改 10直接探测和相干探测

1、00cos(2)EEvt光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号 220cos2I tEt光的频率：光的频率：10141015Hz 探测器响应频率探测器响应频率1010Hz 00cos(2)EEvt光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号 220cos2I tEt人眼和探测器可以人眼和探测器可以响应平均光功率响应平均光功率220012dIAEE 平方律器件平方律器件00cos(2)EEvt光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号 220cos2I tEt响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光

2、的频率响应光的频率 相干探测相干探测第第1010章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率） 相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数）光电信号变换光电信号变换10.1 10.1 直接探测直接探测10.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理10.1.2直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比Drirect Detection ，又称为非相干探测，又称为非相干探测装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探测平均只能探测平均光功率（光强）光功率（光强）10.1.3直接探测系统的探测极限及趋近方法直接探测

3、系统的探测极限及趋近方法22sdsdssA IA aa1.1.直接探测的基本原理：直接探测的基本原理： ssss( )sin()E tat光波：光波： 光功率：光功率： 2d sssISS a恒定光信号恒定光信号 2d ssseeIahh光功率被调制：光功率被调制： ass1( )ISVtss( )1( )tVt光场包络光场包络的的频率频率1010Hz 调制光信号调制光信号 ass1( )eIVth设光栅的栅距P40m相对移动的速度V =1cm/s半导体激光器,波长 =890nm8914s/3 10 /890 103.37 10cHz 例例1 1 比较光场频率和光强度信号的变化频率光强度信号的

4、变化频率f = ？光场频率 v =? mmm1 cos(2)21 cos(2)21 cos(2 )2PPvtxVt250VvHzP2.直接探测系统的光子信噪比直接探测系统的光子信噪比(光信号输出光信号输出/光噪声输出光噪声输出)经推导得经推导得(江月松江月松P255)，输出电信号信噪比为：，输出电信号信噪比为：22sn2sn/12/PLoutNLI RSNRIR若若s/ n1，则，则sn/ 2outSNR 光电转换后信噪比减半光电转换后信噪比减半结论：直接探测不能改善输入信噪比结论：直接探测不能改善输入信噪比3.直接探测系统的探测极限及趋近方法直接探测系统的探测极限及趋近方法信号光电流、背景光

5、电流和器件暗电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声以光电二极管为例以光电二极管为例 222s22222nSnBnDnT(/)PLoutNLehvI RSNRI Riiii其重要噪声为散粒噪声和热噪声其重要噪声为散粒噪声和热噪声 光电信噪比光电信噪比(光信号输出光信号输出/探测器噪声输出探测器噪声输出)最理想情况，只有最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声信号光电流引起的散粒噪声22sdsout2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisout2SNRhvf2nSS22seieIfeIfh s2outhvfNEPSNR例：例：为为1，f 为为 1H

6、z， 可探测可探测 2hv光学方法光学方法减小探测器面积减小探测器面积，如场镜、光锥、，如场镜、光锥、浸没透镜浸没透镜电学方法电学方法，如滤波、低噪声放大器、弱信号检测方法，如滤波、低噪声放大器、弱信号检测方法 热力学方法热力学方法，制冷降低探测器噪声制冷降低探测器噪声 两个光子能量的探测极限是理想状态，因为：两个光子能量的探测极限是理想状态，因为：实际系统视场不可能是衍射极限的小视场，则背景光实际系统视场不可能是衍射极限的小视场，则背景光电流引起的噪声及器件的噪声不能忽略电流引起的噪声及器件的噪声不能忽略实际器件总有暗电流实际器件总有暗电流, ,则暗电流引起的噪声不能忽略则暗电流引起的噪声不

7、能忽略各种电阻热噪声不能忽略各种电阻热噪声不能忽略探测极限的趋近方法有探测极限的趋近方法有*提高器件内增益（光电倍增管、雪崩管）提高器件内增益（光电倍增管、雪崩管） 光学方法光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜例：红外探测系统第十章第十章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率） 相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数）光电信号变换光电信号变换第第10章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测直接探测：直接探测：（非相干探测）（非相干探测） 相干探测：相干探测： （光学外差探测）（光学外差探测） 装置简单，光源为装置简单，

8、光源为相干光源相干光源或或非相干光非相干光源源，只能探测，只能探测光功率（光强）光功率（光强）。 装置复杂，光源必须为装置复杂，光源必须为相干光源相干光源，间接，间接探测探测光波的振幅、频率和相位光波的振幅、频率和相位等参数。等参数。测量精度比直接探测高测量精度比直接探测高107-108数量级数量级10.2 相干探测相干探测10.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理10.2.3 相干探测的条件相干探测的条件10.2.4 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为又称为光外差探测光外差探测 10.2.2 相干探测的特性相干探测的特性1. 相干探测的基

9、本原理相干探测的基本原理原理框图原理框图 采用平方律采用平方律探测器探测器：（只响应平均功率）（只响应平均功率）高灵敏度、量子效率、高频响应高灵敏度、量子效率、高频响应PMT，PIN-PD，A_PD u光学混频光学混频器：器：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at10141015Hzs G107108 外差探测外差探测直接探测直接探测hssrcos()ISa at 222hsmrr22d

10、sssLsrLsIRSa aaGI RSaa2d sssISS a功率之比功率之比信噪比高信噪比高相干探测：相干探测： 直接探测：直接探测： 系统已经理想化，仅考虑信系统已经理想化，仅考虑信号光引起的散粒噪声限制号光引起的散粒噪声限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探测相干探测信噪比高信噪比高2倍？倍？shhSNRffNEPhh系统未理想化，在本系统未理想化，在本振光足够强时导出振光足够强时导出 10.2.3 10.2.3 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测空间条件相干探测空间条件2 2相干探测频率条件相干探测频率条件3 3相干探测偏振条件相干探测偏振条件满足满足波前匹配条件波前匹

11、配条件： 1 1相干探测空间条件相干探测空间条件探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方向方向各点的相位差各点的相位差不同不同： sssss2sin( )sin()E tatx探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方向方向各点的相位不同各点的相位不同信号光和本振光的波前在光混频器表面上信号光和本振光的波前在光混频器表面上没有相同的位相关系没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小导致混频输出电流信号减小hssrcos()ISa at 探测器表面各点探测器表面各点相位相位相同相同时：时：探测器表面各点探测器表面各点相位相位不同不同时：时：输出信号输出信号最大值最大值输出信号输出信号减小减小ssind可

12、以证明，在不影可以证明，在不影响输出的条件下，响输出的条件下，失配角应满足：失配角应满足： 41失配角：失配角： 例：例：光电探测器光电探测器的尺寸的尺寸d为为lmm，当当s0.63m时时 严格的空间准直要求，使得相干严格的空间准直要求，使得相干探测具有良好的空间滤波性能探测具有良好的空间滤波性能 2 2相干探测频率条件相干探测频率条件v，01010Hz采用高单色性和频率稳定度的激光源采用高单色性和频率稳定度的激光源 两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 专门措施：专门措施： hssrcos()ISa at v 稳定性好稳定性好222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at3 3相干探测偏振条件相干探测偏振条件平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为： “代数和” ？信号光与本振光的偏振方向一致信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器加