光外差探測技術(shù)及其應(yīng)用

1、光外差探測技術(shù)及其應(yīng)用張瀟依10041540102摘要：光外差探測乂稱為相干探測，其探測原理與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103-104數(shù)量級。相干探測與直接探測山相 比，其測量精度高107-108數(shù)量級，它的靈敏度達到了量子噪聲限。關(guān)鍵字：光外差探測、光子計數(shù)、量子噪聲限、激光測距、多普勒伺測速1引言光外差檢測在激光通信、雷達、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到了量子噪聲限，其NEP值可達10-20Wo可 以檢測單個光子，進行光子計數(shù)。在光電信息檢測中，當光波頻率很高時，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

2、特別有用。相反，由于直接檢測不需要 穩(wěn)定激光頻率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精確的準直，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，己經(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，用一般的直接檢測山方法無法實現(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國入射到檢測器表面進行混頻，形 成相干光場。經(jīng)檢測器變換

3、后，輸出信號中包含=的差頻信號，故乂稱相干檢測。/本振光束圖1一1外差檢測原理示意圖C6激光器圖1一2外差檢測實驗裝置圖12是外差檢測的實驗裝置，光源是經(jīng)過穩(wěn)頻的CO,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，其頻率為九；另一路經(jīng) 過偏心輪2】反射，并由透鏡切聚焦到可變光闌【“】上作為信號光束。偏心輪【切轉(zhuǎn) 動相當于目標沿光波方向并有一運動速度，光的回波就產(chǎn)生了多普勒頻移， 其頻率為可變光闌國用來限制兩光束射向光電檢測器m的空間方向。線柵 川偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒猓缓髢墒獯怪蓖渡涞?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

4、的信號光場為:X(0 = Ascos(w/ + )(1.1)本機振蕩光場為：fL(t) = ALCQSwit +(pL)(1.2)那么，入射到檢測器上的總光場為：/(0 = 4 cos(wj + 0、) + Al cos(wj + (pL)(1.3)由于光檢測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比,所以光檢測器的光電流為<,(0 X 而=/X0+ACD2(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<,(0 = /2(0 = 4Z(0+A()2 =aAs2 cos2 (vv/ + 化)+ cos2 (wLt + ®) +A-4cos(w厶 + 叫"+(

5、0 + ©) + 44cos(wL -ws)t +(0厶他) (1.5)式中：a = ej/hv為光電變換比例常數(shù)；加為光子能量； =叫-叫稱為差 頻。上式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項(和頻項) 頻率太高，光混頻器不響應(yīng)。而第四項(差頻項)相對光頻而言，頻率要低得 多。當差頻(叫-叫)/2兀=叫/2龍低于光檢測器的截止頻率時，光檢測器就有 頻率為vv. / 2兀的光電流輸出。如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以叭為中心 頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為4(0 =必人 cos(叫-vv)r + (© - 0)(1.6)從上式可以看

6、出，中頻信號電流的振幅aAxAL ,頻率(叫-巴)和相位(©-仇) 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：K = ahAZ cos(vvL -ws)t + (© - 卩)(1.7)式中，心為負載電阻。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:(18)式中：P=As2/2為信號光的平均功率；Pl = AJ/2為本振光的平均功率。當= vv ,即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為4(0 =cos(0 -0)(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

7、位的相干光混頻得到的。 如果頻率、相位不恒定，無法得到確定的差頻光。這就是為什么只有激光才能 實現(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與信號光和本振光的光波振幅成正 比，而且輸出電流的頻率與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pc = 2-ypspLRL在直接檢測中，檢測器輸出的電功率為p° =即

8、P肌HV在兩種情況下，都假定負載電阻為心。在同樣信號光功率代下，這兩種方法所 轉(zhuǎn)換得到的信號功率比G為式中，G稱為增益。由于在外差檢測中，本機振蕩光功率厶比信號光功率大幾個數(shù)量積是容易 達到的，所以光外差轉(zhuǎn)換增益可以高達107-10可以看出，在強光信號下， 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)換增益可以達到10?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-叫)/2兀為信息處理器的通頻帶夕，即紂=(叫-巴)/2兀=九-力，那么只有與本機振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi)的雜光 可以進入系統(tǒng)，其他

9、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，其效果其至比加濾光片的直接檢測系統(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/(f),還存在背景光波 九(/),檢測器的輸出電流為Ic = 2a&Ps + PJPL輸出信噪比為Is _ 2a應(yīng)_陌=生2aJpPB(1.10)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(1Pc = 2M)2PsPlRl式中：M是檢測器的內(nèi)

10、增益，對于光導(dǎo)檢測器M=01000；對于光伏監(jiān)測器M=1;對于光電倍增管M在IO*5以上。在光外差檢測系統(tǒng)中遇到的噪聲與直接檢測系統(tǒng)中的噪聲基本相同，存在 許多可能的噪聲源。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 表示為匕=2M河鈴(£. +厶+巴)+仃風+ 4燈/(M3)式中：Pr為背景輻射功率；匚為檢測器的暗電流；/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

11、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(SNR"=M)2PsPlRlM 謊(K + 巴)+ 仃/& + 2 好/ 當本征功率代足夠大時，上式分母中本征散粒噪聲功率遠遠超過所有其他的噪 聲，則上式變?yōu)殚T 2kThv這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達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 實現(xiàn)量子噪聲限檢測的條件(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。這是因為本振光本身 也要引起噪聲。當本振光光功率

12、足夠大時，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠大于其他 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，在實際的光外差檢測系統(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) 干渉測量技術(shù)應(yīng)用光的干渉效應(yīng)進行測量的方法稱為干渉測量技術(shù)。一般干渉測量主要 由光源、干渉系統(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

13、的組合，并由此形成了各種結(jié)構(gòu)形式的干渉儀。測量參量一般是通過改變干渉儀中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制。 由干渉儀解調(diào)出來的信息是一幅干渉圖樣，它以干渉條紋的變化反映被測參量 的信息。干渉條紋是由于干渉場上光程差相同的地點的軌跡形成。干渉條紋的 形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有關(guān)。因此根據(jù)干渉條紋上 述諸因素的變化可以進行長度、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)部缺陷等各種與光程有確定關(guān)系的幾 何量和物理量的測量“】。(2) 光外差通信光外差通信基本上都是釆用CO,激光器做光源。因為CO：激光器的發(fā)射波 長為10.6“加，這一波長恰好

14、位于大氣窗口之內(nèi)，衰減系數(shù)較??；另外，C02 激光波長容易實現(xiàn)外差接收。如圖13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 大部分組成。CO,激光發(fā)射系統(tǒng)由光學(xué)發(fā)射天線、CO,激光器及穩(wěn)頻回路組 成。光學(xué)發(fā)射天線用反射式望遠系統(tǒng)。混頻器14圖1-3COj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 與腔體連接，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 標準濾光片3上，此濾光片的

15、濾光曲線如圖14所示。為控制激光頻率，10.6pm不在峰值處，而在曲線的上升段。當波長偏離10.6pm時，輸出光通量 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（壓電陶瓷的伸縮與加在它上面的電壓值成比例）。由濾波曲 線可知，當發(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“加處。圖14濾光曲線被傳送的信息（視頻信號）被驅(qū)動電路11加到CdS電光調(diào)制器上（為提 高調(diào)

16、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CO：激光波 長上發(fā)送到空間。在接收端，由光學(xué)系統(tǒng)（接收天線13）把載有信息的CO,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器上。經(jīng)混 頻后的光投射在HgCd北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)計在30MHz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)頻過程與激光發(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

17、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。HgCd北檢測器在接收10.6/m激光波長時，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)星與地面站之間的數(shù)據(jù)傳遞時大有發(fā)展前途何。（3） 多普勒測速該原理利用多普勒效應(yīng)可測量物體的運動速動。以激光照射運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，用它與本振光進行混頻可測得流體的流速，圖1 5可以具體說明多普勒測圖1一5多普勒測速原理圖中-Nw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)過會聚透鏡厶把它們會聚于焦點。在焦點附近兩束光形成干

18、渉場。流體 流經(jīng)這一范圍時，流體中的微小顆粒對光進行散射，聚焦透鏡把這些散射光 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?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)。它的光強分布考慮為高斯分布。在透鏡厶后焦 點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 的干渉條紋；在遠離焦點的空間范圍內(nèi)相交得到的干渉條紋為弧形。圖1 6表 示出高斯光束束腰的干渉條紋。當兩光束的夾角為光波波長為兄時，由圖1一7可看出干渉條紋的間距圖1一7干渉條紋間距干渉條紋的空間頻率（單位長度內(nèi)條紋明暗對數(shù)）為當散射粒子在平行干渉條紋的平面內(nèi)運動時，散射的光波強度隨干渉場及 流速面變化。若顆粒運動的速度為V,運動的方向與條紋垂直的夾角為0 (見 圖1一6 (c),則顆粒散射的光強頻率為2 a/ =/Vcos0 = sm cos0(1.19)2 2由此可知，只要檢測出粒子散射光強的頻率，就可求出粒子的流速V。式中 幾、a及0為已知。5. 結(jié)論光外差檢測技術(shù)在激光通信、雷達、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，達到了量子噪聲極限，可以檢測單個光 子，進行光子計數(shù)?！緟⒖嘉墨I】1雷玉堂，王