直接探测和相干探测

00cos(2)EEvt人眼和探测器可以响应平均光功率20EΦ平方律器件光－电信号变换光电探测器光信号电信号光－电信号变换光电探测器光信号电信号光的频率：1014～1015Hz00cos(2)EEvt探测器响应频率1010Hz光－电信号变换光电探测器光信号电信号00cos(2)EEvt响应平均光功率直接探测响应光的频率···相干探测第09章直接探测和相干探测直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）探测方法的改进光－电信号变换9.1直接探测9.1.1直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例－－DrirectDetection，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离光波：光功率：平方律器件：ssss()sin()Etat人眼和探测器可以响应平均光功率2)(ssat2)(ssatSI1.直接探测基本物理过程：光场包络的频率1010Hz光场的频率1014～1015Hz－－光电探测器响应光场包络dss[1()]ISVt平方律器件：设光栅的栅距P＝40μm相对移动的速度V=1cm/s半导体激光器,波长λ=890nm8914s/310/890103.3710cHz。例1比较光场频率和光强度信号的变化频率光强度信号的变化频率f=？光场频率v=?2.直接探测系统的信噪比1)信噪比定义：2sLsdB1/222nLn10lg20lgIRISNRiRi－－电信号功率和电噪声功率之比9.1.1直接探测的基本原理22ssLs22nnLnPIRISNRPiRi2sU2sInnuUSNRiISNR或模拟信号系统：3～5，精度高时10～100信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标数字脉冲系统：例如，光通信误码率10-9要求信噪比～20dB提高系统信噪比的基本途径：－－光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜·····－－－－－《应用光学》－－电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信号检测·······－－－第十章－－热力学方法，制冷降低探测器噪声信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声散粒噪声2)直接探测的信噪比极限：以光电二极管为例22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声2nSS2ieIfsd2SNRhvf－－直接探测的量子极限最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声（忽略吗？）－－直接探测的量子极限2)直接探测的信噪比极限：22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisd2SNRhvf2nSS2ieIf2.直接探测系统的信噪比－直接探测的量子极限量子极限的另一种表达是：－直接探测的噪声等效功率例：η为1，Δf为1Hz，～2hν，已很接近单个光子的能量hν。实际上，几乎不可能？？？sd2SNRhvfd2hvfNEP9.1直接探测9.1.1直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例－－DrirectDetection，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离9.1.3直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉·········几何量（长度、位移····）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕···）光学参量（吸收、反射···）电磁量（电流、电场、磁场···）··············应用于测量：应用于控制：特点：信息加载－－辐通量（光强）几何量（长度、位移····）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕···）光学参量（吸收、反射···）电磁量（电流、电场、磁场···）··············辐通量（幅度、频率、相位···）9.1.3直接探测的应用举例例1.光电磁场测量磁场－－光通量（幅度）磁场振动方向旋转角度光通量幅度9.1.3直接探测的应用举例例2.光栅莫尔条纹测位移mΔcos(2π)xPt精度已可达±0.1μm/m位移－－光通量（频率）9.1.3直接探测的应用举例光通量的频率测量光电转速表光栅位移传感器测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：基准精度测量精度基准稳定方法幅度10-3～10-410-2～10-3模拟量稳定电路频率10-6～10-810-5～10-7晶振，数字锁相环现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！例3.光电测距－－光电光波测距发射光波接收光波距离－－光通量（相位）002/tDc9.1.3直接探测的应用举例第09章直接探测和相干探测直接探测：（非相干探测）相干探测：（光学外差探测）装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率（光强）。装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。9.2相干探测9.2.1相干探测的基本原理9.2.2相干探测的条件9.2.3相干探测的应用举例－－CoherentDetection－－又称为光外差探测1.相干探测的物理过程原理框图9.2.1相干探测的基本原理信号光ωs（异地）参考光ωr（本地）双频（不同光波长）光波：以一般情况为例：在同一方向上传播、振动方向相同、振幅不同、频率差相差很小的两束单色光1)合成的光强得到信号输出ssss()sin()Etatrrrr()sin()Etat信号光参考光平方律探测器光混频电流信号为：)]()cos[(2)()(222rsrsrsrsrShstaaaaStEtESI参见竺子民，《物理光学》，P119经带通滤波选频)]()cos[(2rsrsrshstaaSI平均光电流为幅值的有效值rsrshsaaSaaSI222相速度群速度参见梁铨廷，《物理光学》，P63频谱分析类似DSB调制拍频等于两光频差包络频率等于两光频差的1/2参考：双边带调制（DSB）DSBsttttHHMDSBScc02rsHHH2rsc2rsmH探测器－－滤波器（中频输出）srsr特例：单频双光束干涉（频差为0）－零差探测)cos(2taaSIrshs1010Hzrssrrsrscccff例：1.55µm和1.5501µm双光束Hz1012681025.1105501.155.1100001.0103要求频差极小！混频器选通放大器观察仪器高频示波器频谱分析仪外差接收△v，104～1010Hzνsνr无线电－－外差接收高频载波本机振荡混频中频信号解调音频图像信息－－光外差探测光电系统－－相干探测2)调制信号的探测s00nnn1()[1()][1cos()]MnatAVtAmt相干探测_拍频信号的调制)cos(2taaSIrshs相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）2.相干探测的基本特性9.2.1相干探测的基本原理相干探测优点：（与直接探测对比）探测能力强转换增益高信噪比高滤波性好稳定性和可靠性高相干探测优点之一：探测能力强，可还原信号光信息直接探测－－光的强度：as2振幅相位频率信号光波的)cos(2taaSIrshs只要知道参考光的全部信息，就可以恢复信号光波的全部信息相干探测优点之二：转换增益高，适合微弱信号的探测ΦrΦsG~107－108注意：功率为幅值有效值的平方)cos(2taaSIrshssrsrsrssrsLdsLhsaaaaaaSaaSRIRIG88422222242222222外差探测直接探测信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声散粒噪声仅考虑信号光电流引起的散粒噪声：直接探测的信噪比：sd2hSNRf22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii2nSS2ieIf相干探测优点之三：信噪比高外差探测：仅考虑强的本地光引起的散粒噪声限制，即外差探测的量子探测极限fhfehefeSfeSSfeSaaSfeSaaSIISNRsssrrsrrsrrsnhsh4)(4428222222222222fhSNRsh4相干探测：直接探测：仅考虑信号光引起的散粒噪声限制fNEP2hdsd2hSNRf相干探测信噪比高，最小可探测功率更小fhSNRsh4fhNEPh49.2.2相干探测的条件1．相干探测空间条件2．相干探测频率条件3．相干探测偏振条件满足波前匹配条件：为什么需要角准直？－－信号光和本振光在空间上的角准直（共轴）1相干探测空间条件)cos(2taaSIrshs探测器表面各点相位相同时：探测器表面各点相位不同时：输出电流信号－－最大输出电流信号－－减小处处相等处处不相等探测器接收面上沿x方向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没有相同的位相关系导致混频输出电流信号减小123xsinx2s本振光束随x分布的相位差：rrrrtcosatE本振光束：x点的响应电流为：xtcosatErrrr则：dxxtcosaadirsrS光敏面总响应电流为：2d2dsintcosaadxdyxtcosaairsrSrsrSAdAd为探测器的面积，d为x方向的长度。当12d2dsin时，中频电流i最大即2d2dsin外差探测的空间相位条件：002d12d或sin2r又dsinrdarcsinr或有：例：d=1mm，λs＝0.6328μm失配角：ds例：d=1mm，λs＝10.6μm失配角：69定义：中频输出比最大值小10%时的主光线夹角为失配角33对长波探测有利空间滤波2．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频谱分析仪外差接收△v，104～1010Hz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两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光专门措施：9.2.2相干探测的条件)]()cos[(2)()(222rsrsrsrsrShstaaaaStEtESI平方律探测器光混频输出Ihs为：“代数和”？信号光与本振光的偏振方向一致加检偏器－－获得偏振方向一致3相干探测偏振条件9.2相干探测9.2.1相干探测的基本原理9.2.2相干探测的条件9.2.3相干探测的应用举例－－CoherentDetection－－又称为光外差探测9.2.3相干探测的应用举例hssrcos()ISaat－－相位调制－－频率调制ssrs00vvvv，，干涉测量相干通信精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、光谱分析，······外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用接收解调，······9.2.3相干探测的应用举例2.激光多普勒测速3.CO2激光外差通信1.激光干涉测量)]()cos[(2rsrsrshstaaSI1.激光干涉测量1)单频激光测长信号光参考光单频2π/2nl位移lcos2rshsaaSI)]()cos[(2rsrsrshstaaSIn=12π()Nm1)单