光学参量调制变换原理

光学参量调制变换原理第一页，共二十四页，2022年，8月28日2.4光学参量调制变换原理光外差技术光学位相调制光学频率调制第二页，共二十四页，2022年，8月28日2.4光学参量调制变换原理描述光波的所有基本参量都可能受到调制，有时几个参量同时受到调制。这些参量包括光的强度、相位、频率、颜色(或频谱分布)、偏振。这些光学参量最后必须作为光强的变化来探测，因为光探测器只能探测光的强度。第三页，共二十四页，2022年，8月28日光学参量调制技术分为光振幅调制(AM)、相位调制(PM)、频率调制(FM)、偏振调制(POM)、光波谱调制(SM)。利用光的干涉现象将上述参量转化为光探测器能敏感的较低频率的光电载波信号，作用在于把光波的相位关系或频率关系以及它们随时间的变化，以光强度空间分布或光强随时间变化的形式检测出来，这个作用也称作相幅变换。第四页，共二十四页，2022年，8月28日光外差技术在可见光和近紫外波段，由于光频很高(例如达到1016Hz)，每个光子的能量很大，较容易探测出单个光子，在这种情况下光外差技术并不特别有用，只要使用直接探测的方法就可以解决。第五页，共二十四页，2022年，8月28日在波长较长的情况下，由于缺乏可见光波段那样具有极高灵敏度的探测器，用直接探测法无法实现量子噪声限探测，只有用光外差技术才能使系统工作于量子噪声限。因此近、中红外波段应用光外差技术能够探测极微弱的光信号。由于光外差探测技术具有很多独特的优点，在可见光波段同样也得到广泛的应用。第六页，共二十四页，2022年，8月28日一、光外差原理在电磁波谱的射频和微波波段，外差接收技术采用被信息调制的高频载波在接收端与有一定频率的本机振荡信号相混频，得到频率为二者之差的中频信号，这个中频信号保持了调制信号的特征，通过检测中频信号就能最终解调出被传送的信息。把这种技术引伸到光频波段，就发展成多种形式的光外差探测技术。第七页，共二十四页，2022年，8月28日光外差探测是将含有被测信息的相干光调制波和作为本机振荡的光波在满足波前匹配条件下，在光电探测器上进行光学混频，探测器的输出是频率为二光波频率差的拍频信号。第八页，共二十四页，2022年，8月28日若信号光场和本振光场分别为：若光波垂直探测器光敏面入射，则其上的总光场分布为：混频后，探测器光敏面上光通量为：对于工作在响应度为R的线性区内的探测器输出信号为：第九页，共二十四页，2022年，8月28日外差探测的特点1）探测灵敏度高直接探测输出信号：外差探测输出信号：外差探测信号功率转换比为：若Φ1=10-10W，Φ0=10-3W，则G=4×107第十页，共二十四页，2022年，8月28日2）具有很高的信噪比只考虑散粒噪声和热噪声，外差光电流的均方值为：当本振光功率很大时，即，Φ0>>

Φ1

，本振散粒噪声远大于其它噪声，则噪声功率均方值为：可求出信噪比及最小可探测功率为：也称为外差探测的量子探测极限。第十一页，共二十四页，2022年，8月28日例子：外差探测比直接探测的NEP小2×10-4倍。讨论：1)不是越大越好，Φ0↑则，散粒噪声↑→SNR↓，因此Φ0要适当选取。2)满足信号处理的前提下，Δf越小越好。3)外差探测可以获得光信号的全部信息；而直接探测仅能探测信号光的幅值。4)滤波性能好：空间滤波，光谱滤波。第十二页，共二十四页，2022年，8月28日二、光外差探测的匹配条件1.光外差探测的空间条件要求信号光和本振光的波前在光探测器光敏面上保持相同的相位关系，即信号光和本振光的波前必须重合，必须保持信号光和本振光在空间上的角准直(或共轴)关系。定义中频输出比最大值小10%时的主光线夹角为失配角：第十三页，共二十四页，2022年，8月28日2.光外差探测的频率条件要求两束光具有高度的单色性和频率稳定性。3.光外差探测的偏振匹配为了获得最大的中频输出，要求两束光的偏振方向平行且保持稳定。第十四页，共二十四页，2022年，8月28日光学位相调制一、基本原理光学相位调制是基于光的干涉原理，它利用二束相干光束的叠加而产生的干涉条纹随被测量的变化而变化的现象，使被测量载荷在光的相位之上。第十五页，共二十四页，2022年，8月28日二、光学干涉仪位相差调制图2.41迈克尔逊干涉仪第十六页，共二十四页，2022年，8月28日图2.42吉曼干涉仪图2.43马赫泽德干涉仪第十七页，共二十四页，2022年，8月28日光学频率调制光学频率调制是被测物理量载荷在光学差频上。根据光频差的获得和差频信号检测方式不同，大致可以分为三种类型：参量调频、固定频移和直接调频。第十八页，共二十四页，2022年，8月28日一、光频移与差频检测外差干涉仪的基本特点是两干涉光束之间的频移使得干涉场强度随时间作正弦变化，其变化频率是两束光的频差。各种外差干涉仪技术的主要区别在于采用不同的方法来产生和测量两束相干光之间的频移。第十九页，共二十四页，2022年，8月28日1.产生光学频移的方法多普勒频移、塞曼频移、旋转1/4波片、移动衍射光栅、声光布拉格器件等。图2.44光学频移第二十页，共二十四页，2022年，8月28日2.差频检测方法(1)

参量调频被测参量直接对参考光的频率进行调制，形成与参考光有定频差的信号光，检测差额信号的频率可以测定被测参量值。第二十一页，共二十四页，2022年，8月28日(2)固定频移使用频移器件使参考光波相对于信号光形成一固定的频率偏移，或利用双频光源形成有一定频差的两束相干光束。被测信号对其中一束光波进行调制，用外差检测其差频信号就可以测定被测参量。这种方法有时也称作光学超外差。第二十二页，共二十四页，2022年，8月28日(3