第3章光电检测技术第2节

C3光电检测技术理学院宋旸22C3光电检测技术3.1光电直接检测技术3.2光电外差检测技术3.3激光干涉测试技术3.4激光衍射测量技术3光电外差检测技术23光电检测技术43光电检测技术光接收机可分为：功率接收机和外差接收机外差接收机（空间相干接收机）功率接收机（直接检测接收机或非相干接收机）53.2光电外差检测技术3.2.1光电外差检测的基本原理3.2.2光电外差检测的基本特性3.2.3光电外差检测的应用条件3.2.4光电外差检测的应用举例63.2.1光电外差检测的基本原理单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分都比较困难。为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。特点：克服单频干涉仪的漂移问题；细分变得容易；提高了抗干扰性能。73.2.1光电外差检测的基本原理两束入射光：偏振方向相同、传播方向平行、重合后垂直入射到光电探测器上，光波场的合成产生了和频、差频光强信号。当差频信号频率在探测器频率响应区域时形成输出电信号。

8设输入信号光

探测器光敏面上的总光电场本振信号光

3.2.1光电外差检测的基本原理9由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频ω，它不能跟随光频变化，所以式中含有2ω的交变项对探测器的输出响应无贡献。干涉场中某点（x，y）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化3.2.1光电外差检测的基本原理光电探测器输出光电流10差频输出电流信号3.2.1光电外差检测的基本原理11差频探测本质是一种信号变换，将待测信号变换成一种低频信号，并携带了待测信号的所有信息。用中频放大器滤除直流量，剩下交流量3.2.1光电外差检测的基本原理差频信号的振幅、频率和相位将随待测光信号的振幅、频率和相位成比例的变化。光外差探测是全息探测12零拍光外差检测

当信号频率与本振频率相等时探测器输出电流与待测光波的相位和振幅成比例变换。若待测光是振幅（Es）调制，则要求相位锁定Δφ＝0，输出电流为最大；若是相位调制，则要求本振光波相位恒定。3.2.1光电外差检测的基本原理13被探测信号光功率

光外差检测输出功率

本振光功率

(1)光外差探测增益3.2.2光电外差检测的基本特性14光电直接探测输出功率为光外差对应的增益为

设本振光信号强度为mW级（0.5mW）

光外差探测技术的意义在于检测微弱信号3.2.2光电外差检测的基本特性(1)光外差探测增益15接收器光场＝输入信号光+噪声本底光+本振光对应的输出信号为第一项是弱信号；(r>>si+ni)第二项是调制外差信号；第三项是高频本振信号(直流项)。(2)光外差探测信噪比3.2.2光电外差检测的基本特性16经过滤波去直流，并且考虑到输出有效信号为输出信噪比为3.2.2光电外差检测的基本特性(2)光外差探测信噪比17与直接探测方法比较对于输入信号为小信噪比的情况，外差检测方法具有明显的优越性。3.2.2光电外差检测的基本特性(2)光外差探测信噪比18直接探测时用滤波片滤除背景光

对应的光频带宽度为

二氧化碳激光的10.6微米波长(3)光外差探测的滤波特性3.2.2光电外差检测的基本特性19光外差产生差频信号转换成电信号，频率远远低于探测光的频率。光外差信号对应的频率宽度为CO2激光多普勒效应测物体运动速率光外差探测技术对背景光有良好的滤波性能。3.2.2光电外差检测的基本特性(3)光外差探测的滤波特性20考虑到光电探测器的内部增益，散粒噪声、热噪声，光外差探测器的噪声为输出信号有效功率为

(4)光外差探测的极限灵敏度3.2.2光电外差检测的基本特性21功率信噪比为取本振信号强度充分大

3.2.2光电外差检测的基本特性(4)光外差探测的极限灵敏度22功率信噪比为

在直接探测系统中，取理想探测器获得探测极限灵敏度；在外差探测中取本振信号充分大可达到探测极限灵敏度。极限灵敏度

3.2.2光电外差检测的基本特性(4)光外差探测的极限灵敏度23频率条件：信号光、本振光具有相同的模式，激光器为单频基模。空间条件：光敏面处信号光、本振光光斑相互重合，提高信噪比。不重合的部分增加噪声。信号光、本振光的能流矢量保持同一方向，两束光发散角相同，波前曲率匹配。3.2.3光电外差检测的应用条件24(1)空间条件要求信号光与本振光的波前必须重合要保持信号光和本振光在空间上的角准直3.2.3光电外差检测的应用条件25信号光束本振光束本振光束到达检测器表面不同点的相位差为本振光波为3.2.3光电外差检测的应用条件(1)空间条件26x点的响应电流为全光敏面总响应电流为3.2.3光电外差检测的应用条件(1)空间条件27电流i取最大，则3.2.3光电外差检测的应用条件(1)空间条件28想获得强差频信号，必须使信号光束和本振光束在空间准直得很好。杂散光方向不一，绝大部分背景光不能与本振光准直，不能产生明显的差频信号。外差检测在空间上能很好的抑制背景噪声，具有良好的空间滤波性能。3.2.3光电外差检测的应用条件(1)空间条件29外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1-2MHz的频差2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大）3）光学机械移频当干涉仪中的参考镜以匀速v

沿光轴方向移动时，则垂直入射的反射光将产生的频移为3.2.3光电外差检测的应用条件(2)激光外差的光源303）光学机械移频如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于半波片旋转频率f的频移，即在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，使其产生2f的频移。圆偏振光再次穿过固定1/4波片后又恢复为线偏振光，但频率已发生偏移。3.2.3光电外差检测的应用条件(2)激光外差的光源314）声光调制器垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光栅的第n级衍射光产生的频移，此处f是光栅的空间频率，V是光栅移动速度。利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移动光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f，而与光的波长无关。3.2.3光电外差检测的应用条件(2)激光外差的光源323.2.4光电外差检测的应用举例①双频激光干涉仪②双频激光微小角度测量仪③双频激光空气折射率测定④激光外差测振干涉仪33加上轴向磁场的氦氖激光管，由于塞曼效应，激光器发出的光束中有两个频率成份，两者分别对应左旋和右旋偏振光，频差约为1.5MHz。3.2.4光电外差检测的应用举例①双频激光干涉仪34参考光束，经B1反射后，通过偏振片P1到探测器D1，合成光波产生差频信号3.2.4光电外差检测的应用举例①双频激光干涉仪35测量光束透过B1，通过1/4波片，变成相互垂直的线偏振光；再经过偏振分束镜B2，分别射向反射镜M1、M2；两束光反射后再次通过偏振分束镜，由角棱镜M反射，通过偏振片P2到达探测器D2。3.2.4光电外差检测的应用举例①双频激光干涉仪36反射镜M2以一定速度运动，反射的光波产生附加的多普勒频移，在探测器D2上产生的差频信号3.2.4光电外差检测的应用举例①双频激光干涉仪37探测器D2和探测器D1的信号合成反射镜运动的速度

测量过程中反射镜运动的距离

3.2.4光电外差检测的应用举例①双频激光干涉仪383.2.4光电外差检测的应用举例②双频激光微小角度测量仪39当两角锥镜产生转动，转动角度为

长度可由对应的多普勒频移计算②双频激光微小角度测量仪3.2.4光电外差检测的应用举例40用平面反射镜代替角锥镜，能够提高测量分辨率。双频激光干涉仪测角精度分辨率可达0.1”，测量范围可达±1000”。②双频激光微小角度测量仪3.2.4光电外差检测的应用举例41③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例42双频激光经过1/4波片形成同方向传播、偏振方向互相垂直的线偏振光；③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例43双层反射镜2的两个表面分别将两束光分开反射进入测量腔；③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例44其中测量光束由2的上表面反射，经过补偿环9，通过真空室，由棱镜6反射，再通过真空室、补偿环9，由2的下表面反射；③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例45参考光束由2的下表面反射，经过补偿环9，通过外空间，到棱镜6，反射后再通过外空间、补偿环9，由2的上表面反射；③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例46补偿环9中间部位配有1/4波片3，真空室内的光两次通过该波片后，产生空间偏振方向互换，而空气中的光束的偏振方向保持不变；③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例47经过真空室的光束中，产生频移后，偏振方向互换，在偏振分束镜1处与外空间对应光波重新组合。③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例48偏振反射光通过偏振片7上，送到光电探测器8上；偏振透射光通过偏振片7下，送到光电探测器8下；③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例49抽真空引起频移量折射率变化值为对于已抽成的真空的情况，上述装置能够测试环境空气介质折射率的变化，其测试精度由原理公式能够进行估算。③双频激光空气折射率测定3.2.4光电外差检测的应用举例50该测振仪用声光调制产生双频，其双频频差为40MHz。④激光外差测振干涉仪3.2.4光电外差检测的应用举例51

分光镜2将入射光分成两路。第一路测量光束由2反射、棱镜3反射、分光棱镜4透射，1/4波片5透射，通过聚光镜组6到达振动面7。④激光外差测振干涉仪3.2.4光电外差检测的应用举例52

振动面7的反射光产生多普勒频移，通过聚光镜组6，1/4波片5透射，由分光棱镜4反射，再到分光棱镜10。第二路参考光由2反射到达声光调制器9。④激光外差测振干涉仪3.2.4光电外差检测的应用举例53

声光调制器9的角度可调，第一使其处于布喇格角，参考光强达到最大，第二使出射方向与入射光方向一致。再通过棱镜8反射也到达分光棱镜10。④激光外差测振干涉仪3.2.4光电外差检测的应用举例54参考光束、测量光束经分束镜10分别投射偏振片P1和P2上