改 10直接探测和相干探测

00cos(2)EEvt光－电信号变换光电探测器光信号电信号220cos2ItEt人眼和探测器可以响应平均光功率220012dIAEE平方律器件00cos(2)EEvt光－电信号变换光电探测器光信号电信号220cos2ItEt响应平均光功率直接探测响应光的频率···相干探测第10章直接探测和相干探测直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）光－电信号变换10.1直接探测10.1.1直接探测的基本原理10.1.2直接探测系统的信噪比－－DrirectDetection，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）10.1.3直接探测系统的探测极限及趋近方法22sdsdssAIAaa1.直接探测的基本原理：ssss()sin()Etat光波：光功率：2dsssISSa恒定光信号2dssseeIahh光功率被调制：ass[1()]ISVtss()[1()]tVt光场包络的频率1010Hz调制光信号ass[1()]eIVth设光栅的栅距P＝40μm相对移动的速度V=1cm/s半导体激光器,波长λ=890nm8914s/310/890103.3710cHz例1比较光场频率和光强度信号的变化频率光强度信号的变化频率f=？光场频率v=?mmm[1cos(2π)]2[1cos(2π)]2[1cos(2π)]2PPvtxVt250VvHzP2.直接探测系统的光子信噪比(光信号输出/光噪声输出)经推导得(江月松P255)，输出电信号信噪比为：22sn2sn/12/PLoutNLIRSNRIR若φs/φn1，则2sn/outSNR不适合测输入信噪比小于1的信号若φs/φn1，则sn/2outSNR光电转换后信噪比减半结论：直接探测不能改善输入信噪比3.直接探测系统的探测极限及趋近方法信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声散粒噪声以光电二极管为例222s22222nSnBnDnT(/)PLoutNLehvIRSNRIRiiii——其重要噪声为散粒噪声和热噪声光电信噪比(光信号输出/探测器噪声输出)最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声22sdsout2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisout2SNRhvf2nSS22seieIfeIfhs2outhvfNEPSNR例：η为1，Δf为1Hz，可探测～2hv光学方法——减小探测器面积，如场镜、光锥、浸没透镜·····电学方法，如滤波、低噪声放大器、弱信号检测方法热力学方法，制冷降低探测器噪声两个光子能量的探测极限是理想状态，因为：•实际系统视场不可能是衍射极限的小视场，则背景光电流引起的噪声及器件的噪声不能忽略•实际器件总有暗电流,则暗电流引起的噪声不能忽略•各种电阻热噪声不能忽略探测极限的趋近方法有*提高器件内增益（光电倍增管、雪崩管）光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜··例：红外探测系统第十章直接探测和相干探测直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）光－电信号变换第10章直接探测和相干探测直接探测：（非相干探测）相干探测：（光学外差探测）装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率（光强）。装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。测量精度比直接探测高107-108数量级10.2相干探测10.2.1相干探测的基本原理10.2.3相干探测的条件10.2.4相干探测的应用举例－－CoherentDetection－－又称为光外差探测10.2.2相干探测的特性1.相干探测的基本原理原理框图采用平方律探测器：（只响应平均功率）高灵敏度、量子效率、高频响应PMT，PIN-PD，A_PD光学混频器：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat1014～1015Hz1010Hz1)相干探测的输出信号ssss()sin()Etatrrrr()sin()Etat信号光参考光222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataathssrcos()ISaat探测器、放大器－－滤波器（中频输出）拍频信号输出相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号2)调制信号的探测s00nnn1()[1()][1cos()]MnatAVtAmthssrcos()ISaat2.相干探测的基本特性相干探测优点：（与直接探测对比）探测能力强转换增益高信噪比高探测能力强直接探测－－光的强度：as2振幅相位频率光波的hssrcos()ISaat转换增益高ΦrΦsG~107－108外差探测直接探测hssrcos()ISaat222hsmrr22dsssLsrLsIRSaaaGIRSaa2dsssISSa功率之比信噪比高相干探测：直接探测：系统已经理想化，仅考虑信号光引起的散粒噪声限制fNEP2hdsd2hSNRf相干探测信噪比高2倍？shhSNRffNEPhh系统未理想化，在本振光足够强时导出10.2.3相干探测的条件1．相干探测空间条件2．相干探测频率条件3．相干探测偏振条件满足波前匹配条件：1．相干探测空间条件探测器接收面上沿x方向各点的相位差不同：sssss2sin()sin()Etatx探测器接收面上沿x方向各点的相位不同信号光和本振光的波前在光混频器表面上没有相同的位相关系导致混频输出电流信号减小hssrcos()ISaat探测器表面各点相位相同时：探测器表面各点相位不同时：输出信号－－最大值输出信号－－减小ssind可以证明，在不影响输出的条件下，失配角应满足：41''失配角：例：光电探测器的尺寸d为lmm，当λs＝0.63μm时严格的空间准直要求，使得相干探测具有良好的空间滤波性能2．相干探测频率条件△v，0～1010Hz采用高单色性和频率稳定度的激光源两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光专门措施：hssrcos()ISaat△v稳定性好222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat3．相干探测偏振条件平方律探测器光混频输出Ihs为：“代数和”？信号光与本振光的偏振方向一致加检偏器－－获得偏振方向一致1)单频激光测长hssrcos()ISaat信号光参考光单频hsrscosISaa2π/2nl10.2.4相干探测的应用举例2π/2π(2/)2π()nlNm例：取n=1,测量镜位移时观察到探测器的输出为：l=?23.51.75nll2π/2π(2/)2π()nlNm