光外差探測技術及其應用

1、5/11光外差探測技術及其應用張瀟依 10041540102 摘要：光外差探測又稱為相干探測，其探測原理及微波及無線電外差探 測原理相似，但是其探測精度亦比微波高數(shù)量級。相干探測及直 接探測相比，其測量精度高U10,數(shù)量級，它的靈敏度達到了量子噪 聲限。關鍵字：光外差探測、光子計數(shù)、量子噪聲限、激光測距、多普勒 測速1-引言光外差檢測在激光通信、雷達、測長、測速、測振和光譜學等方面都 很有用途。光外差檢測的靈敏度達到了量子噪聲限，其NEP值可達 IO-?。也可以檢測單個光子，進行光子計數(shù)。在光電信息檢測中，當光波頻率很高時，每個光子的能量很大，很容 易被檢測出來，這時光外差檢測技術并不特別有用

2、。相反，由于直接檢 測不需要穩(wěn)定激光頻率，也不需要本振激光潛，在光路上不需要精確的 準直，因此，在這種情況下直接檢測更為可取。在波長較長的情況下， 已經有了高效率、大功率的光源可利用。但在這個波段缺少像在可見光 波段那樣極高靈敏度的檢測器。因此，用一般的直接檢測方法無法實現(xiàn) 接近量子噪聲限的檢測，光外差檢測技術就顯示了它的優(yōu)越性。2.原理光外差檢測是有別于直接檢測的另一種檢測技術。光外差檢測原理 方框圖示于圖1 1。圖中，為信號光波，為本機振蕩（本振）光 波，這兩束平面平行的相干光，經過分光鏡,和可變光闌用入射到檢測器 表面進行混頻，形成相干光場。經檢測器變換后，輸出信號中包含。= 八一九的差

3、頻信號，故又稱相干檢測。探測器束圖1一1,外差檢測原理示意圖反射鏡圖1一2外差檢測實驗裝置圖1 2是外差檢測的實驗裝置，光源是經過穩(wěn)頻的CO2激光器。 由分束鏡把入射光分成兩路：一路經過反射的作為本振光波，其頻率為 /；;另一路經過偏心輪川反射，并由透鏡用聚焦到可變光闌用上作為信號 光束。偏心輪川轉動相當于目標沿光波方向并有一運動速度，光的回波就 產生了多普勒頻移，其頻率為可變光闌川用來限制兩光束射向光電 檢測潛的空間方向。線柵用偏振鏡用用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤?相干光，然后兩束光垂直投射到檢測器上。下面用經典理論來分析兩光束外差后的結果。設入射到檢測器上的信 號光場為：fs(t) =

4、Ascos(w3t +(p5)(1. 1)本機振蕩光場為：fL(t) = ALcos(wLt + (pL)(1.(2)那么，入射到檢測器上的總光場為：/(0 = A cos(vv/ + o) + Al cos(wLt +(pL)(1.(3)由于光檢測器的響應及光電場的平方成正比，所以光檢測器的光電流為 ip(f)8 河=<。)+ 九(7)(1.(4)式中的橫線表示在幾個光頻周期上的平均。將上式展開后，則有，,(，) =a 河=afs(t) + fL(T)2 =a 4 2 cos2 (wy + a)+ A J cos1 (wj + 必)+44cos(& + 嗎)，+Q +例) +

5、44cos(&-嗎)/ +S -弘) (1. 5)式中：a =5/小，為光電變換比例常數(shù)；，”為光子能量；叫=叼,-明稱為差頻。上式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2o第三項(和頻項)頻率太高，光混頻器不響應。而第四項(差頻項)相對光頻而言,頻率要低得多。當差頻(%-%)/2萬=嗎/2%低于光檢測器的截止頻率時，光檢測器就有頻率為卬/2乃的光電流輸出。如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內，則可以得到通過以嗎為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為(，)=aAsAL cos(wL -ws)t + (<pL -%)(1.(6)從上式可以看出，中頻信號電流的振幅頻率(%-%

6、)和相位(經-外)都隨信號光波的振幅、頻率和相位成比例地變化。在中頻濾波器 輸出端，瞬時中頻信號電壓為：匕=aAsALRL cos(wL-ws)t + (pL-0)(1.(7)式中，勺為負載電阻。中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻 周期內的平均值，即：(1.8)式中：R=42/2為信號光的平均功率；2=Aj/2為本振光的平均功率16)o當% =%,即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為(.(0 = a A4cos(仍一?) (1.9)這是外差檢測的一種特殊形式，稱為零差檢測。可以看到，差頻信號是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混 頻得到的。如果頻率、相位不恒定，無法得到確定的差

7、頻光。這就是為 什么只有激光才能實現(xiàn)外差檢測的原因。3. 特性(1) .光外差檢測可獲得全部信息外差檢測中，光檢測器輸出的電流不僅及信號光和本振光的光波振幅 成正比，而且輸出電流的頻率及相位還和合成振動頻率和相位相等。因 此，外差檢測不僅可檢測振幅和強度調制的光信號，還可以檢測頻率調 制及相位調制的光信號。這種在光檢測器輸出電流中包含有信號光的振 幅、頻率和相位的全部信息，是直接檢測所不可能有的。(2) .光外差檢測轉換增益高光外差檢測中頻輸出有效信號功率為在直接檢測中，檢測器輸出的電功率為在兩種情況下，都假定負載電阻為在同樣信號光功率打下，這兩種 方法所轉換得到的信號功率比G為(1. 10)

8、式中，G稱為增益。由于在外差檢測中，本機振蕩光功率乙比信號光功率大幾個數(shù) 量積是容易達到的，所以光外差轉換增益可以高達可以看出， 在強光信號下，外差檢測并沒有多少好處；而在微弱光信號下，外差檢 測表現(xiàn)出十分高的轉換增益，轉換增益可以達到IO,IO'倍。所以可以 說，光外差檢測方式具有天然的檢測微弱信號的能力。(3) .良好的濾波性能如果取差頻信號寬度(叫-嗎)/2燈為信息處理器的通頻帶y, 即7 =(% %)/2乃=4-7;.,那么只有及本機振蕩光束混頻后在此頻帶內 的雜光可以進入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號處理器濾掉。因 此，外差檢測系統(tǒng)中不需要加濾光片，其效果甚至比加濾光片的

9、直接檢 測系統(tǒng)還好很多。(4) .信噪比損失小如果入射到檢測器上的光場不僅存在信號光波;.(/),還存在背 景光波/b,檢測器的輸出電流為 輸出信噪比為 。守=匡=2/” 2a 展及4(1.11)上式說明，外差檢測的輸出信噪比等于信號光波和背景光波振幅的比 值，輸入信噪比等于輸出信噪比，因此，輸出信噪比沒有任損失。(5) .最小可檢測功率，有利于微弱光信號的探測內部增益為M的光外差檢測器的輸出有效信號功率為(1. 12)式中：M是檢測器的內增益，對于光導檢測器忙01000；對于光伏監(jiān)測 器M=l；對于光電倍增管M在106以上。在光外差檢測系統(tǒng)中遇到的噪聲及直接檢測系統(tǒng)中的噪聲基本 相同，存在許

10、多可能的噪聲源。在外差檢測中，外界輸入檢測器的噪聲 及檢測器本身的噪聲通常都比較小，并可消除。但有兩中噪聲難以消 除，因此，應主要考慮不可能可服或難以消除的散粒噪聲和熱噪聲。外 差檢測中輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為P. = 2M2且詈(+% + ?)+1出+4kTaf hv(1. 13)式中：Ps為背景輻射功率；為檢測器的暗電流；/為外差檢測中頻帶 寬。上式表示，外差檢測系統(tǒng)中的噪聲分別由信號光、本振光和背景輻 射所引起的散粒噪聲，由檢測器暗電流引起的散粒噪聲以及由檢測器和 電路產生的熱噪聲組成。于是功率信噪比為年 MSP"(SNR). =釁(R+P-dk* 2kMf hv當本征功率

11、馬足夠大時，上式分母中本征散粒噪聲功率遠遠超過所有其 他的噪聲，則上式變?yōu)?1. 14)這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差 檢測的量子檢測極限或量子噪聲限。對于熱噪聲是主要噪聲源的系統(tǒng)來 說，可以導出實現(xiàn)量子噪聲限檢測的條件即(1. 15)為了克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得 高的轉換增益，增大本振光功率是有利的。但是，也不是越大越好。這 是因為本振光本身也要引起噪聲。當本振光光功率足夠大時，本振光產 生的散粒噪聲遠大于其他噪聲；本振光功率繼續(xù)增大時，由本振光所產 生的散粒噪聲也隨之增大，從而使光外差檢測系統(tǒng)的信噪比降低。所 以，在實際的光外差檢測

12、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換增益。若用最小可檢測功率(等效噪聲功率)NEP值(1. 16)這個值有時稱為光外差檢測的靈敏度，是光外差檢測的理論極限。(6) .光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求響應頻帶寬；均勻性好；工作溫度高。4. 應用(1) .干涉測量技術應用光的干涉效應進行測量的方法稱為干涉測量技術。一般干 涉測量主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。根 據測量對象及測量要求的不同而各有不同的組合，并由此形成了各種結 構形式的干涉儀。測量參量一般是通過改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的 相位調制。由干涉儀解調出來的信息是一幅干涉圖樣

13、，它以干涉條紋的 變化反映被測參量的信息。干涉條紋是由于干涉場上光程差相同的地點 的軌跡形成。干涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均及光程的 變化有關。因此根據干涉條紋上述諸因素的變化可以進行長度、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、關 學材料內部缺陷等各種及光程有確定關系的幾何量和物理量的測量皿。(2) .光外差通信光外差通信基本上都是采用CR激光器做光源。因為CR激光器 的發(fā)射波長為10. 6?，這一波長恰好位于大氣窗口之內，衰減系數(shù)較 ??；另外，C。?激光波長容易實現(xiàn)外差接收。如圖1 3所示為CO?激光外差通信原理框圖，它由發(fā)射系統(tǒng)及 接收系統(tǒng)兩大部分

14、組成。CO,激光發(fā)射系統(tǒng)由光學發(fā)射天線、CO,激光器 一及穩(wěn)頻回路組成。光學發(fā)射天線用反射式望遠系統(tǒng)。驅動器114放大器自動頻 跟蹤放跟蹤濾波圖1一3C。?激光器外差通信原理框圖激光諧振腔由工作物質及兩塊反射鏡組成，其中一塊是全反射鏡，另 一塊反射鏡的反射率為98%,激光就從這塊反射鏡上輸出。全反射鏡通 過壓電陶瓷及腔體連接，改變壓電陶瓷的軸向長度就改變了諧振腔長， 從而控制CO,激光波長。其穩(wěn)頻原理如下：輸出的激光經過選擇性反射鏡2把一小部分 能量反射到標準濾光片3上，此濾光片的濾光曲線如圖1 4所示。為控 制激光頻率，10.6不在峰值處，而在曲線的上升段。當波長偏離 10.6?時，輸出光通

15、量 發(fā)生相應的變化，經光電檢測器4 （可用熱釋電 器件）把此波長的變化轉換成相應的電信好的變化，經諧振放大器5放 大后送到頻率跟蹤電路6去控制壓電后陶瓷的伸縮率（壓電陶瓷的伸縮 及加在它上面的電壓值成比例）。由濾波曲線可知，當發(fā)射波長增加 時，光通量亦增加，經光電轉換及諧放輸出的電壓也增大，加在壓電陶 瓷器后使腔長縮短，發(fā)射頻率提高，波長減短；反之，則波長加長。因 而將發(fā)送頻率控制在10. 6僅處。圖1-4濾光曲線被傳送的信息（視頻信號）被驅動電路11加到G/S電光調制潛上 （為提高調制頻率，調制器放在激光諧振腔體內），被傳送的信息攜載 到C。2激光波長上發(fā)送到空間。在接收端，由光學系統(tǒng)（接收

16、天線13）把載有信息的CO2激光 能量收集在混頻器14上，同時本地振蕩CO?激光器20發(fā)出的光也投射在 混頻潛上。經混頻后的光投射在檢測器上輸出電信號。此電信號經濾波后只保存了差頻信號，這一差值通常設計在30"法的中頻段。再 經中頻放大、鑒頻后 還原出被傳送的視頻信號。為得到穩(wěn)定的差頻信號，本機振蕩光也需穩(wěn)頻，否則被傳輸信 息的失真度加大。穩(wěn)頻過程及激光發(fā)射穩(wěn)頻過程類似，不過，穩(wěn)頻控制 信號取自于視頻信號。當激光頻率發(fā)生偏離時，鑒頻器17輸出信號也產 生了變化，經頻率跟蹤濾波器18濾波放大后，控制壓電陶瓷，改變諧振 腔腔長，使激光頻率穩(wěn)定。“gG/Tc檢測器在接收10. 6僅激光波長

17、時，須在液氮77K下制 冷工作。CO?激光通信用于地面時，由于大氣湍流的影響，通信效果不 佳；但用于衛(wèi)星之間及衛(wèi)星及地面站之間的數(shù)據傳遞時大有發(fā)展前途 1101(3) .多普勒測速該原理利用多普勒效應網可測量物體的運動速動。以激光照射運動著的物體或流體時，其反射光或散射光將產生多普勒頻移，用它及本振光進行混頻可測得流體的流速，圖1 5可以具 體說明多普勒測流速的原理。聚焦逑逗光軸多普勒測速原分束鏡透鏡4 信號電源圖1一6高斯光束束腰的干涉場圖中"e-Ne激光器是經穩(wěn)頻后的單模激光，分束鏡把激光分成兩 路，這兩束光經過會聚透鏡4把它們會聚于焦點。在焦點附近兩束光形成干涉場。流體流經這一

18、范圍時，流體中的微小顆粒對光進行散射，聚 焦透鏡4把這些散射光聚焦在光電倍增管上，產生包含流速信息得光電 信號。經適當?shù)碾娮泳€路處理可測出流體的流速。光源通常是單模工作狀態(tài)。它的光強分布考慮為高斯分布。在 透鏡右后焦點附近高斯光束束腰的波前為平面波，兩光束在束腰的空間 范圍相交得到平行的干涉條紋；在遠離焦點的空間范圍內相交得到的干 涉條紋為弧形。圖1 6表示出高斯光束束腰的干涉條紋。當兩光束的夾角為光波波長為X時，由圖1-7可看出干涉 條紋的間距為(a)(b)(c)圖1-7干涉條紋間距干涉條紋的空間頻率(單位長度內條紋明暗對數(shù))為(1. 18)當散射粒子在平行干涉條紋的平面內運動時，散射的光波強度 隨干涉場及流速面變化。若顆粒運動的速度為v,運動的方向及條紋垂直 的夾角為夕(見圖1 6 (c),則顆粒散射的光強頻率為f = fvcQS p = vsnCQS P(1. 19)由此可知，只要檢測出粒子散射光強的頻率，就可求出粒子的流速V。式 中4、夕及夕為己知。5. 結論光外差檢測技術在激光通信、雷達、測長、測速、測振和光譜 學等方買都很有用途。這種技術的靈敏度很高，達到了量子噪聲極限， 可以檢測單個光子，進行光子計數(shù)?！緟⒖嘉墨I】11雷玉堂，王慶有，何加銘，張偉風等.光電