改 10直接探測(cè)和相干探測(cè)

1、00cos(2)EEvt光光電電信號(hào)變換信號(hào)變換 光電光電探測(cè)器探測(cè)器光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào) 220cos2I tEt光的頻率：光的頻率：10141015Hz 探測(cè)器響應(yīng)頻率探測(cè)器響應(yīng)頻率1010Hz 00cos(2)EEvt光光電電信號(hào)變換信號(hào)變換 光電光電探測(cè)器探測(cè)器光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào) 220cos2I tEt人眼和探測(cè)器可以人眼和探測(cè)器可以響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率220012dIAEE 平方律器件平方律器件00cos(2)EEvt光光電電信號(hào)變換信號(hào)變換 光電光電探測(cè)器探測(cè)器光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào) 220cos2I tEt響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率 直接探測(cè)直接探測(cè)響應(yīng)光

2、的頻率響應(yīng)光的頻率 相干探測(cè)相干探測(cè)第第1010章章 直接探測(cè)和相干探測(cè)直接探測(cè)和相干探測(cè) 直接探測(cè)直接探測(cè) （平均光功率）（平均光功率） 相干探測(cè)相干探測(cè) （光的波動(dòng)參數(shù)）（光的波動(dòng)參數(shù)）光電信號(hào)變換光電信號(hào)變換10.1 10.1 直接探測(cè)直接探測(cè)10.1.1直接探測(cè)的基本原理直接探測(cè)的基本原理10.1.2直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比Drirect Detection ，又稱為非相干探測(cè)，又稱為非相干探測(cè)裝置簡(jiǎn)單，光源為裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探測(cè)平均只能探測(cè)平均光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）10.1.3直接探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)極限及趨近方法直接探測(cè)

3、系統(tǒng)的探測(cè)極限及趨近方法22sdsdssA IA aa1.1.直接探測(cè)的基本原理：直接探測(cè)的基本原理： ssss( )sin()E tat光波：光波： 光功率：光功率： 2d sssISS a恒定光信號(hào)恒定光信號(hào) 2d ssseeIahh光功率被調(diào)制：光功率被調(diào)制： ass1( )ISVtss( )1( )tVt光場(chǎng)包絡(luò)光場(chǎng)包絡(luò)的的頻率頻率1010Hz 調(diào)制光信號(hào)調(diào)制光信號(hào) ass1( )eIVth設(shè)光柵的柵距P40m相對(duì)移動(dòng)的速度V =1cm/s半導(dǎo)體激光器,波長(zhǎng) =890nm8914s/3 10 /890 103.37 10cHz 例例1 1 比較光場(chǎng)頻率和光強(qiáng)度信號(hào)的變化頻率光強(qiáng)度信號(hào)的

4、變化頻率f = ？光場(chǎng)頻率 v =? mmm1 cos(2)21 cos(2)21 cos(2 )2PPvtxVt250VvHzP2.直接探測(cè)系統(tǒng)的光子信噪比直接探測(cè)系統(tǒng)的光子信噪比(光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出/光噪聲輸出光噪聲輸出)經(jīng)推導(dǎo)得經(jīng)推導(dǎo)得(江月松江月松P255)，輸出電信號(hào)信噪比為：，輸出電信號(hào)信噪比為：22sn2sn/12/PLoutNLI RSNRIR若若s/ n1，則，則sn/ 2outSNR 光電轉(zhuǎn)換后信噪比減半光電轉(zhuǎn)換后信噪比減半結(jié)論：直接探測(cè)不能改善輸入信噪比結(jié)論：直接探測(cè)不能改善輸入信噪比3.直接探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)極限及趨近方法直接探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)極限及趨近方法信號(hào)光電流、背景光

5、電流和器件暗電流信號(hào)光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲以光電二極管為例以光電二極管為例 222s22222nSnBnDnT(/)PLoutNLehvI RSNRI Riiii其重要噪聲為散粒噪聲和熱噪聲其重要噪聲為散粒噪聲和熱噪聲 光電信噪比光電信噪比(光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出/探測(cè)器噪聲輸出探測(cè)器噪聲輸出)最理想情況，只有最理想情況，只有信號(hào)光電流引起的散粒噪聲信號(hào)光電流引起的散粒噪聲22sdsout2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisout2SNRhvf2nSS22seieIfeIfh s2outhvfNEPSNR例：例：為為1，f 為為 1H

6、z， 可探測(cè)可探測(cè) 2hv光學(xué)方法光學(xué)方法減小探測(cè)器面積減小探測(cè)器面積，如場(chǎng)鏡、光錐、，如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒透鏡浸沒透鏡電學(xué)方法電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大器、弱信號(hào)檢測(cè)方法，如濾波、低噪聲放大器、弱信號(hào)檢測(cè)方法 熱力學(xué)方法熱力學(xué)方法，制冷降低探測(cè)器噪聲制冷降低探測(cè)器噪聲 兩個(gè)光子能量的探測(cè)極限是理想狀態(tài)，因?yàn)椋簝蓚€(gè)光子能量的探測(cè)極限是理想狀態(tài)，因?yàn)椋簩?shí)際系統(tǒng)視場(chǎng)不可能是衍射極限的小視場(chǎng)，則背景光實(shí)際系統(tǒng)視場(chǎng)不可能是衍射極限的小視場(chǎng)，則背景光電流引起的噪聲及器件的噪聲不能忽略電流引起的噪聲及器件的噪聲不能忽略實(shí)際器件總有暗電流實(shí)際器件總有暗電流, ,則暗電流引起的噪聲不能忽略則暗電流引起的噪聲不

7、能忽略各種電阻熱噪聲不能忽略各種電阻熱噪聲不能忽略探測(cè)極限的趨近方法有探測(cè)極限的趨近方法有*提高器件內(nèi)增益（光電倍增管、雪崩管）提高器件內(nèi)增益（光電倍增管、雪崩管） 光學(xué)方法光學(xué)方法，如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒透鏡如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒透鏡例：紅外探測(cè)系統(tǒng)第十章第十章 直接探測(cè)和相干探測(cè)直接探測(cè)和相干探測(cè) 直接探測(cè)直接探測(cè) （平均光功率）（平均光功率） 相干探測(cè)相干探測(cè) （光的波動(dòng)參數(shù)）（光的波動(dòng)參數(shù)）光電信號(hào)變換光電信號(hào)變換第第10章章 直接探測(cè)和相干探測(cè)直接探測(cè)和相干探測(cè)直接探測(cè)：直接探測(cè)：（非相干探測(cè)）（非相干探測(cè)） 相干探測(cè)：相干探測(cè)： （光學(xué)外差探測(cè)）（光學(xué)外差探測(cè)） 裝置簡(jiǎn)單，光源為裝置簡(jiǎn)單，

8、光源為相干光源相干光源或或非相干光非相干光源源，只能探測(cè)，只能探測(cè)光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）。 裝置復(fù)雜，光源必須為裝置復(fù)雜，光源必須為相干光源相干光源，間接，間接探測(cè)探測(cè)光波的振幅、頻率和相位光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。等參數(shù)。測(cè)量精度比直接探測(cè)高測(cè)量精度比直接探測(cè)高107-108數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)10.2 相干探測(cè)相干探測(cè)10.2.1 相干探測(cè)的基本原理相干探測(cè)的基本原理10.2.3 相干探測(cè)的條件相干探測(cè)的條件10.2.4 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例Coherent Detection 又稱為又稱為光外差探測(cè)光外差探測(cè) 10.2.2 相干探測(cè)的特性相干探測(cè)的特性1. 相干探測(cè)的基

9、本原理相干探測(cè)的基本原理原理框圖原理框圖 采用平方律采用平方律探測(cè)器探測(cè)器：（只響應(yīng)平均功率）（只響應(yīng)平均功率）高靈敏度、量子效率、高頻響應(yīng)高靈敏度、量子效率、高頻響應(yīng)PMT，PIN-PD，A_PD u光學(xué)混頻光學(xué)混頻器：器：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at10141015Hzs G107108 外差探測(cè)外差探測(cè)直接探測(cè)直接探測(cè)hssrcos()ISa at 222hsmrr22d

10、sssLsrLsIRSa aaGI RSaa2d sssISS a功率之比功率之比信噪比高信噪比高相干探測(cè)：相干探測(cè)： 直接探測(cè)：直接探測(cè)： 系統(tǒng)已經(jīng)理想化，僅考慮信系統(tǒng)已經(jīng)理想化，僅考慮信號(hào)光引起的散粒噪聲限制號(hào)光引起的散粒噪聲限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探測(cè)相干探測(cè)信噪比高信噪比高2倍？倍？shhSNRffNEPhh系統(tǒng)未理想化，在本系統(tǒng)未理想化，在本振光足夠強(qiáng)時(shí)導(dǎo)出振光足夠強(qiáng)時(shí)導(dǎo)出 10.2.3 10.2.3 相干探測(cè)的條件相干探測(cè)的條件1 1相干探測(cè)空間條件相干探測(cè)空間條件2 2相干探測(cè)頻率條件相干探測(cè)頻率條件3 3相干探測(cè)偏振條件相干探測(cè)偏振條件滿足滿足波前匹配條件波前匹

11、配條件： 1 1相干探測(cè)空間條件相干探測(cè)空間條件探測(cè)器接收面上沿探測(cè)器接收面上沿x方向方向各點(diǎn)的相位差各點(diǎn)的相位差不同不同： sssss2sin( )sin()E tatx探測(cè)器接收面上沿探測(cè)器接收面上沿x方向方向各點(diǎn)的相位不同各點(diǎn)的相位不同信號(hào)光和本振光的波前在光混頻器表面上信號(hào)光和本振光的波前在光混頻器表面上沒有相同的位相關(guān)系沒有相同的位相關(guān)系 導(dǎo)致混頻輸出電流信號(hào)減小導(dǎo)致混頻輸出電流信號(hào)減小hssrcos()ISa at 探測(cè)器表面各點(diǎn)探測(cè)器表面各點(diǎn)相位相位相同相同時(shí)：時(shí)：探測(cè)器表面各點(diǎn)探測(cè)器表面各點(diǎn)相位相位不同不同時(shí)：時(shí)：輸出信號(hào)輸出信號(hào)最大值最大值輸出信號(hào)輸出信號(hào)減小減小ssind可

12、以證明，在不影可以證明，在不影響輸出的條件下，響輸出的條件下，失配角應(yīng)滿足：失配角應(yīng)滿足： 41失配角：失配角： 例：例：光電探測(cè)器光電探測(cè)器的尺寸的尺寸d為為lmm，當(dāng)當(dāng)s0.63m時(shí)時(shí) 嚴(yán)格的空間準(zhǔn)直要求，使得相干嚴(yán)格的空間準(zhǔn)直要求，使得相干探測(cè)具有良好的空間濾波性能探測(cè)具有良好的空間濾波性能 2 2相干探測(cè)頻率條件相干探測(cè)頻率條件v，01010Hz采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源 兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光 專門措施：專門措施： hssrcos()ISa at v 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at3 3相干探測(cè)偏振條件相干探測(cè)偏振條件平方律探測(cè)器光混頻輸出平方律探測(cè)器光混頻輸出Ihs為：為： “代數(shù)和” ？信號(hào)光與本振光的偏振方向一致信號(hào)光與本振光的偏振方向一致 加檢偏器加