光學(xué)參量調(diào)制變換原理

光學(xué)參量調(diào)制變換原理第一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日2.4光學(xué)參量調(diào)制變換原理光外差技術(shù)光學(xué)位相調(diào)制光學(xué)頻率調(diào)制第二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日2.4光學(xué)參量調(diào)制變換原理描述光波的所有基本參量都可能受到調(diào)制，有時(shí)幾個(gè)參量同時(shí)受到調(diào)制。這些參量包括光的強(qiáng)度、相位、頻率、顏色(或頻譜分布)、偏振。這些光學(xué)參量最后必須作為光強(qiáng)的變化來(lái)探測(cè)，因?yàn)楣馓綔y(cè)器只能探測(cè)光的強(qiáng)度。第三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日光學(xué)參量調(diào)制技術(shù)分為光振幅調(diào)制(AM)、相位調(diào)制(PM)、頻率調(diào)制(FM)、偏振調(diào)制(POM)、光波譜調(diào)制(SM)。利用光的干涉現(xiàn)象將上述參量轉(zhuǎn)化為光探測(cè)器能敏感的較低頻率的光電載波信號(hào)，作用在于把光波的相位關(guān)系或頻率關(guān)系以及它們隨時(shí)間的變化，以光強(qiáng)度空間分布或光強(qiáng)隨時(shí)間變化的形式檢測(cè)出來(lái)，這個(gè)作用也稱作相幅變換。第四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日光外差技術(shù)在可見(jiàn)光和近紫外波段，由于光頻很高(例如達(dá)到1016Hz)，每個(gè)光子的能量很大，較容易探測(cè)出單個(gè)光子，在這種情況下光外差技術(shù)并不特別有用，只要使用直接探測(cè)的方法就可以解決。第五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下，由于缺乏可見(jiàn)光波段那樣具有極高靈敏度的探測(cè)器，用直接探測(cè)法無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子噪聲限探測(cè)，只有用光外差技術(shù)才能使系統(tǒng)工作于量子噪聲限。因此近、中紅外波段應(yīng)用光外差技術(shù)能夠探測(cè)極微弱的光信號(hào)。由于光外差探測(cè)技術(shù)具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在可見(jiàn)光波段同樣也得到廣泛的應(yīng)用。第六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日一、光外差原理在電磁波譜的射頻和微波波段，外差接收技術(shù)采用被信息調(diào)制的高頻載波在接收端與有一定頻率的本機(jī)振蕩信號(hào)相混頻，得到頻率為二者之差的中頻信號(hào)，這個(gè)中頻信號(hào)保持了調(diào)制信號(hào)的特征，通過(guò)檢測(cè)中頻信號(hào)就能最終解調(diào)出被傳送的信息。把這種技術(shù)引伸到光頻波段，就發(fā)展成多種形式的光外差探測(cè)技術(shù)。第七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日光外差探測(cè)是將含有被測(cè)信息的相干光調(diào)制波和作為本機(jī)振蕩的光波在滿足波前匹配條件下，在光電探測(cè)器上進(jìn)行光學(xué)混頻，探測(cè)器的輸出是頻率為二光波頻率差的拍頻信號(hào)。第八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日若信號(hào)光場(chǎng)和本振光場(chǎng)分別為：若光波垂直探測(cè)器光敏面入射，則其上的總光場(chǎng)分布為：混頻后，探測(cè)器光敏面上光通量為：對(duì)于工作在響應(yīng)度為R的線性區(qū)內(nèi)的探測(cè)器輸出信號(hào)為：第九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日外差探測(cè)的特點(diǎn)1）探測(cè)靈敏度高直接探測(cè)輸出信號(hào)：外差探測(cè)輸出信號(hào)：外差探測(cè)信號(hào)功率轉(zhuǎn)換比為：若Φ1=10-10W，Φ0=10-3W，則G=4×107第十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日2）具有很高的信噪比只考慮散粒噪聲和熱噪聲，外差光電流的均方值為：當(dāng)本振光功率很大時(shí)，即，Φ0>>

Φ1

，本振散粒噪聲遠(yuǎn)大于其它噪聲，則噪聲功率均方值為：可求出信噪比及最小可探測(cè)功率為：也稱為外差探測(cè)的量子探測(cè)極限。第十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日例子：外差探測(cè)比直接探測(cè)的NEP小2×10-4倍。討論：1)不是越大越好，Φ0↑則，散粒噪聲↑→SNR↓，因此Φ0要適當(dāng)選取。2)滿足信號(hào)處理的前提下，Δf越小越好。3)外差探測(cè)可以獲得光信號(hào)的全部信息；而直接探測(cè)僅能探測(cè)信號(hào)光的幅值。4)濾波性能好：空間濾波，光譜濾波。第十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日二、光外差探測(cè)的匹配條件1.光外差探測(cè)的空間條件要求信號(hào)光和本振光的波前在光探測(cè)器光敏面上保持相同的相位關(guān)系，即信號(hào)光和本振光的波前必須重合，必須保持信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直(或共軸)關(guān)系。定義中頻輸出比最大值小10%時(shí)的主光線夾角為失配角：第十三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日2.光外差探測(cè)的頻率條件要求兩束光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。3.光外差探測(cè)的偏振匹配為了獲得最大的中頻輸出，要求兩束光的偏振方向平行且保持穩(wěn)定。第十四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日光學(xué)位相調(diào)制一、基本原理光學(xué)相位調(diào)制是基于光的干涉原理，它利用二束相干光束的疊加而產(chǎn)生的干涉條紋隨被測(cè)量的變化而變化的現(xiàn)象，使被測(cè)量載荷在光的相位之上。第十五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日二、光學(xué)干涉儀位相差調(diào)制圖2.41邁克爾遜干涉儀第十六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D2.42吉曼干涉儀圖2.43馬赫澤德干涉儀第十七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日光學(xué)頻率調(diào)制光學(xué)頻率調(diào)制是被測(cè)物理量載荷在光學(xué)差頻上。根據(jù)光頻差的獲得和差頻信號(hào)檢測(cè)方式不同，大致可以分為三種類型：參量調(diào)頻、固定頻移和直接調(diào)頻。第十八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日一、光頻移與差頻檢測(cè)外差干涉儀的基本特點(diǎn)是兩干涉光束之間的頻移使得干涉場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間作正弦變化，其變化頻率是兩束光的頻差。各種外差干涉儀技術(shù)的主要區(qū)別在于采用不同的方法來(lái)產(chǎn)生和測(cè)量?jī)墒喔晒庵g的頻移。第十九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日1.產(chǎn)生光學(xué)頻移的方法多普勒頻移、塞曼頻移、旋轉(zhuǎn)1/4波片、移動(dòng)衍射光柵、聲光布拉格器件等。圖2.44光學(xué)頻移第二十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日2.差頻檢測(cè)方法(1)

參量調(diào)頻被測(cè)參量直接對(duì)參考光的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成與參考光有定頻差的信號(hào)光，檢測(cè)差額信號(hào)的頻率可以測(cè)定被測(cè)參量值。第二十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日(2)固定頻移使用頻移器件使參考光波相對(duì)于信號(hào)光形成一固定的頻率偏移，或利用雙頻光源形成有一定頻差的兩束相干光束。被測(cè)信號(hào)對(duì)其中一束光波進(jìn)行調(diào)制，用外差檢測(cè)其差頻信號(hào)就可以測(cè)定被測(cè)參量。這種方法有時(shí)也稱作光學(xué)超外差。第二十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日(3