光外差探測技術(shù)及其應(yīng)用

1、5/11光外差探測技術(shù)及其應(yīng)用張瀟依 10041540102 摘要：光外差探測又稱為相干探測，其探測原理及微波及無線電外差探 測原理相似，但是其探測精度亦比微波高數(shù)量級。相干探測及直 接探測相比，其測量精度高U10,數(shù)量級，它的靈敏度達(dá)到了量子噪 聲限。關(guān)鍵字：光外差探測、光子計(jì)數(shù)、量子噪聲限、激光測距、多普勒 測速1-引言光外差檢測在激光通信、雷達(dá)、測長、測速、測振和光譜學(xué)等方面都 很有用途。光外差檢測的靈敏度達(dá)到了量子噪聲限，其NEP值可達(dá) IO-?。也可以檢測單個光子，進(jìn)行光子計(jì)數(shù)。在光電信息檢測中，當(dāng)光波頻率很高時，每個光子的能量很大，很容 易被檢測出來，這時光外差檢測技術(shù)并不特別有用

2、。相反，由于直接檢 測不需要穩(wěn)定激光頻率，也不需要本振激光潛，在光路上不需要精確的 準(zhǔn)直，因此，在這種情況下直接檢測更為可取。在波長較長的情況下， 已經(jīng)有了高效率、大功率的光源可利用。但在這個波段缺少像在可見光 波段那樣極高靈敏度的檢測器。因此，用一般的直接檢測方法無法實(shí)現(xiàn) 接近量子噪聲限的檢測，光外差檢測技術(shù)就顯示了它的優(yōu)越性。2.原理光外差檢測是有別于直接檢測的另一種檢測技術(shù)。光外差檢測原理 方框圖示于圖1 1。圖中，為信號光波，為本機(jī)振蕩（本振）光 波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過分光鏡,和可變光闌用入射到檢測器 表面進(jìn)行混頻，形成相干光場。經(jīng)檢測器變換后，輸出信號中包含。= 八一九的差

3、頻信號，故又稱相干檢測。探測器束圖1一1,外差檢測原理示意圖反射鏡圖1一2外差檢測實(shí)驗(yàn)裝置圖1 2是外差檢測的實(shí)驗(yàn)裝置，光源是經(jīng)過穩(wěn)頻的CO2激光器。 由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)過反射的作為本振光波，其頻率為 /；;另一路經(jīng)過偏心輪川反射，并由透鏡用聚焦到可變光闌用上作為信號 光束。偏心輪川轉(zhuǎn)動相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動速度，光的回波就 產(chǎn)生了多普勒頻移，其頻率為可變光闌川用來限制兩光束射向光電 檢測潛的空間方向。線柵用偏振鏡用用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤?相干光，然后兩束光垂直投射到檢測器上。下面用經(jīng)典理論來分析兩光束外差后的結(jié)果。設(shè)入射到檢測器上的信 號光場為：fs(t) =

4、Ascos(w3t +(p5)(1. 1)本機(jī)振蕩光場為：fL(t) = ALcos(wLt + (pL)(1.(2)那么，入射到檢測器上的總光場為：/(0 = A cos(vv/ + o) + Al cos(wLt +(pL)(1.(3)由于光檢測器的響應(yīng)及光電場的平方成正比，所以光檢測器的光電流為 ip(f)8 河=<。)+ 九(7)(1.(4)式中的橫線表示在幾個光頻周期上的平均。將上式展開后，則有，,(，) =a 河=afs(t) + fL(T)2 =a 4 2 cos2 (wy + a)+ A J cos1 (wj + 必)+44cos(& + 嗎)，+Q +例) +

5、44cos(&-嗎)/ +S -弘) (1. 5)式中：a =5/小，為光電變換比例常數(shù)；，”為光子能量；叫=叼,-明稱為差頻。上式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2o第三項(xiàng)(和頻項(xiàng))頻率太高，光混頻器不響應(yīng)。而第四項(xiàng)(差頻項(xiàng))相對光頻而言,頻率要低得多。當(dāng)差頻(%-%)/2萬=嗎/2%低于光檢測器的截止頻率時，光檢測器就有頻率為卬/2乃的光電流輸出。如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以嗎為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為(，)=aAsAL cos(wL -ws)t + (<pL -%)(1.(6)從上式可以看出，中頻信號電流的振幅頻率(%-%

6、)和相位(經(jīng)-外)都隨信號光波的振幅、頻率和相位成比例地變化。在中頻濾波器 輸出端，瞬時中頻信號電壓為：匕=aAsALRL cos(wL-ws)t + (pL-0)(1.(7)式中，勺為負(fù)載電阻。中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻 周期內(nèi)的平均值，即：(1.8)式中：R=42/2為信號光的平均功率；2=Aj/2為本振光的平均功率16)o當(dāng)% =%,即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為(.(0 = a A4cos(仍一?) (1.9)這是外差檢測的一種特殊形式，稱為零差檢測?？梢钥吹剑铑l信號是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混 頻得到的。如果頻率、相位不恒定，無法得到確定的差

7、頻光。這就是為 什么只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差檢測的原因。3. 特性(1) .光外差檢測可獲得全部信息外差檢測中，光檢測器輸出的電流不僅及信號光和本振光的光波振幅 成正比，而且輸出電流的頻率及相位還和合成振動頻率和相位相等。因 此，外差檢測不僅可檢測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號，還可以檢測頻率調(diào) 制及相位調(diào)制的光信號。這種在光檢測器輸出電流中包含有信號光的振 幅、頻率和相位的全部信息，是直接檢測所不可能有的。(2) .光外差檢測轉(zhuǎn)換增益高光外差檢測中頻輸出有效信號功率為在直接檢測中，檢測器輸出的電功率為在兩種情況下，都假定負(fù)載電阻為在同樣信號光功率打下，這兩種 方法所轉(zhuǎn)換得到的信號功率比G為(1. 10)

8、式中，G稱為增益。由于在外差檢測中，本機(jī)振蕩光功率乙比信號光功率大幾個數(shù) 量積是容易達(dá)到的，所以光外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá)可以看出， 在強(qiáng)光信號下，外差檢測并沒有多少好處；而在微弱光信號下，外差檢 測表現(xiàn)出十分高的轉(zhuǎn)換增益，轉(zhuǎn)換增益可以達(dá)到IO,IO'倍。所以可以 說，光外差檢測方式具有天然的檢測微弱信號的能力。(3) .良好的濾波性能如果取差頻信號寬度(叫-嗎)/2燈為信息處理器的通頻帶y, 即7 =(% %)/2乃=4-7;.,那么只有及本機(jī)振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi) 的雜光可以進(jìn)入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號處理器濾掉。因 此，外差檢測系統(tǒng)中不需要加濾光片，其效果甚至比加濾光片的

9、直接檢 測系統(tǒng)還好很多。(4) .信噪比損失小如果入射到檢測器上的光場不僅存在信號光波;.(/),還存在背 景光波/b,檢測器的輸出電流為 輸出信噪比為 。守=匡=2/” 2a 展及4(1.11)上式說明，外差檢測的輸出信噪比等于信號光波和背景光波振幅的比 值，輸入信噪比等于輸出信噪比，因此，輸出信噪比沒有任損失。(5) .最小可檢測功率，有利于微弱光信號的探測內(nèi)部增益為M的光外差檢測器的輸出有效信號功率為(1. 12)式中：M是檢測器的內(nèi)增益，對于光導(dǎo)檢測器忙01000；對于光伏監(jiān)測 器M=l；對于光電倍增管M在106以上。在光外差檢測系統(tǒng)中遇到的噪聲及直接檢測系統(tǒng)中的噪聲基本 相同，存在許

10、多可能的噪聲源。在外差檢測中，外界輸入檢測器的噪聲 及檢測器本身的噪聲通常都比較小，并可消除。但有兩中噪聲難以消 除，因此，應(yīng)主要考慮不可能可服或難以消除的散粒噪聲和熱噪聲。外 差檢測中輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為P. = 2M2且詈(+% + ?)+1出+4kTaf hv(1. 13)式中：Ps為背景輻射功率；為檢測器的暗電流；/為外差檢測中頻帶 寬。上式表示，外差檢測系統(tǒng)中的噪聲分別由信號光、本振光和背景輻 射所引起的散粒噪聲，由檢測器暗電流引起的散粒噪聲以及由檢測器和 電路產(chǎn)生的熱噪聲組成。于是功率信噪比為年 MSP"(SNR). =釁(R+P-dk* 2kMf hv當(dāng)本征功率

11、馬足夠大時，上式分母中本征散粒噪聲功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所有其 他的噪聲，則上式變?yōu)?1. 14)這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比極限，一般稱為光外差 檢測的量子檢測極限或量子噪聲限。對于熱噪聲是主要噪聲源的系統(tǒng)來 說，可以導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)量子噪聲限檢測的條件即(1. 15)為了克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得 高的轉(zhuǎn)換增益，增大本振光功率是有利的。但是，也不是越大越好。這 是因?yàn)楸菊窆獗旧硪惨鹪肼?。?dāng)本振光光功率足夠大時，本振光產(chǎn) 生的散粒噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲；本振光功率繼續(xù)增大時，由本振光所產(chǎn) 生的散粒噪聲也隨之增大，從而使光外差檢測系統(tǒng)的信噪比降低。所 以，在實(shí)際的光外差檢測

12、系統(tǒng)中要合理選擇本振光功率的大小，以便得 到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。若用最小可檢測功率(等效噪聲功率)NEP值(1. 16)這個值有時稱為光外差檢測的靈敏度，是光外差檢測的理論極限。(6) .光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求響應(yīng)頻帶寬；均勻性好；工作溫度高。4. 應(yīng)用(1) .干涉測量技術(shù)應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測量的方法稱為干涉測量技術(shù)。一般干 涉測量主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。根 據(jù)測量對象及測量要求的不同而各有不同的組合，并由此形成了各種結(jié) 構(gòu)形式的干涉儀。測量參量一般是通過改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的 相位調(diào)制。由干涉儀解調(diào)出來的信息是一幅干涉圖樣

13、，它以干涉條紋的 變化反映被測參量的信息。干涉條紋是由于干涉場上光程差相同的地點(diǎn) 的軌跡形成。干涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均及光程的 變化有關(guān)。因此根據(jù)干涉條紋上述諸因素的變化可以進(jìn)行長度、角度、 平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、關(guān) 學(xué)材料內(nèi)部缺陷等各種及光程有確定關(guān)系的幾何量和物理量的測量皿。(2) .光外差通信光外差通信基本上都是采用CR激光器做光源。因?yàn)镃R激光器 的發(fā)射波長為10. 6?，這一波長恰好位于大氣窗口之內(nèi)，衰減系數(shù)較 ??；另外，C。?激光波長容易實(shí)現(xiàn)外差接收。如圖1 3所示為CO?激光外差通信原理框圖，它由發(fā)射系統(tǒng)及 接收系統(tǒng)兩大部分

14、組成。CO,激光發(fā)射系統(tǒng)由光學(xué)發(fā)射天線、CO,激光器 一及穩(wěn)頻回路組成。光學(xué)發(fā)射天線用反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)。驅(qū)動器114放大器自動頻 跟蹤放跟蹤濾波圖1一3C。?激光器外差通信原理框圖激光諧振腔由工作物質(zhì)及兩塊反射鏡組成，其中一塊是全反射鏡，另 一塊反射鏡的反射率為98%,激光就從這塊反射鏡上輸出。全反射鏡通 過壓電陶瓷及腔體連接，改變壓電陶瓷的軸向長度就改變了諧振腔長， 從而控制CO,激光波長。其穩(wěn)頻原理如下：輸出的激光經(jīng)過選擇性反射鏡2把一小部分 能量反射到標(biāo)準(zhǔn)濾光片3上，此濾光片的濾光曲線如圖1 4所示。為控 制激光頻率，10.6不在峰值處，而在曲線的上升段。當(dāng)波長偏離 10.6?時，輸出光通

15、量 發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)光電檢測器4 （可用熱釋電 器件）把此波長的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信好的變化，經(jīng)諧振放大器5放 大后送到頻率跟蹤電路6去控制壓電后陶瓷的伸縮率（壓電陶瓷的伸縮 及加在它上面的電壓值成比例）。由濾波曲線可知，當(dāng)發(fā)射波長增加 時，光通量亦增加，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及諧放輸出的電壓也增大，加在壓電陶 瓷器后使腔長縮短，發(fā)射頻率提高，波長減短；反之，則波長加長。因 而將發(fā)送頻率控制在10. 6僅處。圖1-4濾光曲線被傳送的信息（視頻信號）被驅(qū)動電路11加到G/S電光調(diào)制潛上 （為提高調(diào)制頻率，調(diào)制器放在激光諧振腔體內(nèi)），被傳送的信息攜載 到C。2激光波長上發(fā)送到空間。在接收端，由光學(xué)系統(tǒng)（接收

16、天線13）把載有信息的CO2激光 能量收集在混頻器14上，同時本地振蕩CO?激光器20發(fā)出的光也投射在 混頻潛上。經(jīng)混頻后的光投射在檢測器上輸出電信號。此電信號經(jīng)濾波后只保存了差頻信號，這一差值通常設(shè)計(jì)在30"法的中頻段。再 經(jīng)中頻放大、鑒頻后 還原出被傳送的視頻信號。為得到穩(wěn)定的差頻信號，本機(jī)振蕩光也需穩(wěn)頻，否則被傳輸信 息的失真度加大。穩(wěn)頻過程及激光發(fā)射穩(wěn)頻過程類似，不過，穩(wěn)頻控制 信號取自于視頻信號。當(dāng)激光頻率發(fā)生偏離時，鑒頻器17輸出信號也產(chǎn) 生了變化，經(jīng)頻率跟蹤濾波器18濾波放大后，控制壓電陶瓷，改變諧振 腔腔長，使激光頻率穩(wěn)定?！癵G/Tc檢測器在接收10. 6僅激光波長

17、時，須在液氮77K下制 冷工作。CO?激光通信用于地面時，由于大氣湍流的影響，通信效果不 佳；但用于衛(wèi)星之間及衛(wèi)星及地面站之間的數(shù)據(jù)傳遞時大有發(fā)展前途 1101(3) .多普勒測速該原理利用多普勒效應(yīng)網(wǎng)可測量物體的運(yùn)動速動。以激光照射運(yùn)動著的物體或流體時，其反射光或散射光將產(chǎn)生多普勒頻移，用它及本振光進(jìn)行混頻可測得流體的流速，圖1 5可以具 體說明多普勒測流速的原理。聚焦逑逗光軸多普勒測速原分束鏡透鏡4 信號電源圖1一6高斯光束束腰的干涉場圖中"e-Ne激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，分束鏡把激光分成兩 路，這兩束光經(jīng)過會聚透鏡4把它們會聚于焦點(diǎn)。在焦點(diǎn)附近兩束光形成干涉場。流體流經(jīng)這一

18、范圍時，流體中的微小顆粒對光進(jìn)行散射，聚 焦透鏡4把這些散射光聚焦在光電倍增管上，產(chǎn)生包含流速信息得光電 信號。經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娮泳€路處理可測出流體的流速。光源通常是單模工作狀態(tài)。它的光強(qiáng)分布考慮為高斯分布。在 透鏡右后焦點(diǎn)附近高斯光束束腰的波前為平面波，兩光束在束腰的空間 范圍相交得到平行的干涉條紋；在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的空間范圍內(nèi)相交得到的干 涉條紋為弧形。圖1 6表示出高斯光束束腰的干涉條紋。當(dāng)兩光束的夾角為光波波長為X時，由圖1-7可看出干涉 條紋的間距為(a)(b)(c)圖1-7干涉條紋間距干涉條紋的空間頻率(單位長度內(nèi)條紋明暗對數(shù))為(1. 18)當(dāng)散射粒子在平行干涉條紋的平面內(nèi)運(yùn)動時，散射的光波強(qiáng)度 隨干涉場及流速面變化。若顆粒運(yùn)動的速度為v,運(yùn)動的方向及條紋垂直 的夾角為夕(見圖1 6 (c),則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為f = fvcQS p = vsnCQS P(1. 19)由此可知，只要檢測出粒子散射光強(qiáng)的頻率，就可求出粒子的流速V。式 中4、夕及夕為己知。5. 結(jié)論光外差檢測技術(shù)在激光通信、雷達(dá)、測長、測速、測振和光譜 學(xué)等方買都很有用途。這種技術(shù)的靈敏度很高，達(dá)到了量子噪聲極限， 可以檢測單個光子，進(jìn)行光子計(jì)數(shù)。【參考文獻(xiàn)】11雷玉堂，王慶有，何加銘，張偉風(fēng)等.光電