第六章光外差探測(cè)系統(tǒng)

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

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

-3外差探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置4信號(hào)光場(chǎng)為:本機(jī)振蕩光場(chǎng)為:干涉光場(chǎng)為：5光探測(cè)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(dāng)差頻低于光探測(cè)器的截止頻率時(shí)，光探測(cè)器就有頻率為ωc/2π的光電流輸出。帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為：瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為：中頻輸出有效信號(hào)功率：其中:7當(dāng)ω1=ω2時(shí)稱為零差探測(cè)。

外差檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)的是差頻信號(hào)，它還包含了信號(hào)的振幅和相位。當(dāng)使用具有穩(wěn)定頻率和相位差的光源（相干光源）時(shí)，即可得到穩(wěn)定的差頻輸出。8光外差檢測(cè)原理光外差檢測(cè)特性影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素光外差檢測(cè)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(cè)特性

是光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率。是直接檢測(cè)探測(cè)器輸出的電功率。

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

光導(dǎo)探測(cè)器M＝0～1000；對(duì)于光伏探測(cè)器M＝1；對(duì)于光電倍增管M在106以上。

噪聲:

14功率信噪比為:當(dāng)本振功率PL足夠大時(shí)

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

單光子計(jì)數(shù)165.光外差探測(cè)系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器性能的要求系統(tǒng)性能主要取決于探測(cè)器的性能。響應(yīng)頻帶寬被測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬，使得要求探測(cè)器的響應(yīng)范圍也相當(dāng)寬。均勻性好探測(cè)器的光電性能在整個(gè)光敏面上都能保持一致。工作溫度高實(shí)用性考慮。17光外差檢測(cè)原理光外差檢測(cè)特性影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素光外差檢測(cè)系統(tǒng)舉例181.空間相位條件（空間調(diào)準(zhǔn)）由于信號(hào)光束與本振光束方向不嚴(yán)格一致導(dǎo)致。6.3影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素19信號(hào)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(diǎn)的響應(yīng)電流為：光敏面總響應(yīng)電流為：Ad為探測(cè)器的面積，l為x方向的長(zhǎng)度。21當(dāng)時(shí)，中頻電流i最大即外差探測(cè)的空間相位條件：或又或有：22要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)光束和本振光束的空間準(zhǔn)直要求很嚴(yán)格。如此以來(lái)，使得背景光噪聲被濾掉。外差探測(cè)在具有很好的空間濾波性能。同時(shí)，也增加了系統(tǒng)測(cè)量的難度。解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)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(cè)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(hào)越強(qiáng)。若信號(hào)光和本振光的頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過(guò)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(duì)中頻信號(hào)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(cè)量技術(shù)應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱為干涉測(cè)量技術(shù)。干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高（以波長(zhǎng)為單位）6.4光外差探測(cè)系統(tǒng)舉例25干涉測(cè)量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程引起對(duì)光相位的調(diào)制，通過(guò)干涉轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化。測(cè)量干涉條紋的變化即可得到被測(cè)參量的信息。干涉條紋是由于干涉場(chǎng)上光程差相同的場(chǎng)點(diǎn)的軌跡形成?？蛇M(jìn)行長(zhǎng)度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等幾何量和物理量的測(cè)量。261）激光干涉測(cè)長(zhǎng)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(hào)處理部分位移272）激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的光路設(shè)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(cè)器

14.透鏡

15.光闌

16.光電探測(cè)器28干涉光路設(shè)置293）干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)誤差原因：外界干擾因素的影響，使測(cè)量鏡在正向移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生一些偶然的反向移動(dòng)。單純計(jì)數(shù)，測(cè)量結(jié)果是正反移動(dòng)的