光電測(cè)試技術(shù)-激光外差干涉

激光外差干涉測(cè)試技術(shù)2/1/20231光電檢測(cè)系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)系統(tǒng)/光外差檢測(cè)系統(tǒng)

(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)2/1/20232直接檢測(cè)的基本原理直接檢測(cè)(非相干檢測(cè)): 都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息,直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。2/1/20233激光外差干涉測(cè)試技術(shù)單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號(hào)及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號(hào)都是直流量，直流漂移是影響測(cè)量準(zhǔn)確度的重要原因，信號(hào)處理及細(xì)分都比較困難。為了提高光學(xué)干涉測(cè)量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測(cè)量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)。概念：光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場(chǎng)中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測(cè)器將干涉場(chǎng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由電路和計(jì)算機(jī)檢出干涉場(chǎng)的相位差。特點(diǎn)：克服單頻干涉儀的漂移問題；細(xì)分變得容易；提高了抗干擾性能。2/1/20234光外差探測(cè)系統(tǒng)

光外差探測(cè)在激光通信、雷達(dá)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)振、光譜學(xué)等方面都很有用。其探測(cè)原理與微波及無線電外差探測(cè)原理相似。光外差探測(cè)與光直接探測(cè)比較，其測(cè)量精度要高7~8個(gè)數(shù)量級(jí)。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，因而目前遠(yuǎn)距離外差探測(cè)在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達(dá)到實(shí)用階段。2/1/20235一、光外差探測(cè)原理光外差探測(cè)與直接探測(cè)相比較有許多優(yōu)點(diǎn)，在直接探測(cè)中由于光的振動(dòng)頻率高達(dá)2×1013~7.5×1014Hz，振動(dòng)周期T為5×10-14~1.3×10-15s(可見光到中近紅外)，而探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間最短10-10s,它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。2/1/20236在直接探測(cè)中，設(shè)光波動(dòng)的圓頻率為ω，振幅為A，則光波f(t)寫成平均功率2/1/20237fs為信號(hào)光波，fL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入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)。經(jīng)探測(cè)器變換后,輸出信號(hào)中包含fc＝fs–fL的差頻信號(hào)．故又稱相干探測(cè).

光外差檢測(cè)2/1/20238，入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為由于光探測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)的平方成正比，所以光探測(cè)器的光電流為2/1/20239設(shè)入射到探測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)為：

本機(jī)振蕩光場(chǎng)為：

入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為：

基本原理2/1/202310

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項(xiàng)（和頻項(xiàng)）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項(xiàng)（差頻項(xiàng)）相對(duì)光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光探測(cè)器的截止頻率時(shí)，光探測(cè)器就有頻率為的光電流輸出。

光探測(cè)器輸出的光電流2/1/202311光學(xué)外差探測(cè)利用一個(gè)頻率與被測(cè)相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測(cè)元件（通常由光電導(dǎo)材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測(cè)輻射混頻而產(chǎn)生差頻。光學(xué)外差探測(cè)只受到散粒噪聲的限制，因而探測(cè)率比直接探測(cè)或零差探測(cè)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

零差探測(cè)的本振信號(hào)經(jīng)分光器從發(fā)射光源分離出來,與調(diào)制后的接收信號(hào)混頻產(chǎn)生外差信號(hào),本振信號(hào)的頻率相同,差頻為零,主要優(yōu)點(diǎn):省去了本振器,比外差探測(cè)簡(jiǎn)單,可靠;發(fā)射光頻的穩(wěn)定性可以放寬;光頻移速率可經(jīng)接收頻差除以光往返時(shí)間測(cè)定,距離大于lOkm.2/1/202312激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4.1激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理①外差干涉技術(shù)原理在干涉場(chǎng)中，放入兩個(gè)探測(cè)器，一個(gè)放在基準(zhǔn)點(diǎn)(x0,y0)處，稱之為基準(zhǔn)探測(cè)器，其輸出基準(zhǔn)信號(hào)i(x0,y0,t)，另一個(gè)放在干涉場(chǎng)某探測(cè)點(diǎn)(xi,yi)處，稱之為掃描探測(cè)器，輸出信號(hào)為i(xi,yi,t)。將兩信號(hào)相比，測(cè)出信號(hào)的過零時(shí)間差Δt，便可知道二者的光學(xué)位相差由控制系統(tǒng)控制掃描探測(cè)器對(duì)整個(gè)干涉場(chǎng)掃描，就可以測(cè)出干涉場(chǎng)各點(diǎn)的位相差。掃描探測(cè)器（xi,yi）基準(zhǔn)探測(cè)器（x0,y0）（a）Δt1/Δνti(x,y,t)（b）圖4-32外差干涉圖樣和電信號(hào)2/1/202313激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4.1激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。1）塞曼效應(yīng)He-Ne激光器——可得到1~2MHz的頻差2）雙縱模He-Ne激光器——頻差約600MHz（較大）3）光學(xué)機(jī)械移頻當(dāng)干涉儀中的參考鏡以勻速v

沿光軸方向移動(dòng)時(shí)，則垂直入射的反射光將產(chǎn)生的頻移為。如果圓偏振光通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率f的頻移，即。2/1/202314聲波的多普勒效應(yīng)

一輛汽車在我們身旁急馳而過，車上喇叭的音調(diào)有一個(gè)從高到低的突然變化；站在鐵路旁邊聽列車的汽笛聲也能夠發(fā)現(xiàn)，列車迅速迎面而來時(shí)音調(diào)較靜止時(shí)為高，而列車迅速離去時(shí)則音調(diào)較靜止時(shí)為低。此外，若聲源靜止而觀察者運(yùn)動(dòng)，或者聲源和觀察者都運(yùn)動(dòng)，也會(huì)發(fā)生收聽頻率和聲源頻率不一致的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。2/1/202315多普勒效應(yīng)的應(yīng)用美國(guó)霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星在近地點(diǎn)時(shí)信號(hào)頻率就增加，遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)信號(hào)頻率就降低。因?yàn)樾l(wèi)星軌道是已知的，所以接收衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)不論處于何方，它的位置都能被測(cè)定。2/1/202316光波的多普勒效應(yīng)光波的多普勒效應(yīng)具有波動(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng).因?yàn)榉▏?guó)物理學(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對(duì)來自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測(cè)量恒星相對(duì)速度的辦法.光波與聲波的不同之處在于,光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化.如果恒星遠(yuǎn)離我們而去,則光的譜線就向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線就向紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移.2/1/202317激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4.1激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源3）光學(xué)機(jī)械移頻在參考光路中放入一個(gè)固定的1/4波片和一旋轉(zhuǎn)的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。該圓偏振光兩次穿過旋轉(zhuǎn)的1/4波片，使其產(chǎn)生2f的頻移。圓偏振光再次穿過固定1/4波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移。垂直于入射光束方向移動(dòng)（勻速）光柵的方法也可以使通過光柵的第n級(jí)衍射光產(chǎn)生的頻移，此處f是光柵的空間頻率，V是光柵移動(dòng)速度。4）聲光調(diào)制器利用布拉格盒（BraggCell）聲光調(diào)制器可以起到與移動(dòng)光柵同樣的移頻效果。這時(shí)超聲波的傳播就相當(dāng)于移動(dòng)光柵，其一級(jí)衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅(qū)動(dòng)頻率f，而與光的波長(zhǎng)無關(guān)。2/1/202318光外差檢測(cè)的特性

可獲得全部信息：不僅可探測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測(cè)器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)有利。差頻信號(hào)是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)。

2/1/202319光外差檢測(cè)的特性良好的濾波性能

取差頻信號(hào)為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光；而直接探測(cè)中，所有的雜散光都被接收信噪比損失小檢測(cè)靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測(cè)的靈敏度極限為１個(gè)光子2/1/202320系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器性能的要求光外差檢測(cè)對(duì)探測(cè)器的要求比直接檢測(cè)高響應(yīng)頻帶寬均勻性好工作溫度高

2/1/202321§4-4激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4.1激光外差干涉測(cè)試技術(shù)原理①外差干涉技術(shù)原理設(shè)測(cè)試光路和參考光路的光波頻率分別為ω和ω+Δω，則干涉場(chǎng)的瞬時(shí)光強(qiáng)為由于光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻ω，它不能跟隨光頻變化，所以式中含有2ω的交變項(xiàng)對(duì)探測(cè)器的輸出響應(yīng)無貢獻(xiàn)。干涉場(chǎng)中某點(diǎn)（x，y）處光強(qiáng)以低頻Δω隨時(shí)間呈余弦變化

2/1/202322§4-4激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4.2激光外差干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用①激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)處理雙頻激光器1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動(dòng)角隅棱鏡檢偏器v探測(cè)器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf圖4-33雙頻激光器外差干涉測(cè)長(zhǎng)原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1±Δf）2/1/202323§4-4激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4.2激光外差干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用②激光外差干涉測(cè)量微振動(dòng)f0f0＋fs12341/2波片510671/4波片9振動(dòng)體圖4-34雙頻激光測(cè)量振動(dòng)光路示意圖8f0±fD

方解石棱鏡及1/4波片的作用是使測(cè)量光束的光路既作發(fā)射光路，又作接收光路。通過o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光學(xué)定向耦合”作用，使發(fā)射與接收的光無損失地通過方解石棱鏡(不考慮光吸收損失)。

頻率fs信號(hào)由聲光調(diào)制器的信號(hào)源直接輸入混頻器與拍頻信號(hào)混頻，把多普勒頻移fD解調(diào)出來。

2/1/202324§4-4激光外差干涉測(cè)試技術(shù)4.2激光外差干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用③激光外差干涉在精密定位中的應(yīng)用圖4-35平面鏡干涉系統(tǒng)光路圖圖4-36平面鏡干涉系統(tǒng)傾斜光路圖該干涉儀系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)儀器分辨力由于多普勒頻差增加一倍而增加一倍；

(2)平面反射鏡相對(duì)于光軸的任何偏斜只會(huì)使反射回的光束偏移，而不會(huì)偏斜。2/1/202325外差探測(cè)不僅可探測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。這是外差探測(cè)的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。光外差檢測(cè)的特性

2/1/202326二、光外差探測(cè)特性1、轉(zhuǎn)換增益光探測(cè)器輸出電流振幅為在直接探測(cè)中，輸出信號(hào)電流的振幅外差轉(zhuǎn)換增益由于在外差探測(cè)中，本機(jī)振蕩光功率PL比信號(hào)光功率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以，外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá)107~108。由此看出，外差探測(cè)靈敏度比直接探測(cè)靈敏度高107~108倍。這是外差探側(cè)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2/1/2023272．光譜濾波性能

如果取差頻信號(hào)寬度ωc/2π=ωL-ωs/2π為信息處理器的通頻帶Δf，那么只有與本機(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(hào)處理器濾掉。因此，外差探測(cè)系統(tǒng)中不需要加光譜濾光片，其效果甚至比加濾光片的直接探測(cè)系統(tǒng)還好得多。外差探測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。這是光外差探測(cè)的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2/1/2023283．外差探測(cè)信噪比如果入射到探測(cè)器上的光場(chǎng)不僅存在信號(hào)光波Ps，還存在背景光波Pb，輸出信噪比為說明外差探測(cè)的輸出信噪比等于信號(hào)光波和背景光波振幅的比值，輸人信噪比等于輸出信噪比，輸出信躁比沒有任何損失。這是外差探測(cè)的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2/1/202329但是，當(dāng)本振光功率足夠大時(shí)，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(shí)，由本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲隨之增大，從而使光外差探測(cè)系統(tǒng)的倍噪比降低。所以，在實(shí)際的光外差探測(cè)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。4、穩(wěn)定性和可靠性較高即使被測(cè)參量為0，載波信號(hào)仍保持穩(wěn)定的幅度2/1/202330激光外差干涉測(cè)試技術(shù)激光外差干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用①激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)處理雙頻激光器1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動(dòng)角隅棱鏡檢偏器v探測(cè)器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf圖4-33雙頻激光器外差干涉測(cè)長(zhǎng)原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1±Δf）2/1/202331四、光外差探測(cè)典型系統(tǒng)1．干涉測(cè)量技術(shù)(1)激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理2/1/202332(2)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的光路沒置2/1/202333

該光路中，使用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器而對(duì)激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不大時(shí)，它對(duì)光程的影響可以忽賂。角錐棱鏡的形狀相當(dāng)于立方體切下來的一個(gè)角，它的三個(gè)內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當(dāng)光從基面入射，可在三個(gè)直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。2/1/2023342/1/202335(3)干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)2/1/2023362/1/202337激光多普勒測(cè)速頻率調(diào)制：運(yùn)動(dòng)物體的反射或散射光發(fā)生多