光电检测技术 第八章

1、 v掌握内容掌握内容相干检测系统相干检测系统v理解内容理解内容形成各光电检测系统的方法形成各光电检测系统的方法v了解内容了解内容各光电系统的运用各光电系统的运用第第8 8章章 相干检测方法与系统相干检测方法与系统8.1 8.1 相干检测的基本原理相干检测的基本原理8.2 8.2 基本干涉系统及应用基本干涉系统及应用8.3 8.3 同频率相干信号的相位调制同频率相干信号的相位调制与检测方法与检测方法8.4 8.4 光外差检测方法与系统光外差检测方法与系统 第第8 8章章 主要内容主要内容 相干检测就是利用光的相干性对光载波所携相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息信号进行检测和处理，它只

2、有采用相干带的信息信号进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相位所携带的信息。但由于光波的频率很高，迄今位所携带的信息。但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本为止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探测光的强度。因此，光的这些特征参量最终都须测光的强度。因此，光的这些特征参量最终都须转换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须转

3、换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过干涉测量技术。通过干涉测量技术。8.1 8.1 相干检测的基本原理相干检测的基本原理一、相干检测的基本原理一、相干检测的基本原理（一）光学干涉和干涉测量（一）光学干涉和干涉测量 光干涉光干涉是指可能相干的两束或多束光波是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。有规律的变化。 干涉测量干涉测量的作用就是把光波的相位关系的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的形式检测出来的空间分

4、布或随时间变化的形式检测出来。 以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动E E1 1(x,y)(x,y)和和E E2 2(x,y)(x,y)分别为：分别为： 两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布布I(x,y)I(x,y)可表示为：可表示为： 式中，式中， 是条纹光强的直流分量；是条纹光强的直流分量； 是条纹的对比度；是条纹的对比度； 是光频差；是光频差； 相位差。相位差。 ),(exp),(),(exp),(22221111yxtjayxEyxtjayxE),(cos2),(212221yxtaaaayxI),(cos)

5、,(1),(yxtyxyxA21),(),(),(21yxyxyx2221),(aayxA)/(2),(222121aaaayx当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有 即即 ，此时，此时 当两束光的频率不同，干涉条纹将以当两束光的频率不同，干涉条纹将以 的角频率随时间波动，形成光学拍频信号，也叫的角频率随时间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两束光的频率相差较大，超外差干涉信号。如果两束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将观察不到干涉条过光电检测器件的频响范围，将观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大纹。在两束光的频率相差不大

6、( ( 较小较小) )的情的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号，并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号号，并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位等参数，从而能以极高的灵敏度测的频差及相位等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本本身的特征参量，形成外差检测量出相干光束本本身的特征参量，形成外差检测技术。技术。 210),(cos),(1),(),(yxyxyxAyxI 实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率n

7、n对光的传播距离对光的传播距离dsds的线积分，即的线积分，即对于均匀介质，上式可简化为：对于均匀介质，上式可简化为： 对上式中的变量对上式中的变量L L和和n n作全微分可得到相位变化量作全微分可得到相位变化量 002Lnds0/2nL)(20LnnL（二）干涉测量技术中的调制和解调（二）干涉测量技术中的调制和解调8.2 基本干涉系统及应用基本干涉系统及应用1 1、典型的双光束干涉系统、典型的双光束干涉系统2 2、多光束干涉系统、多光束干涉系统 3 3、光纤干涉仪、光纤干涉仪 当两束相干光束的频率相同时，若当两束相干光束的频率相同时，若被测量变化使相干光波的相位发生变化，被测量变化使相干光波

8、的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相位的变化变换再通过干涉作用把光波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称为单频光波为振幅的变化，这个过程称为单频光波的相位调制。的相位调制。8.3 8.3 同频率相干信号的相位调制与检测方法同频率相干信号的相位调制与检测方法一一 相位调制与检测的原理相位调制与检测的原理 干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率位差又取决于光传输介质的折射率n n对光的传播距对光的传播距离离dsds的线积分，即的线积分，即002Lnds0/2nL)(20LnnL二二 干涉条纹的检测方法干涉条纹的检测方法 在

9、相位调制检测系统中，被测参量一般是通过在相位调制检测系统中，被测参量一般是通过改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的位相调制，由改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的位相调制，由干涉仪解调出来的信息是一幅干涉图样，它以干涉条纹干涉仪解调出来的信息是一幅干涉图样，它以干涉条纹的变化反映被测参量的信息。干涉条纹是由干涉场上光的变化反映被测参量的信息。干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。干涉条纹的形状、间隔、程差相同的场点的轨迹形成。干涉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有关，因此根据干颜色及位置的变化，均与光程的变化有关，因此根据干涉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、

10、平面度、涉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统象折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统象差、光学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何差、光学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和物理量的测量。因此，如何检测干涉条纹就变得十量和物理量的测量。因此，如何检测干涉条纹就变得十分有意义。干涉条纹检测实际是检测干涉条纹的光强度分有意义。干涉条纹检测实际是检测干涉条纹的光强度分布或其随时间的变化。基本的条纹检测法包括条纹光分布或其随时间的变化。基本的条纹检测法包括条纹光强检测法、条纹比较法和条纹跟踪法。强检测法、条纹比较法和条纹跟

11、踪法。 1 1、 干涉条纹光强检测法干涉条纹光强检测法 在干涉场中确定的位置上用光电元件直接在干涉场中确定的位置上用光电元件直接检测干涉条纹的光强变化称为条纹光强检测法。检测干涉条纹的光强变化称为条纹光强检测法。下图给出了一维干涉测长的实例。为了获得最佳下图给出了一维干涉测长的实例。为了获得最佳的光电信号，要求有最大的交变信号幅值和信噪的光电信号，要求有最大的交变信号幅值和信噪比，这需要光学装置和光电检测器确保最佳工作比，这需要光学装置和光电检测器确保最佳工作条件，尽可能地提高两束光的相干度和光电转换条件，尽可能地提高两束光的相干度和光电转换的混频效率。的混频效率。 单频光相干时，合成信号的瞬

12、时光强为：单频光相干时，合成信号的瞬时光强为： )(cos2),(212221taaaatyxI)2cos(1 0LnII2 2、干涉条纹比较法、干涉条纹比较法 如下图所示的干涉仪中，如果采用两束不如下图所示的干涉仪中，如果采用两束不同频率的相干光源，各自独立地组成干涉光路，同频率的相干光源，各自独立地组成干涉光路，使其中一束光频为已知，另一束是未知的，则对使其中一束光频为已知，另一束是未知的，则对应共用测量反射镜的同一位移，两束光各自形成应共用测量反射镜的同一位移，两束光各自形成干涉条纹。经光电检测后形成两组独立的电信号，干涉条纹。经光电检测后形成两组独立的电信号，通过电信号频率的比较可以计

13、算出未知光波的波通过电信号频率的比较可以计算出未知光波的波长。这种对应同一位移，比较不同波长的两个光长。这种对应同一位移，比较不同波长的两个光束干涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹比较束干涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹比较法。从这种原理出发，设计出了许多精确测量波法。从这种原理出发，设计出了许多精确测量波长的波长计。长的波长计。条纹比较法波长测量原理图条纹比较法波长测量原理图1 1半透半反镜半透半反镜 2 2，3 3圆锥角反射镜圆锥角反射镜)1 (nnNBMr3 3、干涉条纹跟踪法、干涉条纹跟踪法 干涉条纹跟踪法是一种平衡测量法。在干干涉条纹跟踪法是一种平衡测量法。在干涉仪测量镜位置变化时

14、，通过光电接收器实时地涉仪测量镜位置变化时，通过光电接收器实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参检测出干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静止考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得到测量镜的位移，如下图所示，表示了利直接得到测量镜的位移，如下图所示，表示了利用这种原理测量微小位移的干涉测量装置。这种用这种原理测量微小位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性影响，并且不需要方法能避免干涉测量的非线性影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是跟踪系统

15、的固有惯性精确的相位测量装置。但是跟踪系统的固有惯性限制了测量的快速性，因此只能测量限制了测量的快速性，因此只能测量10kHz10kHz以下以下的位移变化。的位移变化。条纹跟踪法干涉系统示意图条纹跟踪法干涉系统示意图 图图8-9 8-9 二次相位调制方框图二次相位调制方框图8.48.4光外差检测方法与系统光外差检测方法与系统（两不同频率相干光信号的相位调制与检测）（两不同频率相干光信号的相位调制与检测）一一 光外差检测原理光外差检测原理1 1、光外差检测的基本原理、光外差检测的基本原理)()cos()()cos()(cos)(cos)()(22222SLSLLSSLSLLSLLLSSSLSpt

16、AAtAAtAtAtEtEPI光电探测器输出的光电流为：光电探测器输出的光电流为： 第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于1/21/2；第三；第三项是和频项，因为它的频率太高而不能被光电探测器响应，平均值项是和频项，因为它的频率太高而不能被光电探测器响应，平均值为零；第四项是差频项，它相对于光频来说要缓慢得多，当差频处为零；第四项是差频项，它相对于光频来说要缓慢得多，当差频处于探测器的通频带范围内才能被响应，则可得到通过以为中心频率于探测器的通频带范围内才能被响应，则可得到通过以为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：的带通滤波器的瞬时中频

17、电流为： )()cos(SLSLLLSIFtRAAV光学外差信号表达式光学外差信号表达式 2 2、光外差检测的特性、光外差检测的特性（1 1）探测能力强）探测能力强（2 2）高的转换增益）高的转换增益LLSLLSIFLSIFRPPRtPPP2222)(cos4外差探测中外差探测中直接探测中，探测器输出的电功率为直接探测中，探测器输出的电功率为: : LSLpPRPRIS222/IFPAPS令令2LSPAP（3 3）良好的滤波性能）良好的滤波性能（4 4）小的信噪比损失）小的信噪比损失（5 5）光电探测器的外差检测极限灵敏度）光电探测器的外差检测极限灵敏度（6 6）良好的空间和偏振鉴别能力）良好

18、的空间和偏振鉴别能力（7 7）稳定性和可靠性）稳定性和可靠性 3 3、光外差检测的空间条件和频率条件、光外差检测的空间条件和频率条件 光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。着所用激光器应该单频基模运转。信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声

19、。的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。面。在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。

20、（1 1）光外差检测的空间条件）光外差检测的空间条件 由于信号光与本振光波前有一失配角由于信号光与本振光波前有一失配角，故信号光斜入射到，故信号光斜入射到光探测器表面，同一波前到达探测器光敏面的时间不同，可等光探测器表面，同一波前到达探测器光敏面的时间不同，可等效于在效于在x x方向以速度方向以速度V Vx x行进，所以在光探测器光敏面不同点处形行进，所以在光探测器光敏面不同点处形成波前相差，故可将信号光电场写为：成波前相差，故可将信号光电场写为：)cos()(xVtAtExSSSSS式中，式中， 是信号光波矢在是信号光波矢在x x方向的分量。方向的分量。由上图可知，由上图可知， ，所以，所以

21、有有 , ,式中式中c c为光速。于是信号光电为光速。于是信号光电场可重写为：场可重写为：入射到光电探测器光敏面的总电场为入射到光电探测器光敏面的总电场为 ： xxSKV /sin)/(sincKKSxsin/cVx)sin2cos()(xtAtESSSSS)()()(tEtEtELS光探测器输出的瞬时光电流为：光探测器输出的瞬时光电流为：于是经中频滤波器后输出的瞬时中频电流为：于是经中频滤波器后输出的瞬时中频电流为： dxdyxtAAxtAAtAxtAdGdxdytAxtAdGiSSLSLLSSSLSLLSLLLSSSddddSLLLSSSddddSpsin2)()cos(sin2)()co

22、s()(cos)sin2(cos)cos()sin2cos(2222/2/2/2/2222/2/2/2/2xSxSSLSLLSIFVdVdtAAGi2/)2/sin()()cos( 因为因为V Vx x=c/sin,=c/sin,所以瞬时中频电流得大小与所以瞬时中频电流得大小与失配角失配角有关。因子有关。因子时 ， 瞬 时 中 频 电 流 达 到 最 大 值 ， 即 要时 ， 瞬 时 中 频 电 流 达 到 最 大 值 ， 即 要求求 ，也就是失配角，也就是失配角0 0。 但是实际中但是实际中角很难调整到零。为了得角很难调整到零。为了得到尽可能大的中频输出，总是希望因子尽可能接到尽可能大的中频

23、输出，总是希望因子尽可能接近于近于1 1，要满足这一条件，只有，要满足这一条件，只有 ，因，因此此 12/)2/sin(xSxSVdVd02/xSVd12/xSVddSsin 显然，失配角与信号光波波长成正比，与光显然，失配角与信号光波波长成正比，与光混频器的尺寸成反比，即波长越长，光电探测器混频器的尺寸成反比，即波长越长，光电探测器尺寸越小，则所容许的失配角就越大。由此可见，尺寸越小，则所容许的失配角就越大。由此可见，光外差探测的空间准直要求十分苛刻的。波长越光外差探测的空间准直要求十分苛刻的。波长越短，空间准直要求也越苛刻。所以在红外波段光短，空间准直要求也越苛刻。所以在红外波段光外差探测

24、比可见光波段有利得多外差探测比可见光波段有利得多 。（2 2）光外差检测的频率条件）光外差检测的频率条件 光外差检测除了要求信号光和本振光必须光外差检测除了要求信号光和本振光必须保持空间准直以外，还要求两者具有高度的单色保持空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性和频率稳定度。性和频率稳定度。 所谓光的单色性是指这种光只包含一种频所谓光的单色性是指这种光只包含一种频率或光谱线极窄的光。率或光谱线极窄的光。 二二 光外差检测的调频方法光外差检测的调频方法1 1、直接光频调制、直接光频调制利用激光器（如半导体激光器）的激励电源的频利用激光器（如半导体激光器）的激励电源的频率随时间改变而输出随时间变

25、化的调频参考光束率随时间改变而输出随时间变化的调频参考光束的频率调制方法称为直接调频法。的频率调制方法称为直接调频法。 (1)(1)塞曼效应（磁光调制）激光频移塞曼效应（磁光调制）激光频移 (2)(2)半导体激光器的直接频率调制半导体激光器的直接频率调制11( )()2cqnlTTlTn TiiRTlnTnlcqT)11(2)(3)(3)机械直接光频调制机械直接光频调制2 2、外光频调制、外光频调制(a) (a) 旋转波片旋转波片 (b)(b)声光效应声光效应 (c) (c) 旋转光栅旋转光栅图图8-15 8-15 固定频移的产生方式固定频移的产生方式(1)旋转波片（偏振调制）法旋转波片（偏振调制）法(2)声光效应法声光效应法 (3)旋转光栅法旋转光栅法 (4)(4)多普勒频移法多普勒频移法10fffS(rS-r0) 2fv2 rr0 )2sin(2sin2vf2sin2vf 2sin2fv或者或者 (5)(5)萨古纳克效应和转动差频萨古纳克效应和转动差频cos4cAL三三 外差检测方法与应用外差检测方法与应用1 1、直接频率调制的外差检测、直接频率调制的外差检测 在直接调频法中，被测参量对其中一束光波在直接调频法中，被测参量对其中一束光波作二次调制，检测外差信号可解调出被测参量值，作二次调制，检测外差信号可解调出被测参量值，信号流程如下图所示。信号流程如下图所示。图图