光电检测直接外差探测.ppt

直接检测与外差检测 光 2 光 1 光 1 2 光电检测方法 直接探测与外差探测系统 光信号接收器 带通滤波器 光电探测器 放大器 低通滤波器 直接探测系统 光 光 光 电 电 光信号接收器 带通滤波器 光电探测器 低通滤波器 光 1 光 1 电 电 放大器 本征激光器 外差探测系统 直接检测 光电探测器的基本功能是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流光电流是光电探测器对入射光功率的响应 如果传递的信息表现为光功率的变化 利用光电探测器的直接光电转换功能就能实现信息的直接解调 光电探测器的平方律特性 假定入射光的电场为是等幅正弦变化光电探测器的光电转换定律若探测器的负载电阻为RL 那么光电探测器的输出功率 电输出功率正比于入射光功率的平方 光电流正比于光电场振幅的平方 信噪比 设入射光电探测器的信号功率为si 噪声功率为ni 光电探测器的输出电功率为so 输出噪声功率为no 则总的输入功率为si ni 总的输出功率为so no由光电探测器的平方律特性信号和噪声的独立性 有 根据信噪比的定义 输出信噪比为 若 si ni 1 则有输出信噪比等于输入信噪比之半 光电转换后的信躁比损失不大 适宜于强光探测 直接探测 提高输入信噪比的光学方法 光谱滤波 基于目标辐射的波长与背景辐射波长之间的差别 利用光谱滤波法消除背景辐射的干扰减小探测器的面积场镜 在调制盘及探测器之间插入一个透镜 它能把视场边缘的光线折向光轴 使得焦平面上每一点发出的光线都充满探测器 光锥 起到减小探测器面积的作用 外差检测 该方法将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波 在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行混频 探测器输出的是频率为两光波光频差的拍频信号该信号包含有调制信号的振幅 频率和相位 通过检测拍频信号最终调制出被传送的信号利用光的干涉原理 fS fL 设入射到探测器上的信号光场为 本机振荡光场为 入射到探测器上的总光场为 基本原理 量子效率 光子能量 差频 式中第一 二项为余弦函数平方的平均值 等于1 2 第三项 和频项 是余弦函数的平均值为零 而第四项 差频项 相对光频而言 频率要低得多 当差频低于光探测器的截止频率时 光探测器就有频率为的光电流输出 光探测器输出的光电流 混频后的频谱 两束光频率必须足够接近 差频信号才能处于探测器的通频带范围内 探测能力强 光波的振幅 相位及频率的变化都会引起光电探测器的输出 因此外差探测不仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号 而且可以检测出相位和频率调制的光信号转换增益高 外差探测时经过光电接收器输出的电流幅值为 外差检测与直接检测的性能比较 同样信号光功率下 光外差探测和直接探测得到的信号功率比为G为转换增益相干探测中本征光的功率P0远大于接收到的信号光功率PS 通常是高几个数量级 因此G可高达107 108数量级 滤波性能好形成外差信号 要求信号光和本征信号空间严格对准 而背景光入射方向是杂乱无章的 偏振方向也不确定 不能满足外差空间调准要求 不能形成有效的外差信号 因此该方法可以滤掉背景光同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外差信号的频谱范围 这样杂散光形成的拍频信号也可以被滤掉 差频信号是由具有恒定频率 近于单频 和恒定相位的相干光混频得到的 只有激光才能实现外差探测 信噪比损失小检测灵敏度高例如 量子效率为 f为 Hz 则外差检测的灵敏度极限为 个光子 系统对探测器性能的要求 光外差检测对探测器的要求比直接检测高响应频带宽均匀性好工作温度高 外差检测的条件 相位条件 假设信号光和本征光是平面波 两者之间夹角 并假定光探测器的光敏平面是边长为d的正方形 假定本征光垂直入射 x 信号光与本征光波前有一失配角 信号为 入射到光混频器表面的总光场为则光混频器输出的瞬时光电流为由于因此瞬时中频电流的大小与失配角有关 实际中失配角很难调整到零 为了尽可能大的中频输出 希望因子尽可能接近于1 为了满足这一条件 即失配角 与信号光波长 s成正比 与光混频器的尺寸d成反比波长越长 光电探测器的尺寸越小 则容许的失配角就越大 波长越短 空间准直要求也越苛刻 瞬时中频电流达到最大值 光外差探测的偏振条件 要求信号光与本征光的偏振方向一致 这样两束光才能按照光束叠加规律进行合成通常光电器件前放置偏振片 外差检测的频率条件 两者具有高度的单色性和频率稳定度如果信号光和本征光的频率相对漂移很大 两者频率之差就可能大大超过中频滤波器的带宽通常两束光取自同一激光器 通过频率偏移取得本征光 信号光通过调制得到 外差法的调频方法 为了形成外差检测的光频差 采用频率调制方法运动参量调频 固定频移直接调频法 运动参量的频率调制 对运动参量进行检测时 被测运动参量直接对参考光波的频率进行调制 形成与参考光有一定频差的信号光 这种频率调制方法称为参量调频法 光学多普勒效应和运动差频 利用多普勒效应 运动物体能改变入射到其上的光波的频率 即频率为f0的单色光入射到速度为v的运动物体上 被物体散射的光波频率fs会产生多普勒频移 它散射的方向有关 r0f0 v rsfs 多普勒测速基本公式 固定频移的频率调制 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的频率偏移采用声光效应激光频移 声光器件中以频率为f的超声波交变信号激励换能器 在透明介质内形成折射率的周期变化 若满足布拉格衍射的条件 将会产生一级衍射光 一级衍射光与零级衍射光频率产生频移 可分别作为参考光和信号光 直接光频调制 利用可进行频率调制的激光器产生随时间变化的调频参考光束的频率调制方法半导体激光器的直接频率调制半导体激光器LD具有良好的工作特性 当注入电流改变时 激光器的振荡频率能直接变化 直接频率光干涉测量 迈克尔逊干涉仪 光程差为 则两束光波的相位差为注入电流改变 光频改变为 则两相干光的附加相位偏移为光电探测器输出的光电流为 干涉信号的强度会随时间改变 外差信号的检测 光载波 光调制 外差检测 测频测相 外差信号检测示意图 双频激光干涉仪 M3 激光器 光学隔离器 光电检测器 参考镜 测量镜 M4 M2 M1 F1 F2 典型的光电检测系统 直接检测系统 光强调制 莫尔条纹测长仪激光测距仪激光准直环境污染检测系统光外差检测系统激光干涉测长仪 相位调制 多普勒测速 频率调制 光外差通信 莫尔条纹测长仪 莫尔条纹的原理将两块光栅 节距分别为P1和P2 叠加在一起 并且两者的栅线成很小的角度 透过光栅能看到如图所示的明暗相间的莫尔条纹 这就是莫尔条纹的光强调制作用 长光栅莫尔条纹的形式横向条纹 P1 P2 很小 纵向条纹 P1 P2 0 斜条纹 P1 P2 很小 莫尔条纹演示 纵向条纹 横向条纹 莫尔条纹的形成 莫尔条纹的特性 光栅的节距比光的波长大很多 莫尔条纹的宽度B mm 光栅的节距P mm 和夹角 rad 之间的关系为 当两光栅沿垂直于栅线的方向相对移动时 莫尔条纹将沿平行于栅线的方向移动 光栅每移动一个节距 莫尔条纹移动一个宽度 因为 很小 放大倍数 很大 例如 20 K 172 斜向条纹 莫尔条纹测长仪 两块光栅 一块为指示光栅与工作台固定 一块为长光栅 工作台前后移动的距离由两块光栅形成的莫尔条纹进行计数得到 指示光栅相对移动一个节距 莫尔条纹变化一周 指示光栅移动的距离为 指示光栅移动距离中包含的光栅线对数 小于 个光栅节距的小数 简单光栅读数头 灯 聚光镜 指示光栅 长光栅 光电探测器 莫尔条纹测长仪 光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号 通过对莫尔条纹的直接测量 可以测的光栅的位移量 在较宽的莫尔条纹间隔内安放细分装置进行细分 可读取位移的分数 提高测量的灵敏度和精度 光栅输出信号波形 莫尔条纹测长仪的应用 工业自动化中的核心测控部件小型智能化的长度测试仪器 用于对长度 直径 厚度 表面形状 粗糙度等多种参数的测量 新一代的计量测试工具某些几何量计量检测仪器的核心转换系统某些物理量的计量检测仪器的核心转换系统纳米级测量的重要仪器非接触在线测量控制仪器 激光多普勒测速 频率调制 运动物体的反射或散射光发生多普勒频移而改变光的频率 光外差检测 可见光的频率很高 Hz 一般光电器件不能响应 也就无法直接检测多普勒频移 因此 需要光外差的方法 同一光源的两束相干光以一定的条件投射到光电探测器表面进行混频 就能在输出的电信号中得到两束光的差频 激光多普勒测速的原理 激光束经分光镜分成两束 一束经透镜会聚测点 被该处正以速度V运动的微粒向四面八方散射 散射光发生了频移 频率为 另一束经滤光片衰减后也由透镜会聚于测点 有一部分穿越测点作为参考光束 频率为 进入光阑由透镜会聚到光电倍增管的光电阴极上的有两束频率相近的光 发生干涉 参考光模式 设 两光束的夹角为 光波波长为 则干涉条纹的间距为 干涉条纹的空间频率为 若粒子运动的速度为 运动的方向与条纹垂线的夹角为 则粒子