第09章_直接探测与相干探测

1、光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering课程主要内容四大部分：课程主要内容四大部分：理论基础理论基础光电信号光电信号变换与处理变换与处理光辐射源光辐射源光电探测器光电探测器光电系统光电系统分析设计分析设计光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering测距测距计时计时器器放大、滤波、放大、滤波、比较比较主波主波回波回波光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图激光脉冲测距原理示意图电学信号变换电学

2、信号变换光电信号变换与处理光电信号变换与处理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering光学信号变换光学信号变换 光电信号光电信号变换与处理变换与处理光电信号变换光电信号变换电学信号变换电学信号变换教材第八章教材第八章教材第九章教材第九章教材第十章教材第十章00cos(2)EEvt人眼和探测器人眼和探测器可以可以响应平均光功率响应平均光功率20E 平方律器件平方律器件光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号光的

3、频率：光的频率：10141015Hz 00cos(2)EEvt探测器响应频率探测器响应频率1010Hz 光电信号变换光电信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号00cos(2)EEvt响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测00cos(2)EEvt光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号入射光与探测器相互作用的物理过程入射光与探测器相互作用的物理过程 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0909章章 直接探

4、测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率） 相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数） 探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换9.1 9.1 直接探测直接探测9.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例Drirect Detection ，又称为非相干探测，又称为非相干探测装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探测平均只能探测平均光功率（光强）光功率（光强）9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离222sssss1( )

5、sin()2tata平均1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程： 9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理ssss( )sin()E tat光光 波：波： 光功率：光功率： 222sssss1( )sin()2tata平均1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程： 9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律器件：平方律器件：ssss( )sin()E tat光波：光波： 光功率：光功率： 2d sss12ISS a1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程： 9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律器件：平

6、方律器件：ssss( )sin()E tat光波：光波： dss1( )ISVt2d sss12ISS a光场包络光场包络的的频率频率1010Hz 光场光场的频率的频率10141015Hz 1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程： 光电探测器光电探测器响应光场包络响应光场包络dss1( )ISPV t平方律器件：平方律器件：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比1)信噪比定义：信噪比定义：22ssLs22nnLnPI RISNRPi Ri 2sLsdB1/222nLn10lg20lgI RISNRi Ri电电信号功率和信

7、号功率和电电噪声功率之比噪声功率之比 9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理1) 信噪比定义：信噪比定义： 2sLsdB1/222nLn10lg20lgI RISNRi Ri电流（电压）信噪比：电流（电压）信噪比： 功率信噪比：功率信噪比： 2sU2sInnuUSNRiISNR或或2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理模拟信号系统：模拟信号系统：35， 精度高时精度高时10100信噪比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏

8、的一个是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标重要指标 数字脉冲系统：数字脉冲系统：例如，光通信误码率例如，光通信误码率0振动针孔振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）（定位特性）RR0振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）（定位特性）RR0振动针孔振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）（定位特性）RR0振动针孔振动针孔Rt2.2.转轴表面跳动时针孔转轴表面跳动时针孔 光通量的波形图：光通量的波形图：RUcttttR=0 零频、零频、2、4 、R0 零频零频、（同

9、相）、（同相）、2 、3.3.鉴相器输出鉴相器输出U0R=0 零频、零频、2、4 、 U0= 0 R0 零频、零频、（反相）、（反相）、2 、 U0 0 零频、零频、（同相）、（同相）、2 、 Uo 0 KUUUUtSinU) t (Ucic00mc4.4.鉴相器输出鉴相器输出波形波形Uot0Uot0TT=2/Uot0TT=2/R=0R0光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第九章第九章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率） 相干探测相干探测 （光的波动参

10、数）（光的波动参数） 探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第09章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测直接探测：直接探测：（非相干探测）（非相干探测） 相干探测：相干探测： （光学外差探测）（光学外差探测） 装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光非相干光源源，只能探测，只能探测光功率（光强）光功率（光强）。 装置复杂，光源必须为装置复杂，光源必须为相干光源相干光源，间接，间接探测探测光波的振幅、频率和相位光波的振幅、频率和

11、相位等参数。等参数。光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为又称为光外差探测光外差探测 1. 相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 信号光s （本地、异地）参考光ru双频光波：9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理1. 相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理

12、框图 9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理u波前匹配条件：波前匹配条件：空间条件空间条件频率条件频率条件偏振条件偏振条件1. 相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理采用平方律采用平方律探测器探测器：（只响应平均功率）（只响应平均功率）高灵敏度、高频响应、量子效率高灵敏度、高频响应、量子效率PMT，PIN-PD，A_PD u光学混频光学混频器：器：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos(

13、)()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tat信号光信号光参考光参考光2cos121sin)cos()cos(21sinsinsinsincoscos)cos(sinsincoscos)cos(2和和 角角 差差 角角 积积 222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()(

14、)IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tat信号光信号光参考光参考光222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为： 10141015Hz1010Hz222h

15、ssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号hssrcos()ISa at 探测器、放大器滤波器（中频输出）探测器、放大器滤波器（中频输出） 信信 息息 1. 相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号hssrcos()ISa at srsr特例：单频双光束干涉（频差为特例：单频双

16、光束干涉（频差为0 0）讨论：讨论：相干探测的实质相干探测的实质222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.1.平方律探测器平方律探测器2.2.频率搬移频率搬移sr10141015Hzs G107108 外差探测外差探测直接探测直接探测hsmrsrs2ISa aS hssrcos()ISa at 22hsmsrr222dsss44ISGIS 2. 相干探测的基本特性相干探测的基本特性相干探

17、测优点：相干探测优点：信噪比高信噪比高相干探测：相干探测： 直接探测：直接探测： 仅考虑信号光引起的仅考虑信号光引起的散粒噪声限制散粒噪声限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探测相干探测信噪比高？信噪比高？shhSNRffNEPhh2. 相干探测的基本特性相干探测的基本特性信号光电流、背景光电流和器件暗电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声仅考虑仅考虑信号光电流信号光电流引起的散粒噪声：引起的散粒噪声：直接探测的信噪比：直接探测的信噪比：sd2hSNRf2nT2nD2nB2nSiiii，22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii2.

18、 相干探测的基本特性相干探测的基本特性外差探测：外差探测： 直接探测：直接探测： 仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即 sd2hSNRfshhSNRf2NT2ND2NB2NSiiii，外差探测与直接探测更容易满足条件外差探测与直接探测更容易满足条件相干探测相干探测信噪比高？信噪比高？2. 相干探测的基本特性相干探测的基本特性相干探测相干探测优点优点：（与直接探测对比）（与直接探测对比）探测能力强探测能力强转换增益高转换增益高信噪比高信噪比高滤波性好滤波性好（空间滤波和光谱滤波）（空间滤波和光谱滤波）稳定性和可靠性高稳定性和可靠性高光电科学与工程学院光电科学与工程

19、学院College Of Optoelectric Science and Engineering 9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测空间条件相干探测空间条件2 2相干探测频率条件相干探测频率条件3 3相干探测偏振条件相干探测偏振条件满足满足波前匹配条件波前匹配条件： 1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的信号光和本振光在空间上的角准直角准直41失配角：失配角： 9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件例：例：光电探测器光电探测器的尺寸的尺寸d为为lmm，当当s0.63m时时 1 1相干探测空间条件相干探测空间条件为什么需要为

20、什么需要角准直角准直？ 探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方向方向各点的相位差各点的相位差不同不同： sssss2 sin( )sin()E tatx9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件为什么需要为什么需要角准直角准直？ 探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方向方向各点的相位不同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没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小导致混频输出电流信号减小为什么需要为什么需要角准直角准直？ 探测器表面各点探测器表面各点相位相位相同相同时：时：探测器表面各点探测器表面各点相位相位不同不同时

21、：时：输出信号输出信号最大值最大值输出信号输出信号减小减小1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直：信号光和本振光在空间上的角准直： ssind例：例：d=1mm，s0.6328m41失配角：失配角： 可以证明：可以证明： 9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直：信号光和本振光在空间上的角准直： ssind例：例：d=1mm，s0.6328m41失配角：失配角： 可以证明：可以证明： 空间准直：空间准直： 条件苛刻条件苛刻 空间滤波空间滤波9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测

22、的条件2 2相干探测频率条件相干探测频率条件混频器选通放大器观察仪器高频示波器高频示波器频谱分析仪频谱分析仪 外差接收外差接收v，1041010Hz信号光和本振光的频率漂移？信号光和本振光的频率漂移？ 采用高单色性和频率稳定度的激光源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，由频偏取得本振光两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 专门措施：专门措施： 9.2.2相干探测的条件相干探测的条件222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS

23、 EtEtE t E tSaaatata ata at3 3相干探测偏振条件相干探测偏振条件平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为： “代数和” ？信号光与本振光的偏振方向一致信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器加检偏器获得偏振方向一致获得偏振方向一致 9.2.2相干探测的条件相干探测的条件9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测相干探测空间条件空间条件2 2相干探测相干探测频率条件频率条件3 3相干探测相干探测偏振条件偏振条件满足波前匹配条件：满足波前匹配条件： 相干探测相干探测与与直接探测直接探测相比？相比？光电科学与工程学院光电科学与工程学院

24、College Of Optoelectric Science and Engineering9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为又称为光外差探测光外差探测 9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例hssrcos()ISa at 相位调制相位调制频率调制频率调制ssrs00vvvv，干涉测量干涉测量相干通信相干通信精密测长、测距、测速、测振动、精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、测力、测应变、光谱分析光谱分析，

25、外层空间特别是卫星之间通信、外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用光纤通中波分复用 接收解调，接收解调， 9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例2.2.激光多普勒测速激光多普勒测速3.CO3.CO2 2激光外差通信激光外差通信1.1.激光干涉测量激光干涉测量 hssrcos()ISa at 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 hssrcos()ISa at 信号光信号光参考光参考光单频单频hsrscosISa a2 / 2nl1) 单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光单频单频hsrscosISa a2 / 2nl2()Nm位移位移l1.

26、1.激光干涉测量激光干涉测量 1) 单频激光测长单频激光测长 例：例：取取n=1, 测量镜位移时观察到探测器测量镜位移时观察到探测器的输出为：的输出为：hsrscosISa a2 / 2nl2()Nml = ?1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1) 单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光2 / 2 n l2()Nm 位移位移l局限性：局限性： 不能判别移动方向不能判别移动方向1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 光电探测器光电探测器4,54,5相位差为相位差为/2/2参考光参考光信号光信号光判别移动方向：判别移动方向：“参照物参照物”1.1.激光干涉测量激

27、光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 判别移动方向判别移动方向：“参照物参照物”1.1.激光干涉测量激光干涉测量 正反移动方向波形正反移动方向波形 1) 单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光2 / 2 n l缺点：缺点：空气的空气的折射率折射率n与当时的与当时的环境温度环境温度、 湿度湿度 及及气压气压等因素有关，影响测量精度等因素有关，影响测量精度2. 双频激光测长双频激光测长 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2) 双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪双频激光双频激光检偏器检偏器 滤波片滤波片 信号光信号光 参考光参考光 1.1.激光干涉测量激光干涉测量

28、 2) 双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪2v 光学差频信号光学差频信号 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2) 双频激光测长双频激光测长 2v光学差频信号光学差频信号: : 积分器波数积分器波数: : 位移测量公式：位移测量公式：2LN位移与位移与空气的折射率空气的折射率n无关！无关！02dtLNv t1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2) 双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪频差为频差为150MHz，激光稳频精度为激光稳频精度为108时，时，测长精度测长精度0.1m3. 二维干涉图测量二维干涉图测量 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 3)3)波前调制相

29、位与二维干涉图分析波前调制相位与二维干涉图分析表面形状分布表面形状分布 二维光强分布二维光强分布 亮条纹亮条纹扩束扩束1.1.激光干涉测量激光干涉测量 3)3)波前调制相位与二维干涉图分析波前调制相位与二维干涉图分析 物面凹凸物面凹凸 不平程度不平程度 相位分布相位分布sr基本思路：基本思路：亮条纹亮条纹 二维二维 干涉图样干涉图样),(yxs1.1.激光干涉测量激光干涉测量 表面形状分布表面形状分布 二维光强分布二维光强分布 亮条纹亮条纹Sr动态检测：动态检测：精度精度 /100 静态检测：静态检测：精度精度 /20/20 二次相位调制二次相位调制 3)3)波前调制相位与二维干涉图分析波前调

30、制相位与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量 Sr一次相位调制一次相位调制二次相位调制二次相位调制3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量 使参考光相位人为地随时间调制使参考光相位人为地随时间调制 二次二次相位调制相位调制 信号光相位受到被测物理量的调制称为信号光相位受到被测物理量的调制称为 一次相位调制一次相位调制二次相位调制的二次相位调制的定义定义Sr3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量 静止干涉图样静止干涉图样亮条纹亮条纹光学相位分布光学相位分布，计算机界计算机界

31、面上是一幅静止的画面面上是一幅静止的画面 静态检测静态检测光学相位分布变换为时序光学相位分布变换为时序电信号相位电信号相位动态检测动态检测一次相位调制一次相位调制：二次相位调制二次相位调制：（照相机）（照相机）（摄像机）（摄像机）rS3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量 3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量二次相位调制的二次相位调制的实现途径实现途径 二次相位调制sr 移动参考镜压电陶瓷：伸长（缩短）量压电陶瓷：伸长（缩短）量 l = kU Lr 参考镜参考镜例：例：阶梯波阶梯波扫描干涉法扫描干涉法3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量

32、阶梯波阶梯波扫描时的干涉图：扫描时的干涉图：干涉图样：干涉图样：时序信号：时序信号：tI3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量阶梯波阶梯波扫描时的干涉图：扫描时的干涉图：干涉图样：干涉图样：时序信号：时序信号：tI3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量例例 阶梯波扫描干涉法阶梯波扫描干涉法 物面凹凸物面凹凸 不平程度不平程度 相位分布相位分布sr3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量基本思路：基本思路：亮条纹亮条纹 二维二维 干涉图样干涉图样),(yxs011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x只分析一维的情况干涉面上任一点x的光强度： 将上式看作是将上式看作是r的余弦

33、函数的余弦函数 I(x, r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）cosr +2as(x)arsins(x）sinr 求解求解s表达式（表达式（1 1）3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量22srsrrs( )( )( )2cos( )I xaxaxa ax011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x每次改变每次改变1/n周期周期采样采样p个周期个周期令令r在在2周期内每周期内每次改变次改变1/n周期，共周期，共采样采样p个周期，即个周期，即rj2() 1,2,3.,jjnpn 求解求解s表达式（表达式（2 2）3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量220sr11( )( ,)( )nprjjUxI xaxanp011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x1ss12( )( ,)cos2( )cos( )nprjrjrjUxI xax axnp1ss12( )( ,)sin2( )sin( )nprjrjrjmxI xax axnp每次每次光电光电测量数值测量数值 求解求解s表达式（表达式（3 3）3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量1ss12( )( ,)cos2( )cos