光電檢測(cè)直接外差探測(cè)

光電檢測(cè)直接外差探測(cè)第1頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光ω2光ω1光ω1-ω2光電檢測(cè)方法直接探測(cè)與外差探測(cè)系統(tǒng)光信號(hào)接收器帶通濾波器光電探測(cè)器放大器低通濾波器直接探測(cè)系統(tǒng)光光光電電光信號(hào)接收器帶通濾波器光電探測(cè)器低通濾波器光ω1光ω1電電放大器本征激光器外差探測(cè)系統(tǒng)第2頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直接檢測(cè)光電探測(cè)器的基本功能是把入射到探測(cè)器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電流光電流是光電探測(cè)器對(duì)入射光功率的響應(yīng)，如果傳遞的信息表現(xiàn)為光功率的變化，利用光電探測(cè)器的直接光電轉(zhuǎn)換功能就能實(shí)現(xiàn)信息的直接解調(diào)第3頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電探測(cè)器的平方律特性假定入射光的電場(chǎng)為是等幅正弦變化光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換定律若探測(cè)器的負(fù)載電阻為RL，那么光電探測(cè)器的輸出功率電輸出功率正比于入射光功率的平方；光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方第4頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月信噪比設(shè)入射光電探測(cè)器的信號(hào)功率為si，噪聲功率為ni，光電探測(cè)器的輸出電功率為so，輸出噪聲功率為no，則總的輸入功率為si＋ni，總的輸出功率為so＋no由光電探測(cè)器的平方律特性信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有第5頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)信噪比的定義，輸出信噪比為若（si/ni）<<1，則有直接探測(cè)方式不適宜輸入信噪比小于1或微弱信號(hào)的探測(cè)若（si/ni）>>1，則有輸出信噪比等于輸入信噪比之半，光電轉(zhuǎn)換后的信躁比損失不大，適宜于強(qiáng)光探測(cè)第6頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直接探測(cè)——提高輸入信噪比的光學(xué)方法光譜濾波：基于目標(biāo)輻射的波長(zhǎng)與背景輻射波長(zhǎng)之間的差別，利用光譜濾波法消除背景輻射的干擾減小探測(cè)器的面積場(chǎng)鏡：在調(diào)制盤(pán)及探測(cè)器之間插入一個(gè)透鏡，它能把視場(chǎng)邊緣的光線折向光軸，使得焦平面上每一點(diǎn)發(fā)出的光線都充滿探測(cè)器；光錐：起到減小探測(cè)器面積的作用。探測(cè)器ab第7頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外差檢測(cè)該方法將包含有被測(cè)信息的相干光調(diào)制波和作為基準(zhǔn)的本機(jī)振蕩光波，在滿足波前匹配條件下在光電探測(cè)器上進(jìn)行混頻。探測(cè)器輸出的是頻率為兩光波光頻差的拍頻信號(hào)該信號(hào)包含有調(diào)制信號(hào)的振幅、頻率和相位。通過(guò)檢測(cè)拍頻信號(hào)最終調(diào)制出被傳送的信號(hào)利用光的干涉原理fS-fL第8頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(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：

基本原理第9頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

；: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)器輸出的光電流第10頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月混頻后的頻譜兩束光頻率必須足夠接近，差頻信號(hào)才能處于探測(cè)器的通頻帶范圍內(nèi)第11頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月探測(cè)能力強(qiáng)：光波的振幅、相位及頻率的變化都會(huì)引起光電探測(cè)器的輸出，因此外差探測(cè)不僅能夠檢測(cè)出振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光波信號(hào)，而且可以檢測(cè)出相位和頻率調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換增益高：外差探測(cè)時(shí)經(jīng)過(guò)光電接收器輸出的電流幅值為外差檢測(cè)與直接檢測(cè)的性能比較第12頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

同樣信號(hào)光功率下，光外差探測(cè)和直接探測(cè)得到的信號(hào)功率比為

G為轉(zhuǎn)換增益相干探測(cè)中本征光的功率P0遠(yuǎn)大于接收到的信號(hào)光功率PS,通常是高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此G可高達(dá)107~108數(shù)量級(jí)第13頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濾波性能好形成外差信號(hào)，要求信號(hào)光和本征信號(hào)空間嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，而背景光入射方向是雜亂無(wú)章的，偏振方向也不確定，不能滿足外差空間調(diào)準(zhǔn)要求，不能形成有效的外差信號(hào)，因此該方法可以濾掉背景光同時(shí)通過(guò)檢測(cè)通道的通頻帶剛好覆蓋有用的外差信號(hào)的頻譜范圍，這樣雜散光形成的拍頻信號(hào)也可以被濾掉第14頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月差頻信號(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)。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)光子第15頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(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

第16頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外差檢測(cè)的條件---相位條件假設(shè)信號(hào)光和本征光是平面波，兩者之間夾角；并假定光探測(cè)器的光敏平面是邊長(zhǎng)為d的正方形，假定本征光垂直入射x信號(hào)光與本征光波前有一失配角，信號(hào)為第17頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月入射到光混頻器表面的總光場(chǎng)為則光混頻器輸出的瞬時(shí)光電流為由于因此瞬時(shí)中頻電流的大小與失配角有關(guān)第18頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際中失配角很難調(diào)整到零，為了盡可能大的中頻輸出，希望因子盡可能接近于1，為了滿足這一條件

即失配角θ與信號(hào)光波長(zhǎng)λs成正比，與光混頻器的尺寸d成反比波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光電探測(cè)器的尺寸越小，則容許的失配角就越大；波長(zhǎng)越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻瞬時(shí)中頻電流達(dá)到最大值第19頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光外差探測(cè)的偏振條件要求信號(hào)光與本征光的偏振方向一致，這樣兩束光才能按照光束疊加規(guī)律進(jìn)行合成通常光電器件前放置偏振片第20頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外差檢測(cè)的頻率條件兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度如果信號(hào)光和本征光的頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差就可能大大超過(guò)中頻濾波器的帶寬通常兩束光取自同一激光器，通過(guò)頻率偏移取得本征光，信號(hào)光通過(guò)調(diào)制得到第21頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外差法的調(diào)頻方法為了形成外差檢測(cè)的光頻差，采用頻率調(diào)制方法運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻：固定頻移直接調(diào)頻法第22頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)動(dòng)參量的頻率調(diào)制對(duì)運(yùn)動(dòng)參量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，被測(cè)運(yùn)動(dòng)參量直接對(duì)參考光波的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成與參考光有一定頻差的信號(hào)光，這種頻率調(diào)制方法稱為參量調(diào)頻法第23頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)差頻利用多普勒效應(yīng)------運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷涞狡渖系墓獠ǖ念l率，即頻率為f0的單色光入射到速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，被物體散射的光波頻率fs會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，它散射的方向有關(guān)r0f0vrsfs多普勒測(cè)速基本公式第24頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定頻移的頻率調(diào)制使用頻移器件使參考光波相對(duì)信號(hào)形成一固定的頻率偏移采用聲光效應(yīng)激光頻移聲光器件中以頻率為f的超聲波交變信號(hào)激勵(lì)換能器，在透明介質(zhì)內(nèi)形成折射率的周期變化；若滿足布拉格衍射的條件，將會(huì)產(chǎn)生一級(jí)衍射光。一級(jí)衍射光與零級(jí)衍射光頻率產(chǎn)生頻移，可分別作為參考光和信號(hào)光聲波2θλs第25頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直接光頻調(diào)制利用可進(jìn)行頻率調(diào)制的激光器產(chǎn)生隨時(shí)間變化的調(diào)頻參考光束的頻率調(diào)制方法半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制半導(dǎo)體激光器LD具有良好的工作特性，當(dāng)注入電流改變時(shí)，激光器的振蕩頻率能直接變化第26頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直接頻率光干涉測(cè)量

邁克爾遜干涉儀調(diào)制器LrLs激光器光學(xué)隔離器光電檢測(cè)器參考鏡測(cè)量鏡第27頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光程差為，則兩束光波的相位差為注入電流改變，光頻改變?yōu)?，則兩相干光的附加相位偏移為光電探測(cè)器輸出的光電流為干涉信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間改變第28頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外差信號(hào)的檢測(cè)光載波光調(diào)制外差檢測(cè)測(cè)頻測(cè)相外差信號(hào)檢測(cè)示意圖第29頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙頻激光干涉儀M3激光器光學(xué)隔離器光電檢測(cè)器參考鏡測(cè)量鏡M4M2M1F1F2第30頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀激光測(cè)距儀激光準(zhǔn)直環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)制）多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制）光外差通信第31頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀莫爾條紋的原理將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度θ,透過(guò)光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強(qiáng)調(diào)制作用．長(zhǎng)光柵莫爾條紋的形式橫向條紋:P1=P2,θ很小;縱向條紋:P1~P2,θ=0;斜條紋:P1~P2,θ很小.莫爾條紋演示縱向條紋橫向條紋第32頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月莫爾條紋的形成

均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)第33頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月莫爾條紋的特性光柵的節(jié)距比光的波長(zhǎng)大很多.莫爾條紋的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角θ(rad)之間的關(guān)系為：當(dāng)兩光柵沿垂直于柵線的方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動(dòng)．光柵每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距Ｐ，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)寬度Ｂ．因?yàn)棣群苄。糯蟊稊?shù)Ｋ很大．例如:θ=20’,K=172斜向條紋第34頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺(tái)固定．一塊為長(zhǎng)光柵．工作臺(tái)前后移動(dòng)的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)得到．指示光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋變化一周．指示光柵移動(dòng)的距離為：

Ｎ：指示光柵移動(dòng)距離中包含的光柵線對(duì)數(shù)，δ：小于１個(gè)光柵節(jié)距的小數(shù)．簡(jiǎn)單光柵讀數(shù)頭１：燈，２：聚光鏡，３：指示光柵，４：長(zhǎng)光柵，５：光電探測(cè)器第35頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀光電探測(cè)器接收到的明暗變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；通過(guò)對(duì)莫爾條紋的直接測(cè)量，可以測(cè)的光柵的位移量；在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細(xì)分裝置進(jìn)行細(xì)分，可讀取位移的分?jǐn)?shù)，提高測(cè)量的靈敏度和精度．光柵輸出信號(hào)波形第36頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀的應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化中的核心測(cè)控部件小型智能化的長(zhǎng)度測(cè)試儀器，用于對(duì)長(zhǎng)度、直徑、厚度、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測(cè)量。新一代的計(jì)量測(cè)試工具某些幾何量計(jì)量檢測(cè)儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)某些物理量的計(jì)量檢測(cè)儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)納米級(jí)測(cè)量的重要儀器非接觸在線測(cè)量控制儀器第37頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月激光多普勒測(cè)速頻率調(diào)制：運(yùn)動(dòng)物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。光外差檢測(cè)：可見(jiàn)光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無(wú)法直接檢測(cè)多普勒頻移．因此，需要光外差的方法： 同一光源的兩束相干光以一定的條件投射到光電探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，就能在輸出的電信號(hào)中得到兩束光的差頻．第38頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月激光多普勒測(cè)速的原理激光束經(jīng)分光鏡分成兩束，一束經(jīng)透鏡會(huì)聚測(cè)點(diǎn)，被該處正以速度V運(yùn)動(dòng)的微粒向四面八方散射，散射光發(fā)生了頻移，頻率為（ν＋νＤ）。另一束經(jīng)濾光片衰減后也由透鏡會(huì)聚于測(cè)點(diǎn)，有一部分穿越測(cè)點(diǎn)作為參考光束，頻率為ν。進(jìn)入光闌由透鏡會(huì)聚到光電倍增管的光電陰極上的有兩束頻率相近的光，發(fā)生干涉。參考光模式第39頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)：兩光束的夾角為α，光波波長(zhǎng)為λ，則干涉條紋的間距為：

干涉條紋的空間頻率為：若粒子運(yùn)動(dòng)的速度為ν，運(yùn)動(dòng)的方向與條紋垂線的夾角為β，則粒子散射光的頻率為：

只要測(cè)出散射光的頻率，就可