光外差探测系统

1、光外差探测系统第1页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一6.1 光外差探测原理 光波f（t）写成:平均光功率Pcp为: 第2页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一外差探测原理fS为信号光波，fL为本机振荡（本振）光波 第3页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一外差探测的实验装置第4页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一信号光场为:本机振荡光场为: 干涉光场为： 第5页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一光探测器的光电流为：光电变换比例常数； ：量子效率 ；：光子能量； 称为差频 第6页，共48页，2022

2、年，5月20日，3点45分，星期一当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为c/2的光电流输出。 带通滤波器的瞬时中频电流为：瞬时中频信号电压为： 中频输出有效信号功率： 其中第7页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一当1= 2时称为零差探测。检测时，检测的是差频信号，它包含了信号的振幅和相位。当使用具有稳定频率和相位差的光源（相干光源）时，即可得到稳定的差频输出。第8页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一光外差检测原理光外差检测特性影响光外差检测灵敏度的因素光外差检测系统举例第9页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一1、转换增益转

3、换增益定义为：6.2 光外差探测特性 光外差检测中频输出有效信号功率为 直接检测探测器输出的电功率为 所以有：第10页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一2、光谱滤波性能取差频信号宽度为信息处理器的通频带 外差检测系统相当于一个低通滤波器，可以有效的抑制噪声。例如，目标沿光束方向的运动速度v015ms，对于10.6m的CO2激光，经目标反射后回波的多卜勒频率fS为 第11页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一频差为：若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽若为10，所对应的带宽f2为第12页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一带宽之比为：3、外差

4、检测信噪比设存在背景光波fB(t)，其功率为PB。则探测器的输出电流为：输出信噪比为第13页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一4、最小可探测功率内部增益为G的光外差探测器的输出有效信号功率为:光导探测器G01000；对于光伏探测器G1；对于光电倍增管G在106以上。 噪声: 第14页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一功率信噪比为:当本征功率PL足够大时 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。 第15页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一当热噪声是主要噪声源时，量子噪声限探测的条件为：即最小可探测功率 当=1，f=1时 单光子计数第16页

5、，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一5、光外差探测系统对探测器性能的要求系统性能主要取决于探测器的性能。1响应频带宽被测两动态范围宽，使得要求探测器的响应范围也相当宽。2均匀性好探测器的光电性能在整个光敏面上都能保持一致。 3工作温度高实用性考虑。第17页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一光外差检测原理光外差检测特性影响光外差检测灵敏度的因素光外差检测系统举例第18页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一1、空间相位条件（空间调准）由于信号光束与本振光束方向不严格一致导致。6.3 影响光外差检测灵敏度的因素第19页，共48页，2022年，5

6、月20日，3点45分，星期一信号光束：本振光束： 本振光束随x分布的相位差：其中 且射率n=1 第20页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一本振光波：x点的响应电流为：光敏面总响应电流为： Ad为探测器的面积，l为x方向的长度。 第21页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一当时，中频电流i最大 即 外差探测的空间相位条件：或 又或 有： 第22页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一要形成强的差频信号，对信号光束和本振光束的空间准直要求很严格。如此以来，使得背景光噪声被滤掉。外差探测在具有很好的空间滤波性能。同时，也增加了系统测量的难度。解决

7、办法：采用聚焦透镜降低空间准直要求。第23页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一起。失配角可由系统的视场角来决定。f是透镜的焦距，Dp是探测器光敏面直径 有效孔径为Deff为：第24页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一衍射线光斑直径Dd为：故解得：第25页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一2、多模外差接收实际光源是多模激光，将使光外差探测的信噪比下降。1）只考虑本振光为多模假设信号光波为单模，其光波场函数为fs(t)=Ascost； 本振光波场为多模，设共有个ML模，且各模的振幅相等为AL,

8、能量（功率）均匀地分布在ML个模内。对信号场有贡献的只有第j个模而所有模对噪声都有贡献因此，信噪比为单模外差信噪比的1/ML倍。 第26页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一2）信号光和本振光通为多模信号光有MS个模；本振光有ML个模且能量均分。若ML MS在ML MS,时，本振模带来的噪声大，信噪比下降。第27页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一当ML =MS时，SNRp最大3、大气湍流对外差探测的影响大气湍流是一种随机现象，即反映在空间变量上，又反映在时间变量上。表现为空间各点的光波相位随机变化，因而使相干面积大大减小，破坏空间相位条件，使外差接收功率

9、降低，信噪比下降。第28页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一4、频率条件频率条件主要表现为单色性。光外差探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。光的单色性就越好，干涉信号越强。若信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，则光混频器之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地加以放大。需采用频措施。F-P腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等第29页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一1、干涉测量技术应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉测量技术。干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号接收系统和信号处理系统组成。优点：测量精度高

10、（以波长为单位） 6.4 光外差探测系统举例第30页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量的信息。干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。可进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学材料内部缺陷等几何量和物理量的测量。 第31页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一1） 激光干涉测长的基本原理系统组成：(a)激光光源(b)干涉系统(c)光电显微镜(d)干涉信号处理部分位移 第32页，共48页，20

11、22年，5月20日，3点45分，星期一2）激光干涉测长仪的光路设置1.激光器 2.透镜 3.小孔光阑 4.透镜 5.反射镜 6.反射棱镜 7.位相板8.角锥反射棱镜9分束镜10.角锥反射棱镜 11.透镜 12. 光阑 13.光电探测器 14. 透镜 15.光阑 16.光电探测器第33页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一干涉光路的设置第34页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一3）干涉信号的方向判别与计数误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数，测量结果是正反移动的总和。解决方法：判别计数。当测量镜正向移动时所产

12、生的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲 。第35页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一判向计数：正向移动：第36页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一正向：1324同理可得反向：1423位移长度为： 第37页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一2、光外差通信 光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，光发射系统及接收系统两大部分组成。发射系统：第38页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一稳频原理:发射波长增加，光通量亦增，输出电压增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率提高，波长减短；反之，则波长加长 滤光片的滤光曲线 第39页，共4

13、8页，2022年，5月20日，3点45分，星期一接收系统:第40页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一3、多卜勒测速1）多卜勒测速原理 He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦点处光强分布为高斯分布。第41页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一焦点处干涉场条纹分布：干涉条纹间距为： 第42页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一干涉条纹的空间频率为：当散射粒子以速度v，与条纹垂线夹角为方向通过时，则颗粒散射的光强频率为：第43页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一2）输出波形分析一个粒子流过，且粒子直径比干涉条纹宽度小很多时 若粒子直径比干涉条纹宽度大时 一个粒子的随机信号 10个粒子的随机信号 第44页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一3) 速度信号的获取两种测流速方法：一频谱分析法、频率跟踪法。频谱分析法 第45页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一光电倍增管输出信号经滤波后为：本地振荡器产生的振荡信号为： 外差振荡信号： 差频信号分量为： 第46页，共48页，2022年，5月20日，3点45分，星期一对中频放大器, 当差频信号的频率fL-fs等于f