角度θ = 2πftr,其中f是以Hz为单位的转速,tr是上升时间,因此通过光斑的弧长Rθ = R·2πftr。因此,较小高斯光斑的1/e²直径(D)可用下式计算:

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0.64表示强度从10%到90%的上升时间系数。下面两图分别是强度信号的上升时间曲线和高斯光束的1/e²直径。



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强度信号的上升时间

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高斯光束的1/e²直径



4
使用氦氖激光器需要注意什么?
使用氦氖激光器必须轻拿轻放。绝不能对激光器外壳施加弯折力,因为应力可能偏移或损坏激光腔内的组件,产生不良效果:


  • 降低光束质量

  • 降低输出功率

  • 影响光束指向

  • 引起多模效应

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氦氖激光器构造

1.高反镜 2.气体容器 3.外壳 4.玻璃

5.密封件 6.输出耦合镜 7. 阳极

8.玻璃内孔 9.金属弹簧 10.灌注胶 11.阴极




工厂包装可防止氦氖激光器在运输过程中受到冲击和振动,但是最终用户将直接通过外壳拿取,这更容易使激光器被危险的应力损坏。所以,损坏氦氖激光器的主要原因是收到激光器后不小心的拿取和操作。在极端情况下,冲击和振动可使内部玻璃组件破碎或开裂。


为了维持您氦氖激光器的最佳性能,绝不能强迫用力插入固定装置,使用笼式组件或环形配件固定(比如以下三种方法),小心安装,小心搬运,小心存放。轻拿轻放时,氦氖激光器能够维持很长的使用寿命,并且提供最佳性能。



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5
如何提高压块的夹持力?
下面是两种压块的常见用法。如果螺丝距离被压物体太远可能压得不牢,为了实现最大压力,螺丝应尽可能靠近被压物体
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CL5A压块使用图示

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CL2压块使用图示



根据杠杆原理:
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因此,螺丝距离物体越近,L1越大,作用于被压物体的力F2越大。L1等于L2时,F1和F2都等于总作用力的一半。




注意,压块上表面和它与物体的接触面都必须平行于安装表面,才能获得最大压力。如果不平行,作用力将被分解成与安装表面平行和垂直的两个分力,平行方向的力太大可能使物体滑动。为了适应不同的物体高度,可以像右上图一样使用CL2等压块,通过调节螺丝使压块上表面与台面平行。




6
小垫圈如何实现大用途?
对于标准带帽螺丝,螺丝头只比螺杆略粗。如果直接从通孔中拧紧螺丝,由于力作用在通孔边缘,经常压坏材料。材料永久变形后,螺丝头还可能卡入槽内产生漂移。




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上方是使用垫圈增大受力面积的示意图,以1/4英寸螺丝为例,螺丝头外径约为0.37英寸,而垫圈外径约为0.5英寸,所以加上垫圈可使狭槽的受力面积增加六倍多,压强相应减小六倍多,大大减小使材料变形的风险。



Thorlabs垫圈的两面不同,一面平坦粗糙,一面光滑弯曲。如下图所示,光滑曲面应朝向底座的阳极氧化表面,粗糙平面朝向螺丝头,注意方向不要装反了。


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拧螺丝时会使垫圈紧压底座的阳极氧化表面转动。如果用粗糙平面压住阳极氧化表面,由于摩擦会刮坏阳极氧化铝。如果曲面朝下,光滑面的摩擦小,所以不易刮伤,长久保持原始外观。

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