光電檢測系統(tǒng)：6- 光外差探測系統(tǒng)

第六章光外差探測系統(tǒng)

光外差檢測原理光外差檢測特性影響光外差檢測靈敏度的因素光外差檢測系統(tǒng)舉例16.1光外差探測原理

光波f（t）寫成:平均光功率Pcp為:2外差探測原理fS為信號光波，fL為本機振蕩（本振）光波

-3外差探測的實驗裝置4信號光場為:本機振蕩光場為:干涉光場為：5光探測器的光電流為：：光電變換比例常數(shù)；：量子效率；：光子能量；稱為差頻6當差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為ωc/2π的光電流輸出。帶通濾波器的瞬時中頻電流為：瞬時中頻信號電壓為：中頻輸出有效信號功率：其中:7當ω1=ω2時稱為零差探測。

外差檢測時，檢測的是差頻信號，它還包含了信號的振幅和相位。當使用具有穩(wěn)定頻率和相位差的光源（相干光源）時，即可得到穩(wěn)定的差頻輸出。8光外差檢測原理光外差檢測特性影響光外差檢測靈敏度的因素光外差檢測系統(tǒng)舉例91.轉(zhuǎn)換增益轉(zhuǎn)換增益定義為：6.2

光外差探測特性

是光外差檢測中頻輸出有效信號功率。是直接檢測探測器輸出的電功率。

所以有：其中：102.光譜濾波性能取差頻信號寬度為信息處理器的通頻帶外差檢測系統(tǒng)相當于一個低通濾波器，可以有效的抑制噪聲。例如：目標沿光束方向的運動速度v＝0～15m／s，對于10.6μm的CO2激光，經(jīng)目標反射后回波的多普勒頻率fS為：11頻差為：若直接探測加光譜濾光片，濾光片帶寬若為10，所對應的帶寬Δf2為：12帶寬之比為：3.外差檢測信噪比設存在背景光波fB(t)，其功率為PB。則探測器的輸出電流為：輸出信噪比為：134.最小可探測功率內(nèi)部增益為M的光外差探測器的輸出有效信號功率為:

光導探測器M＝0～1000；對于光伏探測器M＝1；對于光電倍增管M在106以上。

噪聲:

14功率信噪比為:當本振功率PL足夠大時

光外差探測的量子探測極限或量子噪聲限。15當熱噪聲是主要噪聲源時，量子噪聲限探測的條件為：即：最小可探測功率：當η=1，Δf=1時

單光子計數(shù)165.光外差探測系統(tǒng)對探測器性能的要求系統(tǒng)性能主要取決于探測器的性能。響應頻帶寬被測量動態(tài)范圍寬，使得要求探測器的響應范圍也相當寬。均勻性好探測器的光電性能在整個光敏面上都能保持一致。工作溫度高實用性考慮。17光外差檢測原理光外差檢測特性影響光外差檢測靈敏度的因素光外差檢測系統(tǒng)舉例181.空間相位條件（空間調(diào)準）由于信號光束與本振光束方向不嚴格一致導致。6.3影響光外差檢測靈敏度的因素19信號光束：本振光束：

本振光束隨x分布的相位差：其中且折射率n=1

20本振光波：x點的響應電流為：光敏面總響應電流為：Ad為探測器的面積，l為x方向的長度。21當時，中頻電流i最大即外差探測的空間相位條件：或又或有：22要形成強的差頻信號，對信號光束和本振光束的空間準直要求很嚴格。如此以來，使得背景光噪聲被濾掉。外差探測在具有很好的空間濾波性能。同時，也增加了系統(tǒng)測量的難度。解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準直要求。232、頻率條件頻率條件主要表現(xiàn)為單色性。光外差探測是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。光的單色性就越好，干涉信號越強。若信號光和本振光的頻率相對漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過中頻濾波器帶寬，則光混頻器之后的前置放大和中頻放大電路對中頻信號不能正常地加以放大。需采用穩(wěn)頻措施，F(xiàn)-P腔穩(wěn)頻、光柵反饋穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻等。24干涉測量技術(shù)應用光的干涉效應進行測量的方法稱為干涉測量技術(shù)。干涉測量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。優(yōu)點：測量精度高（以波長為單位）6.4光外差探測系統(tǒng)舉例25干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程引起對光相位的調(diào)制，通過干涉轉(zhuǎn)化為光強的變化。測量干涉條紋的變化即可得到被測參量的信息。干涉條紋是由于干涉場上光程差相同的場點的軌跡形成?？蛇M行長度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學元件面形、光學系統(tǒng)像差、光學材料內(nèi)部缺陷等幾何量和物理量的測量。261）激光干涉測長的基本原理系統(tǒng)組成：激光光源干涉系統(tǒng)光電顯微鏡信號處理部分位移272）激光干涉測長儀的光路設置1.激光器

2.透鏡

3.小孔光闌

4.透鏡

5.反射鏡

6.反射棱鏡

7.位相板8.角錐反射棱鏡9．分束鏡10.角錐反射棱鏡

11.透鏡

12.光闌

13.光電探測器

14.透鏡

15.光闌

16.光電探測器28干涉光路設置293）干涉信號的方向判別與計數(shù)誤差原因：外界干擾因素的影響，使測量鏡在正向移動過程中產(chǎn)生一些偶然的反向移動。單純計數(shù)，測量結(jié)果是正反移動的總和。解