外差(相干)探測系統(tǒng) 2013.4.26

1、外差外差( (相干相干) )探測系統(tǒng)探測系統(tǒng)光頻外差探測的基本原理 直接檢測與外差檢測實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗測量光拍的波長和頻率來確定光速光拍的波長和頻率來確定光速；掌握光拍頻法測量光速的原理和實驗方法；學(xué)習(xí)本實驗的實驗思想和技巧。 問題1：光的本質(zhì)？光是一種頻率很高的電磁波，其頻率達(dá)到1410 Hz問題2：如何計算波的速度？波速公式：vfl=g 由公式可知，要測量光速的方法之一是測量出測量出光的波長和頻率光的波長和頻率。實驗原理 光的頻率很高，遠(yuǎn)高于電子儀器的反頻率很高，遠(yuǎn)高于電子儀器的反應(yīng)速度，因此電子儀器無法直接測出光應(yīng)速度，因此電子儀器無法直接測出光的波長和頻率的波長和頻率。問題3：能不能直

2、接測量出光的波長和頻率？ 思考提示：把光變成含有低頻成份變成含有低頻成份而速度又不變的波（即而速度又不變的波（即“光拍光拍”），那么測出這個低頻的波速，也就測出了光速。 問題4：如何用電子儀器來測量光的波長和頻率？ 原理：根據(jù)振動疊加原理疊加原理，兩列速度相同、振面相同、頻差較小頻差較小而同向傳播同向傳播的簡諧波的疊加即形成拍拍。 問題5：如何將光信號變成含低頻成份的“光拍”信號？11112222cos()cos()EEtk xEEtk x 式中 為波數(shù)， 為初位相。 這二列波疊加的結(jié)果為：11222/和2/kk12和 設(shè)有兩列振幅相同、頻率分別為f1和f2，且頻差f= f1-f2很小的二列波

3、：121212122cos()22cos()22sxEEtcxtc 合成波是角頻率為 振幅為 的帶有低頻調(diào)制的高頻波低頻調(diào)制的高頻波，合成波的振幅是時間和空振幅是時間和空間的函數(shù)間的函數(shù)，以頻率為 周期性地變化的行波，是拍頻”，如圖。12()/(22 )fwwpD=-fV12() / 212122cos()22xEtc112/cwtE=E1+E212122cos()22xEtc12()/2f光速公式cfl= DgV注意到 的振幅以頻率 周期地變化，所以我們稱它為拍頻波， 就是拍頻 根據(jù)信噪比的定義，輸出信噪比為iiiiiiiiooOnsnsnnssnsSNR/21/2222p 若（si/ni）

4、1，則有 輸出信噪比等于輸入信噪比之半，光電轉(zhuǎn)換后的信躁比損失不大，適宜于強光探測2)/()/(iioonsns)/(21)/(iioonsns 光譜濾波：基于目標(biāo)輻射的波長與背景輻射波長之間的差別，利用光譜濾波法濾波法消除背景輻射的干擾 減小探測器的面積 場鏡：在調(diào)制盤及探測器之間插入一個透鏡，它能把視場邊緣的光線折向光軸，使得焦平面上每一點發(fā)出的光線都充滿探測器； 光錐：起到減小探測器面積的作用。探測器ab 該方法將包含有被測信息的和作為基準(zhǔn)的，在滿足條件下在光電探測器上進(jìn)行。探測器輸出的是頻率為兩光波光頻差的 該信號包含有、頻率和相位、頻率和相位。通過檢測拍頻信號最終調(diào)制出被傳送的信號

5、利用光的干涉原理fS-fL 設(shè)入射到探測器上的信號光場為： 本機振蕩光場為： 入射到探測器上的總光場為： 0cosssssEtEt 0cosLLLLEtEt 00coscossssLLLE tEtEt ； :量子效率； :光子能量； : 差頻。 式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于12。 第三項（和頻項）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項（差頻項）相對光頻而言，頻率要低得多。 當(dāng)差頻 低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為 的光電流輸出。 /q hhsL2/sL2/sL 22222200coscospsLsssLLLi tE tE tE tEtEt 0000coscossLLssLs

6、LLsLsE EtE Et光探測器輸出的光電流 從數(shù)學(xué)運算和相應(yīng)物理過程考慮： 光電流經(jīng)過有限帶寬的中頻放大器，直流項被濾出，最后只剩下中頻交流分量：LsIFLsLsEEEEicos2222LsIFLsIFEEicos(8.1 - 6)(8.1 - 5)如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以C為中心頻率的帶通濾波器帶通濾波器的瞬時瞬時中頻電流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)L-s=0，即信號

7、光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測的一種特殊形式，稱為零差探測。 探測能力強：光波的振幅、相位及頻率的變化光波的振幅、相位及頻率的變化都會引起光電探測器的輸出都會引起光電探測器的輸出，因此外差探測不外差探測不僅能夠檢測出僅能夠檢測出振幅振幅和和強度強度調(diào)制的光波信號，而調(diào)制的光波信號，而且可以檢測出且可以檢測出相位相位和和頻率頻率調(diào)制的光信號調(diào)制的光信號基本特性基本特性 1. 高的轉(zhuǎn)換增益高的轉(zhuǎn)換增益信號光功率， 本振光功率與相應(yīng)電場振幅的關(guān)系為221212ssLLPEPE (8.1 - 8) (8.1 - 9) 而中頻電流輸出對應(yīng)的電功率為2IF

8、IFLPi R (8.1 - 10) 式中RL是光電探測器的負(fù)載電阻。 把式(8.1 - 6)代入式(8.1 - 10)， 并利用式(8.1 - 8)和(8.1 - 9)， 有 2224cos ()2IFsLIFsLLsLLPPPtRPR R(8.1 - 11) 這里的橫線是對中頻周期求平均。 LsIFLsIFEEicos在直接探測中， 探測器輸出的電功率 222LsLsLPi RP R(8.1 - 12) 在兩種情況下， 都假定負(fù)載電阻為RL。 光頻外差探測，就是把以 為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以 為載頻的中頻電流上。 sIF轉(zhuǎn)換增益：sLLIFPPPPG2通常PLPs,故轉(zhuǎn)換增益G1：光頻外差

9、探測具有光頻外差探測具有天然的探測微弱信號的能力天然的探測微弱信號的能力相干探測中本征光的功率PL遠(yuǎn)大于接收到的信號光功率PS,通常是高幾個數(shù)量級，因此G可高達(dá)可高達(dá)107108數(shù)量級數(shù)量級 2. 良好的濾波性能良好的濾波性能 在直接探測中， 為了抑制雜散背景光的干擾， 都是在探測器前加置窄帶濾光片。 例如， 濾光片的帶寬為1 nm(這已經(jīng)是十分優(yōu)良的濾光片了)， 即=1 nm。 它所相應(yīng)的頻帶寬度(以=10.6 m估計)923 10CfHz(8.1 - 15) 在外差探測中， 情況發(fā)生了根本變化。 如果取差頻寬度作為信息處理器的通頻帶f， 即 2sLIFsLfff (8.1 - 16) 外差

10、探測具有更窄的接收帶寬外差探測具有更窄的接收帶寬，即對背景光有良好，即對背景光有良好的濾波性能。的濾波性能。 濾波性能好形成外差信號，要求信號光和本征信號空間嚴(yán)格對準(zhǔn)，而背景光入射方向是雜亂無章的，偏振方向也不確定，不能滿足外差空間調(diào)準(zhǔn)要求，不能形成有效的外差信號，因此該方法可以濾濾掉背景光掉背景光同時通過檢測通道的通頻帶通頻帶剛好覆蓋有用的外差信號的頻譜范圍，這樣雜散光形成的拍頻信號也可以被濾掉 3. 良好的空間和偏振鑒別能力良好的空間和偏振鑒別能力 信號光和本振光必須沿同一方向射向光電探測器， 而且要保持相同的偏振方向。 這就意味著光頻外差探測裝置本身就具備了對光光頻外差探測裝置本身就具備

11、了對光方向的高度鑒別探測能力和對光偏振方向的鑒別探測方向的高度鑒別探測能力和對光偏振方向的鑒別探測能力。能力。 兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度高度的單色性和頻率穩(wěn)定度,如果信號光和本征光的頻率相對漂移很大，兩者頻率之差兩者頻率之差就可能大大超過中頻濾波器的帶寬就可能大大超過中頻濾波器的帶寬 通常兩束光取自同一激光器，通過頻率偏移取得本征光，信號光通過調(diào)制得到信號光通過調(diào)制得到 為了形成外差檢測的光頻差光頻差，采用頻率調(diào)制頻率調(diào)制方法運動參量調(diào)頻：固定頻移 對運動參量進(jìn)行檢測時，被測運動參量直被測運動參量直接對參考光波的頻率進(jìn)行調(diào)制接對參考光波的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成與參考光有一定頻差的信號光，這種頻率調(diào)制方法稱為參量調(diào)頻法 利用多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)-運動物體能改變?nèi)肷涞狡渖系墓獠ǖ念l率，即頻率為f0的單色光入射到速度為v的運動物體上，被物體散射的光波頻率散射的光波頻率fs會產(chǎn)生多普勒頻移會產(chǎn)生多普勒頻移。 使用頻移器件使參考光波相對信號形成一固定的頻率偏移 采用聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)激光頻移聲光器件中以頻率為f的超聲波交變信號激勵換能器，在透明介質(zhì)內(nèi)形成折射率的周期變化；若滿足布拉格衍射布拉格衍射的條件，將會產(chǎn)生一級衍射光。一級衍射光與零級衍射光頻率產(chǎn)生頻移頻移，可分別作為參考光和信號光聲波聲波2ss各級衍射光波將產(chǎn)生多