外差(相干)探测系统-2013.4.26模板

外差(相干)探测系统光频外差探测的基本原理直接检测与外差检测光拍法测量光的速度实验目的►通过实验测量光拍的波长和频率来确定光速；►掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法；►学习本实验的实验思想和技巧。问题1：光的本质？光是一种频率很高的电磁波，其频率达到1410Hz问题2：如何计算波的速度？波速公式：vfl=g由公式可知，要测量光速的方法之一是测量出光的波长和频率。实验原理光的频率很高，远高于电子仪器的反应速度，因此电子仪器无法直接测出光的波长和频率。问题3：能不能直接测量出光的波长和频率？思考提示：把光变成含有低频成份而速度又不变的波（即“光拍”），那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。问题4：如何用电子仪器来测量光的波长和频率？原理：根据振动叠加原理，两列速度相同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐波的叠加即形成拍。问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光拍”信号？11112222cos()cos()EEtkxEEtkx式中为波数，为初位相。这二列波叠加的结果为：11222/和2/kk12和设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且频差△f=f1-f2很小的二列波：12121212{2cos[()]}22cos[()]22sxEEtcxtc合成波是角频率为振幅为的带有低频调制的高频波，合成波的振幅是时间和空间的函数，以频率为周期性地变化的行波，是拍频”，如图。12()/(22)fwwpD=-?fV12()/212122cos[()]22xEtc112/cwtE=E1+E212122cos[()]22xEtc12()/2f光速公式cfl=DgV注意到的振幅以频率周期地变化，所以我们称它为拍频波，就是拍频•根据信噪比的定义，输出信噪比为iiiiiiiiooOnsnsnnssnsSNR/21/2222若（si/ni）1，则有直接探测方式不适宜输入信噪比小于1或微弱信号的探测若（si/ni）1，则有输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比损失不大，适宜于强光探测2)/()/(iioonsns)/(21)/(iioonsns直接探测——提高输入信噪比的光学方法•光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法消除背景辐射的干扰•减小探测器的面积–场镜：在调制盘及探测器之间插入一个透镜，它能把视场边缘的光线折向光轴，使得焦平面上每一点发出的光线都充满探测器；–光锥：起到减小探测器面积的作用。探测器ab外差检测•该方法将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行混频。探测器输出的是频率为两光波光频差的拍频信号•该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位。通过检测拍频信号最终调制出被传送的信号•利用光的干涉原理fS-fL•设入射到探测器上的信号光场为：•本机振荡光场为：•入射到探测器上的总光场为：0cosssssEtEt0cosLLLLEtEt00coscossssLLLEtEtEt基本原理•；:量子效率；:光子能量；:差频。•式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。•第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。•当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为的光电流输出。/qhhsL2/sL2/sL22222200coscospsLsssLLLitEtEtEtEtEt0000cos[]cossLLssLsLLsLsEEtEEt光探测器输出的光电流两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通频带范围内从数学运算和相应物理过程考虑：光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤出，最后只剩下中频交流分量：LsIFLsLsEEEEicos2222LsIFLsIFEEicos(8.1-6)(8.1-5)如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：sLsLLsCtAAticos中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2____22当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为：sLLsCAAticos这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。•探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而且可以检测出相位和频率调制的光信号外差检测与直接检测的性能比较基本特性1.高的转换增益信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为221212ssLLPEPE(8.1-8)(8.1-9)而中频电流输出对应的电功率为2IFIFLPiR(8.1-10)式中RL是光电探测器的负载电阻。把式(8.1-6)代入式(8.1-10)，并利用式(8.1-8)和(8.1-9)，有2224cos[()]2IFsLIFsLLsLLPPPtRPRR(8.1-11)这里的横线是对中频周期求平均。LsIFLsIFEEicos在直接探测中，探测器输出的电功率222LsLsLPiRPR(8.1-12)在两种情况下，都假定负载电阻为RL。光频外差探测，就是把以为载频的光频信息转换到以为载频的中频电流上。sIF转换增益：sLLIFPPPPG2通常PLPs,故转换增益G1：光频外差探测具有天然的探测微弱信号的能力相干探测中本征光的功率PL远大于接收到的信号光功率PS,通常是高几个数量级，因此G可高达107~108数量级2.良好的滤波性能在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰，都是在探测器前加置窄带滤光片。例如，滤光片的带宽为1nm(这已经是十分优良的滤光片了)，即Δλ=1nm。它所相应的频带宽度(以λ=10.6μm估计)92310CfHz(8.1-15)在外差探测中，情况发生了根本变化。如果取差频宽度作为信息处理器的通频带Δf，即2sLIFsLfff(8.1-16)外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好的滤波性能。•滤波性能好–形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求，不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤掉背景光–同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信号也可以被滤掉3.良好的空间和偏振鉴别能力信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器，而且要保持相同的偏振方向。这就意味着光频外差探测装置本身就具备了对光方向的高度鉴别探测能力和对光偏振方向的鉴别探测能力。外差检测的频率条件•两者具有高度的单色性和频率稳定度,如果信号光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差就可能大大超过中频滤波器的带宽•通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得本征光，信号光通过调制得到外差法的调频方法•为了形成外差检测的光频差，采用频率调制方法–运动参量调频：–固定频移运动参量的频率调制•对运动参量进行检测时，被测运动参量直接对参考光波的频率进行调制，形成与参考光有一定频差的信号光，这种频率调制方法称为参量调频法光学多普勒效应和运动差频•利用多普勒效应------运动物体能改变入射到其上的光波的频率，即频率为f0的单色光入射到速度为v的运动物体上，被物体散射的光波频率fs会产生多普勒频移。固定频移的频率调制•使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的频率偏移•采用声光效应激光频移声光器件中以频率为f的超声波交变信号激励换能器，在透明介质内形成折射率的周期变化；若满足布拉格衍射的条件，将会产生一级衍射光。一级衍射光与零级衍射光频率产生频移，可分别作为参考光和信号光声波2θλs各级衍射光波将产生多普勒频移，ω＝ωi土mωs双频激光干涉仪21,ffM3激光器光学隔离器光电检测器参考镜测量镜M4M2M1F1F212ff1f2fff1fff1237双频激光外差干涉仪其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f23839400222tttNtdt41