外差(相干)探測(cè)系統(tǒng) 2013.4.26

1、外差外差( (相干相干) )探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)系統(tǒng)光頻外差探測(cè)的基本原理 直接檢測(cè)與外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量光拍的波長(zhǎng)和頻率來(lái)確定光速光拍的波長(zhǎng)和頻率來(lái)確定光速；掌握光拍頻法測(cè)量光速的原理和實(shí)驗(yàn)方法；學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思想和技巧。 問(wèn)題1：光的本質(zhì)？光是一種頻率很高的電磁波，其頻率達(dá)到1410 Hz問(wèn)題2：如何計(jì)算波的速度？波速公式：vfl=g 由公式可知，要測(cè)量光速的方法之一是測(cè)量出測(cè)量出光的波長(zhǎng)和頻率光的波長(zhǎng)和頻率。實(shí)驗(yàn)原理 光的頻率很高，遠(yuǎn)高于電子儀器的反頻率很高，遠(yuǎn)高于電子儀器的反應(yīng)速度，因此電子儀器無(wú)法直接測(cè)出光應(yīng)速度，因此電子儀器無(wú)法直接測(cè)出光的波長(zhǎng)和頻率的波長(zhǎng)和頻率。問(wèn)題3：能不能直

2、接測(cè)量出光的波長(zhǎng)和頻率？ 思考提示：把光變成含有低頻成份變成含有低頻成份而速度又不變的波（即而速度又不變的波（即“光拍光拍”），那么測(cè)出這個(gè)低頻的波速，也就測(cè)出了光速。 問(wèn)題4：如何用電子儀器來(lái)測(cè)量光的波長(zhǎng)和頻率？ 原理：根據(jù)振動(dòng)疊加原理疊加原理，兩列速度相同、振面相同、頻差較小頻差較小而同向傳播同向傳播的簡(jiǎn)諧波的疊加即形成拍拍。 問(wèn)題5：如何將光信號(hào)變成含低頻成份的“光拍”信號(hào)？11112222cos()cos()EEtk xEEtk x 式中 為波數(shù)， 為初位相。 這二列波疊加的結(jié)果為：11222/和2/kk12和 設(shè)有兩列振幅相同、頻率分別為f1和f2，且頻差f= f1-f2很小的二列波

3、：121212122cos()22cos()22sxEEtcxtc 合成波是角頻率為 振幅為 的帶有低頻調(diào)制的高頻波低頻調(diào)制的高頻波，合成波的振幅是時(shí)間和空振幅是時(shí)間和空間的函數(shù)間的函數(shù)，以頻率為 周期性地變化的行波，是拍頻”，如圖。12()/(22 )fwwpD=-fV12() / 212122cos()22xEtc112/cwtE=E1+E212122cos()22xEtc12()/2f光速公式cfl= DgV注意到 的振幅以頻率 周期地變化，所以我們稱它為拍頻波， 就是拍頻 根據(jù)信噪比的定義，輸出信噪比為iiiiiiiiooOnsnsnnssnsSNR/21/2222p 若（si/ni）

4、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(qiáng)光探測(cè)2)/()/(iioonsns)/(21)/(iioonsns 光譜濾波：基于目標(biāo)輻射的波長(zhǎng)與背景輻射波長(zhǎng)之間的差別，利用光譜濾波法濾波法消除背景輻射的干擾 減小探測(cè)器的面積 場(chǎng)鏡：在調(diào)制盤及探測(cè)器之間插入一個(gè)透鏡，它能把視場(chǎng)邊緣的光線折向光軸，使得焦平面上每一點(diǎn)發(fā)出的光線都充滿探測(cè)器； 光錐：起到減小探測(cè)器面積的作用。探測(cè)器ab 該方法將包含有被測(cè)信息的和作為基準(zhǔn)的，在滿足條件下在光電探測(cè)器上進(jìn)行。探測(cè)器輸出的是頻率為兩光波光頻差的 該信號(hào)包含有、頻率和相位、頻率和相位。通過(guò)檢測(cè)拍頻信號(hào)最終調(diào)制出被傳送的信號(hào)

5、利用光的干涉原理fS-fL 設(shè)入射到探測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)為： 本機(jī)振蕩光場(chǎng)為： 入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為： 0cosssssEtEt 0cosLLLLEtEt 00coscossssLLLE tEtEt ； :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12。 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(duì)光頻而言，頻率要低得多。 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 的光電流輸出。 /q hhsL2/sL2/sL 22222200coscospsLsssLLLi tE tE tE tEtEt 0000coscossLLssLs

6、LLsLsE EtE Et光探測(cè)器輸出的光電流 從數(shù)學(xué)運(yùn)算和相應(yīng)物理過(guò)程考慮： 光電流經(jīng)過(guò)有限帶寬的中頻放大器，直流項(xiàng)被濾出，最后只剩下中頻交流分量：LsIFLsLsEEEEicos2222LsIFLsIFEEicos(8.1 - 6)(8.1 - 5)如果把信號(hào)的測(cè)量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過(guò)以C為中心頻率的帶通濾波器帶通濾波器的瞬時(shí)瞬時(shí)中頻電流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)L-s=0，即信號(hào)

7、光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測(cè)的一種特殊形式，稱為零差探測(cè)。 探測(cè)能力強(qiáng)：光波的振幅、相位及頻率的變化光波的振幅、相位及頻率的變化都會(huì)引起光電探測(cè)器的輸出都會(huì)引起光電探測(cè)器的輸出，因此外差探測(cè)不外差探測(cè)不僅能夠檢測(cè)出僅能夠檢測(cè)出振幅振幅和和強(qiáng)度強(qiáng)度調(diào)制的光波信號(hào)，而調(diào)制的光波信號(hào)，而且可以檢測(cè)出且可以檢測(cè)出相位相位和和頻率頻率調(diào)制的光信號(hào)調(diào)制的光信號(hào)基本特性基本特性 1. 高的轉(zhuǎn)換增益高的轉(zhuǎn)換增益信號(hào)光功率， 本振光功率與相應(yīng)電場(chǎng)振幅的關(guān)系為221212ssLLPEPE (8.1 - 8) (8.1 - 9) 而中頻電流輸出對(duì)應(yīng)的電功率為2IF

8、IFLPi R (8.1 - 10) 式中RL是光電探測(cè)器的負(fù)載電阻。 把式(8.1 - 6)代入式(8.1 - 10)， 并利用式(8.1 - 8)和(8.1 - 9)， 有 2224cos ()2IFsLIFsLLsLLPPPtRPR R(8.1 - 11) 這里的橫線是對(duì)中頻周期求平均。 LsIFLsIFEEicos在直接探測(cè)中， 探測(cè)器輸出的電功率 222LsLsLPi RP R(8.1 - 12) 在兩種情況下， 都假定負(fù)載電阻為RL。 光頻外差探測(cè)，就是把以 為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以 為載頻的中頻電流上。 sIF轉(zhuǎn)換增益：sLLIFPPPPG2通常PLPs,故轉(zhuǎn)換增益G1：光頻外差

9、探測(cè)具有光頻外差探測(cè)具有天然的探測(cè)微弱信號(hào)的能力天然的探測(cè)微弱信號(hào)的能力相干探測(cè)中本征光的功率PL遠(yuǎn)大于接收到的信號(hào)光功率PS,通常是高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此G可高達(dá)可高達(dá)107108數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí) 2. 良好的濾波性能良好的濾波性能 在直接探測(cè)中， 為了抑制雜散背景光的干擾， 都是在探測(cè)器前加置窄帶濾光片。 例如， 濾光片的帶寬為1 nm(這已經(jīng)是十分優(yōu)良的濾光片了)， 即=1 nm。 它所相應(yīng)的頻帶寬度(以=10.6 m估計(jì))923 10CfHz(8.1 - 15) 在外差探測(cè)中， 情況發(fā)生了根本變化。 如果取差頻寬度作為信息處理器的通頻帶f， 即 2sLIFsLfff (8.1 - 16) 外差

10、探測(cè)具有更窄的接收帶寬外差探測(cè)具有更窄的接收帶寬，即對(duì)背景光有良好，即對(duì)背景光有良好的濾波性能。的濾波性能。 濾波性能好形成外差信號(hào)，要求信號(hào)光和本征信號(hào)空間嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，而背景光入射方向是雜亂無(wú)章的，偏振方向也不確定，不能滿足外差空間調(diào)準(zhǔn)要求，不能形成有效的外差信號(hào)，因此該方法可以濾濾掉背景光掉背景光同時(shí)通過(guò)檢測(cè)通道的通頻帶通頻帶剛好覆蓋有用的外差信號(hào)的頻譜范圍，這樣雜散光形成的拍頻信號(hào)也可以被濾掉 3. 良好的空間和偏振鑒別能力良好的空間和偏振鑒別能力 信號(hào)光和本振光必須沿同一方向射向光電探測(cè)器， 而且要保持相同的偏振方向。 這就意味著光頻外差探測(cè)裝置本身就具備了對(duì)光光頻外差探測(cè)裝置本身就具備

11、了對(duì)光方向的高度鑒別探測(cè)能力和對(duì)光偏振方向的鑒別探測(cè)方向的高度鑒別探測(cè)能力和對(duì)光偏振方向的鑒別探測(cè)能力。能力。 兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度高度的單色性和頻率穩(wěn)定度,如果信號(hào)光和本征光的頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差兩者頻率之差就可能大大超過(guò)中頻濾波器的帶寬就可能大大超過(guò)中頻濾波器的帶寬 通常兩束光取自同一激光器，通過(guò)頻率偏移取得本征光，信號(hào)光通過(guò)調(diào)制得到信號(hào)光通過(guò)調(diào)制得到 為了形成外差檢測(cè)的光頻差光頻差，采用頻率調(diào)制頻率調(diào)制方法運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻：固定頻移 對(duì)運(yùn)動(dòng)參量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，被測(cè)運(yùn)動(dòng)參量直被測(cè)運(yùn)動(dòng)參量直接對(duì)參考光波的頻率進(jìn)行調(diào)制接對(duì)參考光波的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成與參考光有一定頻差的信號(hào)光，這種頻率調(diào)制方法稱為參量調(diào)頻法 利用多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)-運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷涞狡渖系墓獠ǖ念l率，即頻率為f0的單色光入射到速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，被物體散射的光波頻率散射的光波頻率fs會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。 使用頻移器件使參考光波相對(duì)信號(hào)形成一固定的頻率偏移 采用聲光效應(yīng)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(hào)激勵(lì)換能器，在透明介質(zhì)內(nèi)形成折射率的周期變化；若滿足布拉格衍射布拉格衍射的條件，將會(huì)產(chǎn)生一級(jí)衍射光。一級(jí)衍射光與零級(jí)衍射光頻率產(chǎn)生頻移頻移，可分別作為參考光和信號(hào)光聲波聲波2ss各級(jí)衍射光波將產(chǎn)生多