改 10直接探測和相干探測

1、00cos(2)EEvt光光電電信號變換信號變換 光電光電探測器探測器光信號光信號電信號電信號 220cos2I tEt光的頻率：光的頻率：10141015Hz 探測器響應(yīng)頻率探測器響應(yīng)頻率1010Hz 00cos(2)EEvt光光電電信號變換信號變換 光電光電探測器探測器光信號光信號電信號電信號 220cos2I tEt人眼和探測器可以人眼和探測器可以響應(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光光電電信號變換信號變換 光電光電探測器探測器光信號光信號電信號電信號 220cos2I tEt響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率 直接探測直接探測響應(yīng)光

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

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

4、變化頻率f = ？光場頻率 v =? mmm1 cos(2)21 cos(2)21 cos(2 )2PPvtxVt250VvHzP2.直接探測系統(tǒng)的光子信噪比直接探測系統(tǒng)的光子信噪比(光信號輸出光信號輸出/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)，輸出電信號信噪比為：，輸出電信號信噪比為：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：直接探測不能改善輸入信噪比結(jié)論：直接探測不能改善輸入信噪比3.直接探測系統(tǒng)的探測極限及趨近方法直接探測系統(tǒng)的探測極限及趨近方法信號光電流、背景光

5、電流和器件暗電流信號光電流、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(光信號輸出光信號輸出/探測器噪聲輸出探測器噪聲輸出)最理想情況，只有最理想情況，只有信號光電流引起的散粒噪聲信號光電流引起的散粒噪聲22sdsout2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisout2SNRhvf2nSS22seieIfeIfh s2outhvfNEPSNR例：例：為為1，f 為為 1H

6、z， 可探測可探測 2hv光學方法光學方法減小探測器面積減小探測器面積，如場鏡、光錐、，如場鏡、光錐、浸沒透鏡浸沒透鏡電學方法電學方法，如濾波、低噪聲放大器、弱信號檢測方法，如濾波、低噪聲放大器、弱信號檢測方法 熱力學方法熱力學方法，制冷降低探測器噪聲制冷降低探測器噪聲 兩個光子能量的探測極限是理想狀態(tài)，因為：兩個光子能量的探測極限是理想狀態(tài)，因為：實際系統(tǒng)視場不可能是衍射極限的小視場，則背景光實際系統(tǒng)視場不可能是衍射極限的小視場，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際器件總有暗電流實際器件總有暗電流, ,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極限的趨近方法有探測極限的趨近方法有*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） 光學方法光學方法，如場鏡、光錐、浸沒透鏡如場鏡、光錐、浸沒透鏡例：紅外探測系統(tǒng)第十章第十章 直接探測和相干探測直接探測和相干探測 直接探測直接探測 （平均光功率）（平均光功率） 相干探測相干探測 （光的波動參數(shù)）（光的波動參數(shù)）光電信號變換光電信號變換第第10章章 直接探測和相干探測直接探測和相干探測直接探測：直接探測：（非相干探測）（非相干探測） 相干探測：相干探測： （光學外差探測）（光學外差探測） 裝置簡單，光源為裝置簡單，

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，只能探測光功率（光強）光功率（光強）。 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，間接探測探測光波的振幅、頻率和相位光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。等參數(shù)。測量精度比直接探測高測量精度比直接探測高107-108數(shù)量級數(shù)量級10.2 相干探測相干探測10.2.1 相干探測的基本原理相干探測的基本原理10.2.3 相干探測的條件相干探測的條件10.2.4 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例Coherent Detection 又稱為又稱為光外差探測光外差探測 10.2.2 相干探測的特性相干探測的特性1. 相干探測的基

9、本原理相干探測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器探測器：（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光學混頻光學混頻器：器：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at10141015Hzs G107108 外差探測外差探測直接探測直接探測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：相干探測： 直接探測：直接探測： 系統(tǒng)已經(jīng)理想化，僅考慮信系統(tǒng)已經(jīng)理想化，僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制號光引起的散粒噪聲限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探測相干探測信噪比高信噪比高2倍？倍？shhSNRffNEPhh系統(tǒng)未理想化，在本系統(tǒng)未理想化，在本振光足夠強時導(dǎo)出振光足夠強時導(dǎo)出 10.2.3 10.2.3 相干探測的條件相干探測的條件1 1相干探測空間條件相干探測空間條件2 2相干探測頻率條件相干探測頻率條件3 3相干探測偏振條件相干探測偏振條件滿足滿足波前匹配條件波前匹

11、配條件： 1 1相干探測空間條件相干探測空間條件探測器接收面上沿探測器接收面上沿x方向方向各點的相位差各點的相位差不同不同： sssss2sin( )sin()E tatx探測器接收面上沿探測器接收面上沿x方向方向各點的相位不同各點的相位不同信號光和本振光的波前在光混頻器表面上信號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減小導(dǎo)致混頻輸出電流信號減小hssrcos()ISa at 探測器表面各點探測器表面各點相位相位相同相同時：時：探測器表面各點探測器表面各點相位相位不同不同時：時：輸出信號輸出信號最大值最大值輸出信號輸出信號減小減小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：光電探測器光電探測器的尺寸的尺寸d為為lmm，當當s0.63m時時 嚴格的空間準直要求，使得相干嚴格的空間準直要求，使得相干探測具有良好的空間濾波性能探測具有良好的空間濾波性能 2 2相干探測頻率條件相干探測頻率條件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相干探測偏振條件相干探測偏振條件平方律探測器光混頻輸出平方律探測器光混頻輸出Ihs為：為： “代數(shù)和” ？信號光與本振光的偏振方向一致信號光與本振光的偏振方向一致 加檢偏器加