光電檢測技術(shù)第八章

1、 v掌握內(nèi)容掌握內(nèi)容相干檢測系統(tǒng)相干檢測系統(tǒng)v理解內(nèi)容理解內(nèi)容形成各光電檢測系統(tǒng)的方法形成各光電檢測系統(tǒng)的方法v了解內(nèi)容了解內(nèi)容各光電系統(tǒng)的運(yùn)用各光電系統(tǒng)的運(yùn)用第第8 8章章 相干檢測方法與系統(tǒng)相干檢測方法與系統(tǒng)8.1 8.1 相干檢測的基本原理相干檢測的基本原理8.2 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用8.3 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制同頻率相干信號的相位調(diào)制與檢測方法與檢測方法8.4 8.4 光外差檢測方法與系統(tǒng)光外差檢測方法與系統(tǒng) 第第8 8章章 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 相干檢測就是利用光的相干性對光載波所攜相干檢測就是利用光的相干性對光載波所攜帶的信息信號進(jìn)行檢測和處理，它只

2、有采用相干帶的信息信號進(jìn)行檢測和處理，它只有采用相干性好的激光器作為光源才能實現(xiàn)。所以從理論上性好的激光器作為光源才能實現(xiàn)。所以從理論上講，相干檢測能準(zhǔn)確檢測到光波振幅、頻率和相講，相干檢測能準(zhǔn)確檢測到光波振幅、頻率和相位所攜帶的信息。但由于光波的頻率很高，迄今位所攜帶的信息。但由于光波的頻率很高，迄今為止的任何光電探測器都還不能直接感受光波本為止的任何光電探測器都還不能直接感受光波本身的振幅、相位、頻率及偏振的變化，而只能探身的振幅、相位、頻率及偏振的變化，而只能探測光的強(qiáng)度。因此，光的這些特征參量最終都須測光的強(qiáng)度。因此，光的這些特征參量最終都須轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化進(jìn)行探測。而這種轉(zhuǎn)換就必須轉(zhuǎn)

3、換為光強(qiáng)的變化進(jìn)行探測。而這種轉(zhuǎn)換就必須通過干涉測量技術(shù)。通過干涉測量技術(shù)。8.1 8.1 相干檢測的基本原理相干檢測的基本原理一、相干檢測的基本原理一、相干檢測的基本原理（一）光學(xué)干涉和干涉測量（一）光學(xué)干涉和干涉測量 光干涉光干涉是指可能相干的兩束或多束光波是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的合成信號的光強(qiáng)度隨時間或空間相疊加，它們的合成信號的光強(qiáng)度隨時間或空間有規(guī)律的變化。有規(guī)律的變化。 干涉測量干涉測量的作用就是把光波的相位關(guān)系的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及它們隨時間的變化關(guān)系以光強(qiáng)度或頻率狀態(tài)以及它們隨時間的變化關(guān)系以光強(qiáng)度的空間分布或隨時間變化的形式檢測出來的空間分

4、布或隨時間變化的形式檢測出來。 以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動E E1 1(x,y)(x,y)和和E E2 2(x,y)(x,y)分別為：分別為： 兩束光合成時，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分兩束光合成時，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分布布I(x,y)I(x,y)可表示為：可表示為： 式中，式中， 是條紋光強(qiáng)的直流分量；是條紋光強(qiáng)的直流分量； 是條紋的對比度；是條紋的對比度； 是光頻差；是光頻差； 相位差。相位差。 ),(exp),(),(exp),(22221111yxtjayxEyxtjayxE),(cos2),(212221yxtaaaayxI),(cos)

5、,(1),(yxtyxyxA21),(),(),(21yxyxyx2221),(aayxA)/(2),(222121aaaayx當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時，有當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時，有 即即 ，此時，此時 當(dāng)兩束光的頻率不同，干涉條紋將以當(dāng)兩束光的頻率不同，干涉條紋將以 的角頻率隨時間波動，形成光學(xué)拍頻信號，也叫的角頻率隨時間波動，形成光學(xué)拍頻信號，也叫外差干涉信號。如果兩束光的頻率相差較大，超外差干涉信號。如果兩束光的頻率相差較大，超過光電檢測器件的頻響范圍，將觀察不到干涉條過光電檢測器件的頻響范圍，將觀察不到干涉條紋。在兩束光的頻率相差不大紋。在兩束光的頻率相差不大

6、( ( 較小較小) )的情的情況下，采用光電檢測器件可以探測到干涉條紋信況下，采用光電檢測器件可以探測到干涉條紋信號，并且可以通過電信號處理直接測量拍頻信號號，并且可以通過電信號處理直接測量拍頻信號的頻差及相位等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測的頻差及相位等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測量出相干光束本本身的特征參量，形成外差檢測量出相干光束本本身的特征參量，形成外差檢測技術(shù)。技術(shù)。 210),(cos),(1),(),(yxyxyxAyxI 實際上，干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相實際上，干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，而相位差又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率位差，而相位差又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率n

7、n對光的傳播距離對光的傳播距離dsds的線積分，即的線積分，即對于均勻介質(zhì)，上式可簡化為：對于均勻介質(zhì)，上式可簡化為： 對上式中的變量對上式中的變量L L和和n n作全微分可得到相位變化量作全微分可得到相位變化量 002Lnds0/2nL)(20LnnL（二）干涉測量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)（二）干涉測量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用1 1、典型的雙光束干涉系統(tǒng)、典型的雙光束干涉系統(tǒng)2 2、多光束干涉系統(tǒng)、多光束干涉系統(tǒng) 3 3、光纖干涉儀、光纖干涉儀 當(dāng)兩束相干光束的頻率相同時，若當(dāng)兩束相干光束的頻率相同時，若被測量變化使相干光波的相位發(fā)生變化，被測量變化使相干光波

8、的相位發(fā)生變化，再通過干涉作用把光波相位的變化變換再通過干涉作用把光波相位的變化變換為振幅的變化，這個過程稱為單頻光波為振幅的變化，這個過程稱為單頻光波的相位調(diào)制。的相位調(diào)制。8.3 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與檢測方法同頻率相干信號的相位調(diào)制與檢測方法一一 相位調(diào)制與檢測的原理相位調(diào)制與檢測的原理 干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，而相干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，而相位差又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率位差又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率n n對光的傳播距對光的傳播距離離dsds的線積分，即的線積分，即002Lnds0/2nL)(20LnnL二二 干涉條紋的檢測方法干涉條紋的檢測方法 在

9、相位調(diào)制檢測系統(tǒng)中，被測參量一般是通過在相位調(diào)制檢測系統(tǒng)中，被測參量一般是通過改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的位相調(diào)制，由改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的位相調(diào)制，由干涉儀解調(diào)出來的信息是一幅干涉圖樣，它以干涉條紋干涉儀解調(diào)出來的信息是一幅干涉圖樣，它以干涉條紋的變化反映被測參量的信息。干涉條紋是由干涉場上光的變化反映被測參量的信息。干涉條紋是由干涉場上光程差相同的場點的軌跡形成。干涉條紋的形狀、間隔、程差相同的場點的軌跡形成。干涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有關(guān)，因此根據(jù)干顏色及位置的變化，均與光程的變化有關(guān)，因此根據(jù)干涉條紋上述諸因素的變化可以進(jìn)行長度、角度、

10、平面度、涉條紋上述諸因素的變化可以進(jìn)行長度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)象折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)象差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等各種與光程有確定關(guān)系的幾何差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等各種與光程有確定關(guān)系的幾何量和物理量的測量。因此，如何檢測干涉條紋就變得十量和物理量的測量。因此，如何檢測干涉條紋就變得十分有意義。干涉條紋檢測實際是檢測干涉條紋的光強(qiáng)度分有意義。干涉條紋檢測實際是檢測干涉條紋的光強(qiáng)度分布或其隨時間的變化。基本的條紋檢測法包括條紋光分布或其隨時間的變化?；镜臈l紋檢測法包括條紋光強(qiáng)檢測法、條紋比較法和條紋跟蹤法。強(qiáng)檢測法、條紋比較法和條紋跟

11、蹤法。 1 1、 干涉條紋光強(qiáng)檢測法干涉條紋光強(qiáng)檢測法 在干涉場中確定的位置上用光電元件直接在干涉場中確定的位置上用光電元件直接檢測干涉條紋的光強(qiáng)變化稱為條紋光強(qiáng)檢測法。檢測干涉條紋的光強(qiáng)變化稱為條紋光強(qiáng)檢測法。下圖給出了一維干涉測長的實例。為了獲得最佳下圖給出了一維干涉測長的實例。為了獲得最佳的光電信號，要求有最大的交變信號幅值和信噪的光電信號，要求有最大的交變信號幅值和信噪比，這需要光學(xué)裝置和光電檢測器確保最佳工作比，這需要光學(xué)裝置和光電檢測器確保最佳工作條件，盡可能地提高兩束光的相干度和光電轉(zhuǎn)換條件，盡可能地提高兩束光的相干度和光電轉(zhuǎn)換的混頻效率。的混頻效率。 單頻光相干時，合成信號的瞬

12、時光強(qiáng)為：單頻光相干時，合成信號的瞬時光強(qiáng)為： )(cos2),(212221taaaatyxI)2cos(1 0LnII2 2、干涉條紋比較法、干涉條紋比較法 如下圖所示的干涉儀中，如果采用兩束不如下圖所示的干涉儀中，如果采用兩束不同頻率的相干光源，各自獨立地組成干涉光路，同頻率的相干光源，各自獨立地組成干涉光路，使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對應(yīng)共用測量反射鏡的同一位移，兩束光各自形成應(yīng)共用測量反射鏡的同一位移，兩束光各自形成干涉條紋。經(jīng)光電檢測后形成兩組獨立的電信號，干涉條紋。經(jīng)光電檢測后形成兩組獨立的電信號，通過電信號頻率的比較可以計

13、算出未知光波的波通過電信號頻率的比較可以計算出未知光波的波長。這種對應(yīng)同一位移，比較不同波長的兩個光長。這種對應(yīng)同一位移，比較不同波長的兩個光束干涉條紋的變化差異的方法稱作干涉條紋比較束干涉條紋的變化差異的方法稱作干涉條紋比較法。從這種原理出發(fā)，設(shè)計出了許多精確測量波法。從這種原理出發(fā)，設(shè)計出了許多精確測量波長的波長計。長的波長計。條紋比較法波長測量原理圖條紋比較法波長測量原理圖1 1半透半反鏡半透半反鏡 2 2，3 3圓錐角反射鏡圓錐角反射鏡)1 (nnNBMr3 3、干涉條紋跟蹤法、干涉條紋跟蹤法 干涉條紋跟蹤法是一種平衡測量法。在干干涉條紋跟蹤法是一種平衡測量法。在干涉儀測量鏡位置變化時

14、，通過光電接收器實時地涉儀測量鏡位置變化時，通過光電接收器實時地檢測出干涉條紋的變化。同時利用控制系統(tǒng)使參檢測出干涉條紋的變化。同時利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動，以維持干涉條紋保持靜止考鏡沿相應(yīng)方向移動，以維持干涉條紋保持靜止不動。這時，根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動電壓的大小可不動。這時，根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動電壓的大小可直接得到測量鏡的位移，如下圖所示，表示了利直接得到測量鏡的位移，如下圖所示，表示了利用這種原理測量微小位移的干涉測量裝置。這種用這種原理測量微小位移的干涉測量裝置。這種方法能避免干涉測量的非線性影響，并且不需要方法能避免干涉測量的非線性影響，并且不需要精確的相位測量裝置。但是跟蹤系統(tǒng)

15、的固有慣性精確的相位測量裝置。但是跟蹤系統(tǒng)的固有慣性限制了測量的快速性，因此只能測量限制了測量的快速性，因此只能測量10kHz10kHz以下以下的位移變化。的位移變化。條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖 圖圖8-9 8-9 二次相位調(diào)制方框圖二次相位調(diào)制方框圖8.48.4光外差檢測方法與系統(tǒng)光外差檢測方法與系統(tǒng)（兩不同頻率相干光信號的相位調(diào)制與檢測）（兩不同頻率相干光信號的相位調(diào)制與檢測）一一 光外差檢測原理光外差檢測原理1 1、光外差檢測的基本原理、光外差檢測的基本原理)()cos()()cos()(cos)(cos)()(22222SLSLLSSLSLLSLLLSSSLSpt

16、AAtAAtAtAtEtEPI光電探測器輸出的光電流為：光電探測器輸出的光電流為： 第一、二項的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于第一、二項的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于1/21/2；第三；第三項是和頻項，因為它的頻率太高而不能被光電探測器響應(yīng)，平均值項是和頻項，因為它的頻率太高而不能被光電探測器響應(yīng)，平均值為零；第四項是差頻項，它相對于光頻來說要緩慢得多，當(dāng)差頻處為零；第四項是差頻項，它相對于光頻來說要緩慢得多，當(dāng)差頻處于探測器的通頻帶范圍內(nèi)才能被響應(yīng)，則可得到通過以為中心頻率于探測器的通頻帶范圍內(nèi)才能被響應(yīng)，則可得到通過以為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為：的帶通濾波器的瞬時中頻

17、電流為： )()cos(SLSLLLSIFtRAAV光學(xué)外差信號表達(dá)式光學(xué)外差信號表達(dá)式 2 2、光外差檢測的特性、光外差檢測的特性（1 1）探測能力強(qiáng)）探測能力強(qiáng)（2 2）高的轉(zhuǎn)換增益）高的轉(zhuǎn)換增益LLSLLSIFLSIFRPPRtPPP2222)(cos4外差探測中外差探測中直接探測中，探測器輸出的電功率為直接探測中，探測器輸出的電功率為: : LSLpPRPRIS222/IFPAPS令令2LSPAP（3 3）良好的濾波性能）良好的濾波性能（4 4）小的信噪比損失）小的信噪比損失（5 5）光電探測器的外差檢測極限靈敏度）光電探測器的外差檢測極限靈敏度（6 6）良好的空間和偏振鑒別能力）良好

18、的空間和偏振鑒別能力（7 7）穩(wěn)定性和可靠性）穩(wěn)定性和可靠性 3 3、光外差檢測的空間條件和頻率條件、光外差檢測的空間條件和頻率條件 光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足：光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足：信號光波和本征光波必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，這意味信號光波和本征光波必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，這意味著所用激光器應(yīng)該單頻基模運(yùn)轉(zhuǎn)。著所用激光器應(yīng)該單頻基模運(yùn)轉(zhuǎn)。信號光和本振光束在光混頻面上必須相互重合，為了提信號光和本振光束在光混頻面上必須相互重合，為了提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合的部分對中頻信號無貢獻(xiàn)，只貢獻(xiàn)噪聲

19、。的部分對中頻信號無貢獻(xiàn)，只貢獻(xiàn)噪聲。信號光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方信號光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方向，這意味著兩束光必須保持空間上的角準(zhǔn)直。向，這意味著兩束光必須保持空間上的角準(zhǔn)直。在角準(zhǔn)直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的波前面在角準(zhǔn)直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的波前面還必須曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲還必須曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。面。在上述條件都得到滿足時，有效的光混頻還要求兩光波在上述條件都得到滿足時，有效的光混頻還要求兩光波必須同偏振，因為在光混頻面上它們是矢量相加必須同偏振，因為在光混頻面上它們是矢量相加。

20、（1 1）光外差檢測的空間條件）光外差檢測的空間條件 由于信號光與本振光波前有一失配角由于信號光與本振光波前有一失配角，故信號光斜入射到，故信號光斜入射到光探測器表面，同一波前到達(dá)探測器光敏面的時間不同，可等光探測器表面，同一波前到達(dá)探測器光敏面的時間不同，可等效于在效于在x x方向以速度方向以速度V Vx x行進(jìn)，所以在光探測器光敏面不同點處形行進(jìn)，所以在光探測器光敏面不同點處形成波前相差，故可將信號光電場寫為：成波前相差，故可將信號光電場寫為：)cos()(xVtAtExSSSSS式中，式中， 是信號光波矢在是信號光波矢在x x方向的分量。方向的分量。由上圖可知，由上圖可知， ，所以，所以

21、有有 , ,式中式中c c為光速。于是信號光電為光速。于是信號光電場可重寫為：場可重寫為：入射到光電探測器光敏面的總電場為入射到光電探測器光敏面的總電場為 ： xxSKV /sin)/(sincKKSxsin/cVx)sin2cos()(xtAtESSSSS)()()(tEtEtELS光探測器輸出的瞬時光電流為：光探測器輸出的瞬時光電流為：于是經(jīng)中頻濾波器后輸出的瞬時中頻電流為：于是經(jīng)中頻濾波器后輸出的瞬時中頻電流為： dxdyxtAAxtAAtAxtAdGdxdytAxtAdGiSSLSLLSSSLSLLSLLLSSSddddSLLLSSSddddSpsin2)()cos(sin2)()co

22、s()(cos)sin2(cos)cos()sin2cos(2222/2/2/2/2222/2/2/2/2xSxSSLSLLSIFVdVdtAAGi2/)2/sin()()cos( 因為因為V Vx x=c/sin,=c/sin,所以瞬時中頻電流得大小與所以瞬時中頻電流得大小與失配角失配角有關(guān)。因子有關(guān)。因子時 ， 瞬 時 中 頻 電 流 達(dá) 到 最 大 值 ， 即 要時 ， 瞬 時 中 頻 電 流 達(dá) 到 最 大 值 ， 即 要求求 ，也就是失配角，也就是失配角0 0。 但是實際中但是實際中角很難調(diào)整到零。為了得角很難調(diào)整到零。為了得到盡可能大的中頻輸出，總是希望因子盡可能接到盡可能大的中頻

23、輸出，總是希望因子盡可能接近于近于1 1，要滿足這一條件，只有，要滿足這一條件，只有 ，因，因此此 12/)2/sin(xSxSVdVd02/xSVd12/xSVddSsin 顯然，失配角與信號光波波長成正比，與光顯然，失配角與信號光波波長成正比，與光混頻器的尺寸成反比，即波長越長，光電探測器混頻器的尺寸成反比，即波長越長，光電探測器尺寸越小，則所容許的失配角就越大。由此可見，尺寸越小，則所容許的失配角就越大。由此可見，光外差探測的空間準(zhǔn)直要求十分苛刻的。波長越光外差探測的空間準(zhǔn)直要求十分苛刻的。波長越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。所以在紅外波段光短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。所以在紅外波段光外差探測

24、比可見光波段有利得多外差探測比可見光波段有利得多 。（2 2）光外差檢測的頻率條件）光外差檢測的頻率條件 光外差檢測除了要求信號光和本振光必須光外差檢測除了要求信號光和本振光必須保持空間準(zhǔn)直以外，還要求兩者具有高度的單色保持空間準(zhǔn)直以外，還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度。性和頻率穩(wěn)定度。 所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻率或光譜線極窄的光。率或光譜線極窄的光。 二二 光外差檢測的調(diào)頻方法光外差檢測的調(diào)頻方法1 1、直接光頻調(diào)制、直接光頻調(diào)制利用激光器（如半導(dǎo)體激光器）的激勵電源的頻利用激光器（如半導(dǎo)體激光器）的激勵電源的頻率隨時間改變而輸出隨時間變

25、化的調(diào)頻參考光束率隨時間改變而輸出隨時間變化的調(diào)頻參考光束的頻率調(diào)制方法稱為直接調(diào)頻法。的頻率調(diào)制方法稱為直接調(diào)頻法。 (1)(1)塞曼效應(yīng)（磁光調(diào)制）激光頻移塞曼效應(yīng)（磁光調(diào)制）激光頻移 (2)(2)半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制11( )()2cqnlTTlTn TiiRTlnTnlcqT)11(2)(3)(3)機(jī)械直接光頻調(diào)制機(jī)械直接光頻調(diào)制2 2、外光頻調(diào)制、外光頻調(diào)制(a) (a) 旋轉(zhuǎn)波片旋轉(zhuǎn)波片 (b)(b)聲光效應(yīng)聲光效應(yīng) (c) (c) 旋轉(zhuǎn)光柵旋轉(zhuǎn)光柵圖圖8-15 8-15 固定頻移的產(chǎn)生方式固定頻移的產(chǎn)生方式(1)旋轉(zhuǎn)波片（偏振調(diào)制）法旋轉(zhuǎn)波片（偏振調(diào)制）法(2)聲光效應(yīng)法聲光效應(yīng)法 (3)旋轉(zhuǎn)光柵法旋轉(zhuǎn)光柵法 (4)(4)多普勒頻移法多普勒頻移法10fffS(rS-r0) 2fv2 rr0 )2sin(2sin2vf2sin2vf 2sin2fv或者或者 (5)(5)薩古納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻薩古納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻cos4cAL三三 外差檢測方法與應(yīng)用外差檢測方法與應(yīng)用1 1、直接頻率調(diào)制的外差檢測、直接頻率調(diào)制的外差檢測 在直接調(diào)頻法中，被測參量對其中一束光波在直接調(diào)頻法中，被測參量對其中一束光波作二次調(diào)制，檢測外差信號可解調(diào)出被測參量值，作二次調(diào)制，檢測外差信號可解調(diào)出被測參量值，信號流程如下圖所示。信號流程如下圖所示。圖圖