光學(xué)參量調(diào)制變換原理

光學(xué)參量調(diào)制變換原理第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.4光學(xué)參量調(diào)制變換原理2.4.1光外差技術(shù)2.4.2光學(xué)位相調(diào)制2.4.3光學(xué)頻率調(diào)制第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.4光學(xué)參量調(diào)制變換原理描述光波的所有基本參量都可能受到調(diào)制，有時幾個參量同時受到調(diào)制。這些參量包括光的強(qiáng)度、相位、頻率、顏色(或頻譜分布)、偏振。這些光學(xué)參量最后必須作為光強(qiáng)的變化來探測，因為光探測器只能探測光的強(qiáng)度。第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五光學(xué)參量調(diào)制技術(shù)分為光振幅調(diào)制(AM)、相位調(diào)制(PM)、頻率調(diào)制(FM)、偏振調(diào)制(POM)、光波譜調(diào)制(SM)。利用光的干涉現(xiàn)象將上述參量轉(zhuǎn)化為光探測器能敏感的較低頻率的光電載波信號，作用在于把光波的相位關(guān)系或頻率關(guān)系以及它們隨時間的變化，以光強(qiáng)度空間分布或光強(qiáng)隨時間變化的形式檢測出來，這個作用也稱作相幅變換。第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.4.1光外差技術(shù)在可見光和近紫外波段，由于光頻很高(例如達(dá)到1016Hz)，每個光子的能量很大，較容易探測出單個光子，在這種情況下光外差技術(shù)并不特別有用，只要使用直接探測的方法就可以解決。第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五在波長較長的情況下，由于缺乏可見光波段那樣具有極高靈敏度的探測器，用直接探測法無法實現(xiàn)量子噪聲限探測，只有用光外差技術(shù)才能使系統(tǒng)工作于量子噪聲限。因此近、中紅外波段應(yīng)用光外差技術(shù)能夠探測極微弱的光信號。由于光外差探測技術(shù)具有很多獨特的優(yōu)點，在可見光波段同樣也得到廣泛的應(yīng)用。第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五一、光外差原理在電磁波譜的射頻和微波波段，外差接收技術(shù)采用被信息調(diào)制的高頻載波在接收端與有一定頻率的本機(jī)振蕩信號相混頻，得到頻率為二者之差的中頻信號，這個中頻信號保持了調(diào)制信號的特征，通過檢測中頻信號就能最終解調(diào)出被傳送的信息。把這種技術(shù)引伸到光頻波段，就發(fā)展成多種形式的光外差探測技術(shù)。第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五光外差探測是將含有被測信息的相干光調(diào)制波和作為本機(jī)振蕩的光波在滿足波前匹配條件下，在光電探測器上進(jìn)行光學(xué)混頻，探測器的輸出是頻率為二光波頻率差的拍頻信號。第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五若信號光場和本振光場分別為：若光波垂直探測器光敏面入射，則其上的總光場分布為：混頻后，探測器光敏面上光通量為：對于工作在響應(yīng)度為R的線性區(qū)內(nèi)的探測器輸出信號為：第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五外差探測的特點1）探測靈敏度高直接探測輸出信號：外差探測輸出信號：外差探測信號功率轉(zhuǎn)換比為：若Φ1=10-10W，Φ0=10-3W，則G=4×107第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2）具有很高的信噪比只考慮散粒噪聲和熱噪聲，外差光電流的均方值為：當(dāng)本振光功率很大時，即，Φ0>>

Φ1

，本振散粒噪聲遠(yuǎn)大于其它噪聲，則噪聲功率均方值為：可求出信噪比及最小可探測功率為：也稱為外差探測的量子探測極限。第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五例子：外差探測比直接探測的NEP小2×10-4倍。討論：1)不是越大越好，Φ0↑則，散粒噪聲↑→SNR↓，因此Φ0要適當(dāng)選取。2)滿足信號處理的前提下，Δf越小越好。3)外差探測可以獲得光信號的全部信息；而直接探測僅能探測信號光的幅值。4)濾波性能好：空間濾波，光譜濾波。第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五二、光外差探測的匹配條件1.光外差探測的空間條件要求信號光和本振光的波前在光探測器光敏面上保持相同的相位關(guān)系，即信號光和本振光的波前必須重合，必須保持信號光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直(或共軸)關(guān)系。定義中頻輸出比最大值小10%時的主光線夾角為失配角：第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.光外差探測的頻率條件要求兩束光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。3.光外差探測的偏振匹配為了獲得最大的中頻輸出，要求兩束光的偏振方向平行且保持穩(wěn)定。第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.4.2光學(xué)位相調(diào)制一、基本原理光學(xué)相位調(diào)制是基于光的干涉原理，它利用二束相干光束的疊加而產(chǎn)生的干涉條紋隨被測量的變化而變化的現(xiàn)象，使被測量載荷在光的相位之上。第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五二、光學(xué)干涉儀位相差調(diào)制圖2.41邁克爾遜干涉儀第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五圖2.42吉曼干涉儀圖2.43馬赫澤德干涉儀第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.4.3光學(xué)頻率調(diào)制光學(xué)頻率調(diào)制是被測物理量載荷在光學(xué)差頻上。根據(jù)光頻差的獲得和差頻信號檢測方式不同，大致可以分為三種類型：參量調(diào)頻、固定頻移和直接調(diào)頻。第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五一、光頻移與差頻檢測外差干涉儀的基本特點是兩干涉光束之間的頻移使得干涉場強(qiáng)度隨時間作正弦變化，其變化頻率是兩束光的頻差。各種外差干涉儀技術(shù)的主要區(qū)別在于采用不同的方法來產(chǎn)生和測量兩束相干光之間的頻移。第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五1.產(chǎn)生光學(xué)頻移的方法多普勒頻移、塞曼頻移、旋轉(zhuǎn)1/4波片、移動衍射光柵、聲光布拉格器件等。圖2.44光學(xué)頻移第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五2.差頻檢測方法(1)

參量調(diào)頻被測參量直接對參考光的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成與參考光有定頻差的信號光，檢測差額信號的頻率可以測定被測參量值。第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五(2)固定頻移使用頻移器件使參考光波相對于信號光形成一固定的頻率偏移，或利用雙頻光源形成有一定頻差的兩束相干光束。被測信號對其中一束光波進(jìn)行調(diào)制，用外差檢測其差頻信號就可以測定被測參量。這種方法有時也稱作光學(xué)超外差。第二十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期五(