光電檢測直接外差探測課件

直接檢測與外差檢測光ω2光ω1光ω1-ω2光電檢測方法直接探測與外差探測系統(tǒng)光信號接收器帶通濾波器光電探測器放大器低通濾波器直接探測系統(tǒng)光光光電電光信號接收器帶通濾波器光電探測器低通濾波器光ω1光ω1電電放大器本征激光器外差探測系統(tǒng)直接檢測光電探測器的基本功能是把入射到探測器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電流光電流是光電探測器對入射光功率的響應(yīng)，如果傳遞的信息表現(xiàn)為光功率的變化，利用光電探測器的直接光電轉(zhuǎn)換功能就能實現(xiàn)信息的直接解調(diào)信噪比設(shè)入射光電探測器的信號功率為si，噪聲功率為ni，光電探測器的輸出電功率為so，輸出噪聲功率為no，則總的輸入功率為si＋ni，總的輸出功率為so＋no由光電探測器的平方律特性信號和噪聲的獨立性，有根據(jù)信噪比的定義，輸出信噪比為若（si/ni）<<1，則有直接探測方式不適宜輸入信噪比小于1或微弱信號的探測若（si/ni）>>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，適宜于強光探測直接探測——提高輸入信噪比的光學(xué)方法光譜濾波：基于目標輻射的波長與背景輻射波長之間的差別，利用光譜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：

基本原理

；: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1／2。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。

光探測器輸出的光電流混頻后的頻譜兩束光頻率必須足夠接近，差頻信號才能處于探測器的通頻帶范圍內(nèi)

同樣信號光功率下，光外差探測和直接探測得到的信號功率比為

G為轉(zhuǎn)換增益相干探測中本征光的功率P0遠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107~108數(shù)量級濾波性能好形成外差信號，要求信號光和本征信號空間嚴格對準，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)準要求，不能形成有效的外差信號，因此該方法可以濾掉背景光同時通過檢測通道的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，只有激光才能實現(xiàn)外差探測。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個光子外差檢測的條件---相位條件假設(shè)信號光和本征光是平面波，兩者之間夾角；并假定光探測器的光敏平面是邊長為d的正方形，假定本征光垂直入射x信號光與本征光波前有一失配角，信號為入射到光混頻器表面的總光場為則光混頻器輸出的瞬時光電流為由于因此瞬時中頻電流的大小與失配角有關(guān)實際中失配角很難調(diào)整到零，為了盡可能大的中頻輸出，希望因子盡可能接近于1，為了滿足這一條件

即失配角θ與信號光波長λs成正比，與光混頻器的尺寸d成反比波長越長，光電探測器的尺寸越小，則容許的失配角就越大；波長越短，空間準直要求也越苛刻瞬時中頻電流達到最大值外差檢測的頻率條件兩者具有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)制得到外差法的調(diào)頻方法為了形成外差檢測的光頻差，采用頻率調(diào)制方法運動參量調(diào)頻：固定頻移直接調(diào)頻法運動參量的頻率調(diào)制對運動參量進行檢測時，被測運動參量直接對參考光波的頻率進行調(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)頻法固定頻移的頻率調(diào)制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)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，可分別作為參考光和信號光聲波2θλs直接光頻調(diào)制利用可進行頻率調(diào)制的激光器產(chǎn)生隨時間變化的調(diào)頻參考光束的頻率調(diào)制方法半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制半導(dǎo)體激光器LD具有良好的工作特性，當注入電流改變時，激光器的振蕩頻率能直接變化外差信號的檢測光載波光調(diào)制外差檢測測頻測相外差信號檢測示意圖雙頻激光干涉儀M3激光器光學(xué)隔離器光電檢測器參考鏡測量鏡M4M2M1F1F2典型的光電檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng)（光強調(diào)制）莫爾條紋測長儀激光測距儀激光準直環(huán)境污染檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)激光干涉測長儀（相位調(diào)制）多普勒測速（頻率調(diào)制）光外差通信莫爾條紋測長儀莫爾條紋的原理將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度θ,透過光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強調(diào)制作用．長光柵莫爾條紋的形式橫向條紋:P1=P2,θ很小;縱向條紋:P1~P2,θ=0;斜條紋:P1~P2,θ很小.莫爾條紋演示縱向條紋橫向條紋莫爾條紋的形成

均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動莫爾條紋的特性光柵的節(jié)距比光的波長大很多.莫爾條紋的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角θ(rad)之間的關(guān)系為：當兩光柵沿垂直于柵線的方向相對移動時，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動．光柵每移動一個節(jié)距Ｐ，莫爾條紋移動一個寬度Ｂ．因為θ很小，放大倍數(shù)Ｋ很大．例如:θ=20’,K=172斜向條紋莫爾條紋測長儀兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺固定．一塊為長光柵．工作臺前后移動的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進行計數(shù)得到．指示光柵相對移動一個節(jié)距，莫爾條紋變化一周．指示光柵移動的距離為：

Ｎ：指示光柵移動距離中包含的光柵線對數(shù)，δ：小于１個光柵節(jié)距的小數(shù)．簡單光柵讀數(shù)頭１：燈，２：聚光鏡，３：指示光柵，４：長光柵，５：光電探測器莫爾條紋測長儀光電探測器接收到的明暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；通過對莫爾條紋的直接測量，可以測的光柵的位移量；在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細分裝置進行細分，可讀取位移的分數(shù)，提高測量的靈敏度和精度．光柵輸出信號波形莫爾條紋測長儀的應(yīng)用工業(yè)自動化中的核心測控部件小型智能化的長度測試儀器，用于對長度、直徑、厚度、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測量。新一代的計量測試工具某些幾何量計量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)某些物理量的計量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)納米級測量的重要儀器非接觸在線測量控制儀器激光多普勒測速頻率調(diào)制：運動物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。光外差檢測：可見光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無法直接檢測多普勒頻移．因此，需要光外差的方法： 同一光源的兩束相干光以一定的條件投射到光電探測器表面進行混頻，就能在輸出的電信號中得到兩束光的差頻．激光多普勒測速的原理激光束經(jīng)分光鏡分成兩束，一束經(jīng)透鏡會聚測點，被該處正以速度V運動的微粒向四面八方散射，散射光發(fā)生了頻移，頻率為（ν＋νＤ）。另一束經(jīng)濾光片衰減后也由透鏡會聚于測點，有一部分穿越測點作為參考光束，頻率為ν。進入光闌由透鏡會聚到光電倍增管的光電陰極上的有兩束頻率相近的光，發(fā)生干涉。參考光模式設(shè)：兩光束的夾角為α，光波波長為λ，則干涉條紋的間距為：

干涉條紋的空間頻率為：若粒子運動的速度為ν，運動的方向與條紋垂線的夾角為β，則粒子散射光的頻率為：

只要測出散射光的頻率