光电检测技术课件

相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理1相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理1相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理2相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理27.1相干变换与检测原理光的干涉就是利用可能相干的两束和多束光波相叠加，它的合成的光强度随着时间或空间有规律的变化干涉测量的作用就是光波的相位关系或频率状态以及它们随时间变化关系以光强度的空间分布或时间变化的形式检测出来一、光学干涉和干涉测量37.1相干变换与检测原理光的干涉就是利用可能相干的两束和多S1S2P干涉条纹的强度分布

当频率相同的光相干时，干涉条纹不随时间改变，呈现稳定的空间分布；随着相位差的变化，干涉条纹强度的分布表现为有偏置的正弦分布当两束光的频率不同，干涉条纹将以角频率随时间波动，形成外差信号4S1S2P干涉条纹的强度分布当频率相同的光相干时，干涉条

干涉与相位延迟和对比度的关系

条纹光强的直流分量条纹光强的对比度AI5

干涉与相位延迟和对比度的关系

条纹光强的直流分量条纹光强的二、干涉测量中的调制和解调干涉测量实质上是被测信息对光载波的调制和解调的过程调制技术根据所调制的光载波的特征参量不同，可以分为振幅调制、相位调制、频率调制、偏振调制和光波长调制。解调是指能从被调制的光载波中以与被测参量成正比例的光强度信号或电信号形式检测出被测量。6二、干涉测量中的调制和解调干涉测量实质上是被测信息对光载波的干涉仪的等效框图载波器解调器参考光路调制器被测参量单色光源测量光路U07干涉仪的等效框图载波器解调器参考光路调制器被测参量单色光源测迈克尔逊干涉仪

调制器LrLs激光器光学隔离器光电检测器参考镜测量镜8迈克尔逊干涉仪调制器LrLs激光器光学隔离器光电检测器参相干变换与检测方法7.1

相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理9相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理97.2相干信号的相位调制与检测一、相位调制的干涉系统对于均匀介质，光相位的变化为引起光程发生变化的参量有：几何距离、位移、角度、速度、温度引起的热膨胀等引起折射率发生变化的参量有：介质成分、密度、环境温度、介质周围电场、磁场等当相干光束的频率相同时，若被测量变化使相干光波的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相位的变化转变为振幅的变化——单频光波相位调制。相位调制的干涉仪有：迈克尔逊干涉仪、吉曼干涉仪、马赫-泽德干涉仪、萨古纳克干涉仪和法布里-珀罗干涉仪107.2相干信号的相位调制与检测一、相位调制的干涉系统引起典型光学干涉仪激光器固定镜分束镜2分束镜1测量镜检测器马赫-泽德干涉仪激光器测量镜传感器固定镜d检测器法布里-珀罗干涉仪n输出分束镜有两束干涉光输出；回馈到激光器的散射光较少；可移动测量镜引入被测位移。平面镜之间相对位移；平面镜内介质折射率11典型光学干涉仪激光器固定镜分束镜2分束镜1测量镜检测器马赫-二、干涉条纹的测量方法

条纹光强检测法在干涉场中确定的位置上用光电元件直接测量干涉条纹的光强度变化激光器光电检测器参考镜测量镜I1I2单频光相干时，合成信号的瞬时光强为用

的平均值等效该积分值12二、干涉条纹的测量方法条纹光强检测法激光器光电检测器参考镜条纹光强检测法1.光的单色性对相干度的影响2.光源的光束发散角的影响式中，比例因子Γ称为两光束的相干度；Γ越大，光强随相位的变化越明显；Γ=0时，合成光强只有直流成分，与相位无关13条纹光强检测法1.光的单色性对相干度的影响式中，比例因子Γ称光电检测器把光信号转变为电信号。光电信号的质量不仅取决于干涉条纹的相干度，而且取决于接收器光阑和条纹宽度D之间的比例关系。在任一位置x=x0处，光电检测器的输出Is0为光电接收器的接收孔径光阑与条纹宽度的关系x条纹光强检测法lhβ称作光电转换混频效率；14光电检测器把光信号转变为电信号。光电信号的质量不仅取决于干涉当l/D→0,β=1时光电信号交变分量幅度最大;当l=D,β=0时；光电信号只有直流分量。为了增大β，可以通过减少l值或者加大条纹宽度D的方法。条纹光强检测法15当l/D→0,β=1时光电信号交变分量幅度最大;为了增大β二次相位调制与干涉图分析波面相位调制迈克尔逊干涉仪、米勒干涉仪、斐索干涉仪将光束扩束成平面波照射到被测物体上，干涉场是一组二维干涉图；通过对干涉图的分析，可以获得折射率分布和物体变形量。16二次相位调制与干涉图分析波面相位调制将光束扩束成平面波照射二次相位调制与干涉图分析阶梯波扫描干涉法

使用压电陶瓷驱动装置将参考光束的相位进行调制将参考光束的相位进行人为随时间进行调制，使干涉图上各点处的光学相位变换为相应点时序信号的相位。17二次相位调制与干涉图分析阶梯波扫描干涉法

使用压电看成φr的函数，可以表示直流分量和基波分量的傅里叶级数形式阶梯波扫描干涉法

考虑一维情况，干涉面上任意一点x的光强可表示为令φr在2π周期内每次改变1/n周期，共采样p个周期，即18看成φr的函数，可以表示直流分量和基波分量的傅里叶级数形式阶阶梯波扫描干涉法

令φrj对应的干涉强度为则各系数表示为：上式是干涉场亮度变化周期函数的最佳拟合，则被测物体表面相位信息为19阶梯波扫描干涉法

令φrj对应的干涉强度为则各系数表示为：上相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理20相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理207.3相干光外差检测原理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。217.3相干光外差检测原理该方法将包含有被测信息的相干光调制一、光学外差检测原理设入射信号光波的振幅和参考光波的振幅分别为由光电探测器的平方律特性，输出光电流为22一、光学外差检测原理设入射信号光波的振幅和参考光波的振幅分别使只有频差信号处于探测器的通频带范围内，则倍频信号及和频项不能被光电器件接受

探测器的输出：

其中为双频光波的相位差，上式为光学外差信号表达式。保持本征信号不变的情况下，外差信号的振幅、频率和相位可以表征信号光波的特征参量，也就是外差信号能够无畸变复制调制信号的特征。混频后的频谱23使只有频差信号处于探测器的通频带范围内，则倍频信号及和频项不以调幅信号为例设信号光振幅as受调制信号F(t)的调制，即将其代入到外差信号表达式中，得到从中可以看到，信号光波振幅上所载荷的调制信号的双边带转换到外差信号上。24以调幅信号为例设信号光振幅as受调制信号F(t)的调制，即从零差信号若使本征光频率和信号光频率相同，则零差探测的信号表达式如下：同样，如果调幅信号光，则零差信号表明零差信号也可以无畸变获得信号的原形，只包含了本征光振幅的影响25零差信号若使本征光频率和信号光频率相同，则零差探测的信号表达光外差检测的特点探测能力强：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26光外差检测的特点探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化

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。光外差检测的特点27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信噪比高光外差检测的特点外差探测可以检测到更小的入射功率，有利于弱光信号的检测。28信噪比高光外差检测的特点外差探测可以检测到更小的入射功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。29滤波性能好29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d30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其中31入射到光混频器表面的总光场为31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θ与信号光波长λs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32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33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33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34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，这样二、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35二、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1.运动参量的频率调制利用多普勒效应------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。r0f0vrsfs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。361.运动参量的频率调制利用多普勒效应------运动物体能多普勒频率调制方式参考光束方式检测器v激光器M2M1M3L经过反射镜M2的光束作为参考光束；透过半反射镜M1的光束被颗粒散射37多普勒频率调制方式参考光束方式检测器v激光器M2M1M3L经多普勒频率调制方式对称互差方式v激光器M1M2L2L0L1探测器两束对称的散射光载荷两个对称方向的多普勒频移信号，在光电探测器形成外差信号。38多普勒频率调制方式对称互差方式v激光器M1M2L2L0L1探2.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塞曼效应旋转波片激光频移采用声光效应激光频移声波2θλs392.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一3.直接光频调制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403.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调制器LrLs激光器光学隔离器光电检测器参考镜测量镜基于迈克尔逊干涉仪的直接频率光干涉测量41调制器LrLs激光器光学隔离器光电检测器参考镜测量镜基于迈光程差为，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42光程差为，则两束光波的相位差为干涉信号的强度会随三、外差信号的检测光载波光调制外差检测测频测相调频外差信号检测示意图43三、外差信号的检测光载波光调制外差测频测相调频外差信号检测示（一）零差检测多普勒信号接收