光電測試技術(shù)-激光外差干涉

激光外差干涉測試技術(shù)2/1/20231光電檢測系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)點(diǎn)探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分)直接檢測系統(tǒng)/光外差檢測系統(tǒng)

(按光波對信號的攜帶方式分)2/1/20232直接檢測的基本原理直接檢測(非相干檢測): 都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息,直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化。2/1/20233激光外差干涉測試技術(shù)單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號都是直流量，直流漂移是影響測量準(zhǔn)確度的重要原因，信號處理及細(xì)分都比較困難。為了提高光學(xué)干涉測量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)。概念：光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由電路和計(jì)算機(jī)檢出干涉場的相位差。特點(diǎn)：克服單頻干涉儀的漂移問題；細(xì)分變得容易；提高了抗干擾性能。2/1/20234光外差探測系統(tǒng)

光外差探測在激光通信、雷達(dá)、測長、測速、測振、光譜學(xué)等方面都很有用。其探測原理與微波及無線電外差探測原理相似。光外差探測與光直接探測比較，其測量精度要高7~8個(gè)數(shù)量級。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，因而目前遠(yuǎn)距離外差探測在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達(dá)到實(shí)用階段。2/1/20235一、光外差探測原理光外差探測與直接探測相比較有許多優(yōu)點(diǎn)，在直接探測中由于光的振動(dòng)頻率高達(dá)2×1013~7.5×1014Hz，振動(dòng)周期T為5×10-14~1.3×10-15s(可見光到中近紅外)，而探測器響應(yīng)時(shí)間最短10-10s,它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。2/1/20236在直接探測中，設(shè)光波動(dòng)的圓頻率為ω，振幅為A，則光波f(t)寫成平均功率2/1/20237fs為信號光波，fL為本機(jī)振蕩(本振)光波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過分光鏡和可變光闌入射到探測器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后,輸出信號中包含fc＝fs–fL的差頻信號．故又稱相干探測.

光外差檢測2/1/20238，入射到探測器上的總光場為由于光探測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比，所以光探測器的光電流為2/1/20239設(shè)入射到探測器上的信號光場為：

本機(jī)振蕩光場為：

入射到探測器上的總光場為：

基本原理2/1/202310

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項(xiàng)（和頻項(xiàng)）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項(xiàng)（差頻項(xiàng)）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(shí)，光探測器就有頻率為的光電流輸出。

光探測器輸出的光電流2/1/202311光學(xué)外差探測利用一個(gè)頻率與被測相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測元件（通常由光電導(dǎo)材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測輻射混頻而產(chǎn)生差頻。光學(xué)外差探測只受到散粒噪聲的限制，因而探測率比直接探測或零差探測高幾個(gè)數(shù)量級。

零差探測的本振信號經(jīng)分光器從發(fā)射光源分離出來,與調(diào)制后的接收信號混頻產(chǎn)生外差信號,本振信號的頻率相同,差頻為零,主要優(yōu)點(diǎn):省去了本振器,比外差探測簡單,可靠;發(fā)射光頻的穩(wěn)定性可以放寬;光頻移速率可經(jīng)接收頻差除以光往返時(shí)間測定,距離大于lOkm.2/1/202312激光外差干涉測試技術(shù)4.1激光外差干涉測試技術(shù)原理①外差干涉技術(shù)原理在干涉場中，放入兩個(gè)探測器，一個(gè)放在基準(zhǔn)點(diǎn)(x0,y0)處，稱之為基準(zhǔn)探測器，其輸出基準(zhǔn)信號i(x0,y0,t)，另一個(gè)放在干涉場某探測點(diǎn)(xi,yi)處，稱之為掃描探測器，輸出信號為i(xi,yi,t)。將兩信號相比，測出信號的過零時(shí)間差Δt，便可知道二者的光學(xué)位相差由控制系統(tǒng)控制掃描探測器對整個(gè)干涉場掃描，就可以測出干涉場各點(diǎn)的位相差。掃描探測器（xi,yi）基準(zhǔn)探測器（x0,y0）（a）Δt1/Δνti(x,y,t)（b）圖4-32外差干涉圖樣和電信號2/1/202313激光外差干涉測試技術(shù)4.1激光外差干涉測試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。1）塞曼效應(yīng)He-Ne激光器——可得到1~2MHz的頻差2）雙縱模He-Ne激光器——頻差約600MHz（較大）3）光學(xué)機(jī)械移頻當(dāng)干涉儀中的參考鏡以勻速v

沿光軸方向移動(dòng)時(shí)，則垂直入射的反射光將產(chǎn)生的頻移為。如果圓偏振光通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率f的頻移，即。2/1/202314聲波的多普勒效應(yīng)

一輛汽車在我們身旁急馳而過，車上喇叭的音調(diào)有一個(gè)從高到低的突然變化；站在鐵路旁邊聽列車的汽笛聲也能夠發(fā)現(xiàn)，列車迅速迎面而來時(shí)音調(diào)較靜止時(shí)為高，而列車迅速離去時(shí)則音調(diào)較靜止時(shí)為低。此外，若聲源靜止而觀察者運(yùn)動(dòng)，或者聲源和觀察者都運(yùn)動(dòng)，也會發(fā)生收聽頻率和聲源頻率不一致的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。2/1/202315多普勒效應(yīng)的應(yīng)用美國霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星在近地點(diǎn)時(shí)信號頻率就增加，遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)信號頻率就降低。因?yàn)樾l(wèi)星軌道是已知的，所以接收衛(wèi)星信號的接收機(jī)不論處于何方，它的位置都能被測定。2/1/202316光波的多普勒效應(yīng)光波的多普勒效應(yīng)具有波動(dòng)性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng).因?yàn)榉▏锢韺W(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之處在于,光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化.如果恒星遠(yuǎn)離我們而去,則光的譜線就向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線就向紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移.2/1/202317激光外差干涉測試技術(shù)4.1激光外差干涉測試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源3）光學(xué)機(jī)械移頻在參考光路中放入一個(gè)固定的1/4波片和一旋轉(zhuǎn)的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。該圓偏振光兩次穿過旋轉(zhuǎn)的1/4波片，使其產(chǎn)生2f的頻移。圓偏振光再次穿過固定1/4波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移。垂直于入射光束方向移動(dòng)（勻速）光柵的方法也可以使通過光柵的第n級衍射光產(chǎn)生的頻移，此處f是光柵的空間頻率，V是光柵移動(dòng)速度。4）聲光調(diào)制器利用布拉格盒（BraggCell）聲光調(diào)制器可以起到與移動(dòng)光柵同樣的移頻效果。這時(shí)超聲波的傳播就相當(dāng)于移動(dòng)光柵，其一級衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅(qū)動(dòng)頻率f，而與光的波長無關(guān)。2/1/202318光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號，即在光探測器輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對微弱信號的探測有利。差頻信號是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測。

2/1/202319光外差檢測的特性良好的濾波性能

取差頻信號為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光；而直接探測中，所有的雜散光都被接收信噪比損失小檢測靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測的靈敏度極限為１個(gè)光子2/1/202320系統(tǒng)對探測器性能的要求光外差檢測對探測器的要求比直接檢測高響應(yīng)頻帶寬均勻性好工作溫度高

2/1/202321§4-4激光外差干涉測試技術(shù)4.1激光外差干涉測試技術(shù)原理①外差干涉技術(shù)原理設(shè)測試光路和參考光路的光波頻率分別為ω和ω+Δω，則干涉場的瞬時(shí)光強(qiáng)為由于光電探測器的頻率響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻ω，它不能跟隨光頻變化，所以式中含有2ω的交變項(xiàng)對探測器的輸出響應(yīng)無貢獻(xiàn)。干涉場中某點(diǎn)（x，y）處光強(qiáng)以低頻Δω隨時(shí)間呈余弦變化

2/1/202322§4-4激光外差干涉測試技術(shù)4.2激光外差干涉測試技術(shù)應(yīng)用①激光外差干涉測長數(shù)據(jù)處理雙頻激光器1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動(dòng)角隅棱鏡檢偏器v探測器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf圖4-33雙頻激光器外差干涉測長原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1±Δf）2/1/202323§4-4激光外差干涉測試技術(shù)4.2激光外差干涉測試技術(shù)應(yīng)用②激光外差干涉測量微振動(dòng)f0f0＋fs12341/2波片510671/4波片9振動(dòng)體圖4-34雙頻激光測量振動(dòng)光路示意圖8f0±fD

方解石棱鏡及1/4波片的作用是使測量光束的光路既作發(fā)射光路，又作接收光路。通過o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光學(xué)定向耦合”作用，使發(fā)射與接收的光無損失地通過方解石棱鏡(不考慮光吸收損失)。

頻率fs信號由聲光調(diào)制器的信號源直接輸入混頻器與拍頻信號混頻，把多普勒頻移fD解調(diào)出來。

2/1/202324§4-4激光外差干涉測試技術(shù)4.2激光外差干涉測試技術(shù)應(yīng)用③激光外差干涉在精密定位中的應(yīng)用圖4-35平面鏡干涉系統(tǒng)光路圖圖4-36平面鏡干涉系統(tǒng)傾斜光路圖該干涉儀系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)儀器分辨力由于多普勒頻差增加一倍而增加一倍；

(2)平面反射鏡相對于光軸的任何偏斜只會使反射回的光束偏移，而不會偏斜。2/1/202325外差探測不僅可探測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號。這是外差探測的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。光外差檢測的特性

2/1/202326二、光外差探測特性1、轉(zhuǎn)換增益光探測器輸出電流振幅為在直接探測中，輸出信號電流的振幅外差轉(zhuǎn)換增益由于在外差探測中，本機(jī)振蕩光功率PL比信號光功率大幾個(gè)數(shù)量級，所以，外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá)107~108。由此看出，外差探測靈敏度比直接探測靈敏度高107~108倍。這是外差探側(cè)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2/1/2023272．光譜濾波性能

如果取差頻信號寬度ωc/2π=ωL-ωs/2π為信息處理器的通頻帶Δf，那么只有與本機(jī)振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi)的雜光可以進(jìn)入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號處理器濾掉。因此，外差探測系統(tǒng)中不需要加光譜濾光片，其效果甚至比加濾光片的直接探測系統(tǒng)還好得多。外差探測對背景光有強(qiáng)抑制作用。這是光外差探測的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2/1/2023283．外差探測信噪比如果入射到探測器上的光場不僅存在信號光波Ps，還存在背景光波Pb，輸出信噪比為說明外差探測的輸出信噪比等于信號光波和背景光波振幅的比值，輸人信噪比等于輸出信噪比，輸出信躁比沒有任何損失。這是外差探測的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2/1/202329但是，當(dāng)本振光功率足夠大時(shí)，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲。本振光功率繼續(xù)增大時(shí)，由本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲隨之增大，從而使光外差探測系統(tǒng)的倍噪比降低。所以，在實(shí)際的光外差探測系統(tǒng)中要合理選擇本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。4、穩(wěn)定性和可靠性較高即使被測參量為0，載波信號仍保持穩(wěn)定的幅度2/1/202330激光外差干涉測試技術(shù)激光外差干涉測試技術(shù)應(yīng)用①激光外差干涉測長數(shù)據(jù)處理雙頻激光器1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動(dòng)角隅棱鏡檢偏器v探測器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf圖4-33雙頻激光器外差干涉測長原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1±Δf）2/1/202331四、光外差探測典型系統(tǒng)1．干涉測量技術(shù)(1)激光干涉測長的基本原理2/1/202332(2)激光干涉測長儀的光路沒置2/1/202333

該光路中，使用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器而對激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不大時(shí)，它對光程的影響可以忽賂。角錐棱鏡的形狀相當(dāng)于立方體切下來的一個(gè)角，它的三個(gè)內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當(dāng)光從基面入射，可在三個(gè)直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。2/1/2023342/1/202335(3)干涉信號的方向判別與計(jì)數(shù)2/1/2023362/1/202337激光多普勒測速頻率調(diào)制：運(yùn)動(dòng)物體的反射或散射光發(fā)生多