第6章 外差检测系统1

1、第第6章章 光外差检测系统光外差检测系统 1、光外差检测、光外差检测 是将待测信号光与本振光同时入射到探测器的光是将待测信号光与本振光同时入射到探测器的光 敏面上，形成光的干涉图样（光混频效应），探测敏面上，形成光的干涉图样（光混频效应），探测 器响应光混频效应而输出光电流，该光电流不仅与器响应光混频效应而输出光电流，该光电流不仅与 光强有关，还与输入光的频率和位相有关。光强有关，还与输入光的频率和位相有关。 2、一般构成、一般构成 3、用途、用途 激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学方面。激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学方面。 4、优点、优点 （1）检测灵敏度高，可获得更多信息）

2、检测灵敏度高，可获得更多信息 （2）可检测单个光子、进行光子计数，作用距离比）可检测单个光子、进行光子计数，作用距离比 直接检测远。直接检测远。 5、缺点、缺点 （1）对光源要求高（要求相干性好的光波）对光源要求高（要求相干性好的光波激光）激光） （2）激光受大气湍流效应影响严重，因而远距离应用受）激光受大气湍流效应影响严重，因而远距离应用受 到限制。到限制。 （3）在光波频率很高时（）在光波频率很高时（1016Hz）每个光子能量很）每个光子能量很 大，光外差检测并不特别适用；在波长较长的情况下，大，光外差检测并不特别适用；在波长较长的情况下， 光外差检测显示了它的优越性。光外差检测显示了它的

3、优越性。 6.1 光外差检测原理光外差检测原理 v利用光波的利用光波的振幅、频率、振幅、频率、 相位相位携带信息，而不是携带信息，而不是 光强。光强。 v两束相干光入射到探测两束相干光入射到探测 器表面进行混频，形成器表面进行混频，形成 相干光场相干光场, ,又称又称相干检相干检 测测。只有。只有激光激光才能进行才能进行 相干检测。相干检测。 v输出信号中包含输出信号中包含 的差频信号的差频信号, ,因此称光因此称光 外差检测外差检测 Ls ff 图图6.1 外差检测原理示意图外差检测原理示意图 信号光束信号光束fs fL 本振本振 光束光束 fs-fL 探测器探测器 放大器放大器 假定入射光

4、信号电场为：假定入射光信号电场为： cos s EtAt 5-15-1 光场平均光功率为：光场平均光功率为： _ 22 2 ss PEtA 表示表示 _ 2 s Et 2 s Et 的时间平均值；的时间平均值； 显然，光波直接检测只能测量到显然，光波直接检测只能测量到振幅值振幅值。 图图6.2 外差检测实验装置示意图外差检测实验装置示意图 CO2激光器激光器 fs fL 线栅线栅 偏振器偏振器 光电光电 检测器检测器 fs-fL 放大器放大器 输出输出 反射镜反射镜 转镜转镜 透镜透镜 反射镜反射镜 用经典理论分析两光束外差后的结果用经典理论分析两光束外差后的结果 信号光场为信号光场为 本征光

5、场为本征光场为 ( )cos() ssss f tAt ( )cos() LLLL f tAt 入射到检测器上的总光场为入射到检测器上的总光场为 ( )cos()cos() sssLLL f tAtAt 由于光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器由于光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器 的光电流为的光电流为 22 ( )( )( )( ) PsL i tftf tf t 上式中：上式中： 余弦平方项在整数周期内的时间平均值为余弦平方项在整数周期内的时间平均值为 ，其和为，其和为 ， 相当于探测器输出的相当于探测器输出的直流分量直流分量； 第三项为第三项为“合频项合频项”，

6、其整数周期内的时间平均值为零；，其整数周期内的时间平均值为零； 第四项为第四项为“差频项差频项”，注意到它的变化速度相对光场的变化要，注意到它的变化速度相对光场的变化要 缓慢得多，可视为常数，当差频缓慢得多，可视为常数，当差频(L-s)/2=c/2 低于光检低于光检 测器的截止频率时，光检测器就有频率为测器的截止频率时，光检测器就有频率为 的光电流输出。的光电流输出。 2 )()(tEtE LS 1 2 22 00 () 2 SL EE 22 ( )( )( )( ) psL i tftf tf t 2222 cos ()cos () sSsLLL AtAt cos()() sLLSsL A

7、At cos()() sLLSLs A At 式中横线表示在几个光频周期上的平均，将上式展开式中横线表示在几个光频周期上的平均，将上式展开 / 2 c 为量子效率； 为量子效率； e h 式中：式中： 为光电变换比例常数，为光电变换比例常数， 为光子能量；为光子能量； h 称为称为差频差频。 cLs 如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以 得到通过以得到通过以c为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电 流为流为 ( )cos()() csLLSLs i tA At 瞬时中频电压为瞬时中频电压为 （6-6） cos

8、()() csLLLSLs VA A Rt（6-7） 式中：式中：RL为负载电阻。中频输出有效信号功率就是为负载电阻。中频输出有效信号功率就是 瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即 2 2() c csLL L Ve PPP R Rhv 式中：式中： 为信号光的平均功率，为信号光的平均功率， 为本征光的平均功率为本征光的平均功率 （6-8） 2 / 2 ss PA 2 / 2 LL PA 当当L=s时，则瞬时中频电流为时，则瞬时中频电流为 ( )cos() csLLs i tA A （6-9） 这是外差检测的一种特殊形式，称为这是外差检测的一种特殊形式，称为

9、零差检测零差检测。 6.2 光外差检测特性光外差检测特性 6.2.1 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振 幅、频率和相位等幅、频率和相位等。 6.2.2光外差检测转换增益高光外差检测转换增益高 由式（由式（6-8）可知，光外差检测中频输出有效信）可知，光外差检测中频输出有效信 号功率为号功率为 直接检测中，检测器输出的电功率为直接检测中，检测器输出的电功率为 两种情况下，都假定负载电阻为两种情况下，都假定负载电阻为RL。同样信号光功。同样信号光功 率率Ps下，两种方法所得到的信号功率比下，两种方法所得到的信号功率比G（转换增（转换增 益）为益）为

10、2 2() csLL e PPP R hv 22 () osL e PP R hv 2 cL os PP G PP （6-10） Ps/W 10-310-410-510-610-710-810-910-1010-11 G110102103104105106107108 表表6-1 PL=0.5mW时时Ps与与G的关系的关系 6.2.3 良好的滤波性能良好的滤波性能 如果取差频信号宽度如果取差频信号宽度 为信息处理为信息处理 器的通频器的通频 带带 即即 ， 那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可 以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理

11、器以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器 滤掉，因此，外差检测系统中不需要加光谱滤光片，滤掉，因此，外差检测系统中不需要加光谱滤光片， 效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好得多。效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好得多。 ()/2 Ls f()/2 LsLs fff 6.2.4 信噪比损失小信噪比损失小 如果入射到检测器上的光场不仅存在信号光波如果入射到检测器上的光场不仅存在信号光波 fs(t),还存在背景光波还存在背景光波fB(t),可由式（可由式（6-6）推理得出检）推理得出检 测器的输出电流为测器的输出电流为 输出信噪比为输出信噪比为 上式表明：外差检测的输入信噪比等于输出信噪比

12、，上式表明：外差检测的输入信噪比等于输出信噪比， 因此输出信噪比没有任何损失因此输出信噪比没有任何损失 2() csBL IPP P 2 2 sL ss nL BL PPIP IPP P （6-12） （6-11） （6-13） 2 2() csLL Pe M hPP R 2 24 nsLBdL e PeMPPPIfRkT f h （6-14） 22 2 () 2 SLL po SLBdLIF ehG P P R SNR e eGPPPIRkTf h 22 2 () () 2 sLL P sBLdL ehM PP R SNR e eMPPPIfRkT f h () s P P SNR hf （

13、6-15） 6.2.5 最小可检测功率最小可检测功率 由式（由式（6-8）可知，内部增益为）可知，内部增益为M的光外差检的光外差检 测器的输出有效信号功率为测器的输出有效信号功率为 外差检测中输出的散粒噪声和热噪声表示为外差检测中输出的散粒噪声和热噪声表示为 二者相除得信噪比为二者相除得信噪比为 当本振功率足够大时当本振功率足够大时,本振光电流噪声远远超过其它噪声本振光电流噪声远远超过其它噪声, 使上式变成使上式变成 这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限， 一般称为光外差检测的一般称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限量子检测极限或量

14、子噪声限。 对于热噪声是主要噪声源的系统来说，可以导出实现对于热噪声是主要噪声源的系统来说，可以导出实现 量子噪声限检测的条件量子噪声限检测的条件 即即 若用最小可检测功率（等效噪声功率）若用最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量表示，在量 子检测极限下，由式（子检测极限下，由式（6-15），求得光外差检测得等效），求得光外差检测得等效 噪声功率噪声功率NEP值为值为 这个值有时又称为这个值有时又称为光外差检测的灵敏度光外差检测的灵敏度，是，是光外差检测光外差检测 的理论极限的理论极限。 2 2 L L e R PfkT f h 2 2 L L kTh P e R hf NEP （6-

15、17） （6-16） s P B P L P 2 z NEPhf w NEPhf 讨论：讨论： (1) 在推导在推导(6-15)和和(6-17)的过程中，对的过程中，对 及及 强弱强弱 均无限制均无限制,仅要求仅要求 足够大。这表明：足够大。这表明： 外差检测既适用于强光信号检测，也适用于弱光信号外差检测既适用于强光信号检测，也适用于弱光信号 检测。检测。 (2) 与直接检测系统信号噪声灵敏限相比与直接检测系统信号噪声灵敏限相比 可知，在中频带宽与直接检测系统噪声带宽相同的情况下，可知，在中频带宽与直接检测系统噪声带宽相同的情况下， 外差检测最小可探测光功率仅为直接检测系统的一半外差检测最小可

16、探测光功率仅为直接检测系统的一半。实。实 际上还远不止于此。际上还远不止于此。外差检测量子灵敏限对系统无任何要外差检测量子灵敏限对系统无任何要 求求；直接检测系统信号灵敏限的导出过程中则将探测器视；直接检测系统信号灵敏限的导出过程中则将探测器视 为理想探测器而忽略了系统所有的噪声，这在真实系统中为理想探测器而忽略了系统所有的噪声，这在真实系统中 是不可能的。因此，是不可能的。因此，直接检测系统的信号灵敏限实际上是直接检测系统的信号灵敏限实际上是 无法实现的无法实现的。 (3) 在实际外差系统中，在实际外差系统中，PL通常在通常在 mW 级，最小可探级，最小可探 测光功率可达测光功率可达10-1

17、910-20W ；直接检测系统最小可探；直接检测系统最小可探 测光功率通常在测光功率通常在10-12W量级。二者灵敏度约差量级。二者灵敏度约差 78 个量级。个量级。 (4)外差检测的信噪比外差检测的信噪比 要求：要求： 在探测器光敏面上信号光和本振光的振幅与相位在探测器光敏面上信号光和本振光的振幅与相位 为恒定值；为恒定值； 信号光与本振光有相同的偏振方向。信号光与本振光有相同的偏振方向。 在一般情形下这两个条件均不能被满足。在一般情形下这两个条件均不能被满足。 6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的要求光外差检测系统对检测器性能的要求 1、响应频带宽、响应频带宽 目标运动速度所决定的目标

18、运动速度所决定的 2、均匀性好、均匀性好 较好的干涉效果所决定的较好的干涉效果所决定的 3、工作温度高、工作温度高 设备受空间限制设备受空间限制 6.3 影响光外差检测灵敏度的因素影响光外差检测灵敏度的因素 v6.3.1光外差检测的空间光外差检测的空间 条件：条件： :两束光的夹角，两束光的夹角，l：检测：检测 器光敏面线度器光敏面线度 波长越短或口径越大，要波长越短或口径越大，要 求相位差角求相位差角越小，越难满越小，越难满 足要求足要求 v设信号光束设信号光束 v本振光束本振光束 信号光与本振光并非平信号光与本振光并非平 行而成一夹角行而成一夹角 () ( ) ss jt ss f tA e () ( ) LL jt LL ftA e l L sin 本振光束到达光敏面时，在不同点本振光束到达光敏面时，在不同点x出有着不同的出有着不同的 波前，就有不同的相位差波前，就有不同的相位差，即，即 于是，本振光波可表示为于是，本振光波可表示为 上述两束光投影到检测器上时，根据检测器的输出上述两束光投影到检测器上时，根据检测器的输出 特性，整个光敏面总