光外差检测的条件(精)

2.3光外差检测的条件一、空间相位的调准与匹配（空间条件）1、要求：由对外差检测混频效率公式(2.2.19)的讨论可知:仅当信号光场和本振光场在探测器灵敏面各点处均具有相同的偏振方向、可比的振幅和相同的位相时，才有最佳混频效率，此状态称为实现了空间相位匹配。这一要求意味着信号光与本振光的波前应重合，在空间上实现角准直。dAEEdAEEdAEEmSSLLSLeff**2*2、两光场不重合对信噪比的影响设：探测器光敏面为边长为d的正方形；信号光场和本振光场均为平面波，其中，本振光垂直入射到光敏面；二波前夹角，如图所示注意到信号光同一波前上各点到达光敏面的时间不同，设其在x方向的速度分量为，则在光敏面上不同点处形成波前的相位差，此时，信号光场可写为(2.2.29)式中是信号光波矢在x方向的分量。xv)cos(),(0xvtEtxExssssssin222sxsxxsvvvfvxssskxkkkˆ)2cos(sinsk将其代入(2.2.29)得(2.2.30)设:本振光场为(2.2.31)则入射到光敏面上的总光场为依探测器的平方律特性,在探测器表面x方向增量上产生的微分电流为)sin2cos(),(0xtEtxEsssss)cos()(0LLLLtEtE)(),()(tEtxEtELsdxdxtEtxEdiLsp2)](),([展开上式，并舍弃合频项，得将余弦项展开后，从到积分，再舍弃直流项，得中频输出电流为(2.2.32)dxxktEEEEdixsLLsLsp])cos[(20020202d2d2)2sin()cos(2002020dkdktEEEEdixxsLLsLsp2)2sin()cos(00dkdktEdEixxsLLsIF分析:由上式知(1)仅当时,最大此时必有:,也就是和。(2)当时,.此时有即和一般当时,已经很小，可不考虑.仅考虑即可.令n=1,上式变成此时12)2sin(dkdkxx0xkxk002)2sin(dkdkxx0IFi0)2sin(dkx02dkxndkx2,...3,2,1nndddsss222sin2dns1n2)2sin(dkdkxx1ndsIFi0IFi（3）若允许比时的降低10%，则有相应的允许失配角为表明：允许的失配角与信号光波长成正比，与探测器边长d成反比。由此可推断，红外波段比可见光波段容易实现外差检测。3、解决准直困难问题的方法：采用埃里斑系统（自学，p153）ddss48.0sIFi0IFiradddksx8.02二、外差检测的频率条件1、单色性：光外差检测是两束光波迭加产生干涉的结果，其干涉程度取决于两束光的单色性，既两束光应具有单一的频率，或足够窄并互相交迭的光谱，激光器则需单纵模运行。2、频率稳定性：信号光与本振光的频率漂移会使外差性能变坏，若频移超出中频带宽，系统就不能正常工作，故光源需附有稳频措施。三、大气湍流对光外差检测的影响2.4三频外差检测引言:外差检测的弱点：（1）技术复杂，需采用各种措施保证信号光束与本振光束满足空间匹配条件。（2）对运动目标的检测，由于存在多普勒频移，会引起中频漂移，为此，系统带宽必须做得很大，结果会降低检测信噪比。一、三频外差检测原理1、系统结构工作过程：互相平行并完全重合的两列信号光波及本振光垂直入射到光探测器上，其频率分别为、和，经光探测器混频后，将得到的差频分别为和的中频信号送到平方律器件再次混频，产生频率为的差频信号并经放大器放大12LL1L221后输出。由于和的信号与无关，且和可由同一激光器产生，故本振光频率的不稳定性不会影响差频项。2、中频电流公式设：偏振方向相同、传输方向互相平行且重合的三束光垂直入射到探测器的光敏面上，其光场可分别表示为（2.2.37）则总入射光场为1212L)cos()(11101tEtE)cos()(22202tEtE)cos()(0LLLLtEtE)()()()(21tEtEtEtEL光探测器输出电流为(2.2.38)其中的合频项对时间积分为零，差频项因变化缓慢当常数处理得以保留。由于本振光很强,有,,上式可简化为(2.2.39)221)]()()([tEtEtEiLp)]()cos[(2{21101020220210LLLLtEEEEE)]()cos[(222020LLLtEE)]}()cos[(221212010tEE100EEL200EEL)]()cos[(21{21101020LLLLptEEEi)]}()cos[(222020LLLtEE(2.2.38)式中第三项为高阶小量略掉,于是,中频电流为(2.2.40)这两个中频信号经平方律器件混频得差频信号为(2.2.41))]()cos[(2{21101020LLLLIFtEEEi)]}()cos[(222020LLLtEE)]()cos[(1212201012tEEi二、信噪比及最小可探测光功率1、当本振光足够强时，可认为系统噪声的主要成分为本振光电流的霰弹噪声，有(2.2.42)式中,为带通滤波器带宽则第一个滤波器输出端信噪比为(2.2.43)poSNRfeifPefieidcLLn2222LLLdcPEEEEi20202202102)(2ffeiEEEiiiSNRdcLdcnLIFpo2)(22022021022iLdcSNRfhPPfePPPi)(2121该差频信号经平方律器件后，再经带宽为B的滤波器滤波,理论上可证其输出信噪比满足下面的关系(见R.J.凯斯主编，董培芝等译《光探测器与红外探测器》，科学出版社，1984，332页)(2.2.44)输出信噪比的近似平均值为(2.2.45)在很大的极限情况下，上式变为(2.2.46)表明:选择可使)21(2)()21(4)(22iipoiiSNRBSNRfSNRSNRBSNRf)21(3)(2iipoSNRBSNRfSNRBSNRfSNRipo6fBipoSNRSNR2、最小可探测光功率让，从方程(2.2.45),得到记；，代入上式并移项，得解方程得:取正得：即：1poSNRfBSNRSNRii321)(2xSNRiafB3022aaxx24422aaax)1(aaax)31(33fBfBfBSNRi此结果代入(2.2.43),得(2.2.47)注意到,及有移项得注意到，有表明:三频外差检测灵敏度远高于普通外差检测灵敏度。fhPPSNRi)(21)31(33)(min21fBfBfBfhPPfB...211xx)231(33)(min21fBfBfBfhPPfB3外差minmin21333)(PfBfhfBhfBPPfB外差minmin21)(PPP2.5外差检测与直接检测性能比较(可自己归纳)一、一般比较直接检测:仅响应入射光的辐射功率，检测灵敏度低，装置相对简单，适用于强光检测。外差检测：响应入射光的辐射功率、频率、相位，既适用于强光检测，也适用于弱光检测，输出信噪比和灵敏度均较高，装置复杂。二、光电转换功率增益直接检测输出信号功率依（2.1.3）为外差检测输出信号功率依（2.2.9）为(不考虑探测器自身增益)若二者输入光功率及负载电阻均相同,则外差检测相对于直接检测的光电转换增益为外差检测中量级；量级；代入上式，知：倍。LsRPP22直接LLSIFRPPP22sLLsLLsIFPPRPRPPPPG22222直接WPL310~WPs1010~7102G三、信噪改善比SNIR1、直接检测系统信噪比依（2.1.5）为对弱光检测有对强光检测有则信噪改善比为最小可探测光功率为pipipoSNRSNRSNR21)(2nisiPP1)()(22nisipipoPPSNRSNRnisiPP1piSNR2pipoSNRSNR21pipoSNRSNRSNIR直接fhPSLs2min2、外差检测系统信噪比（仅考虑本振光霰弹噪声）(2.2.12)最小可探测光功率(2.2.13)为直接检测系统最小可探测光功率的1/2。IFSpofhPSNRIFfhPmin