光学探测技术

光学探测技术

为了更好的理解之后的学习内容，我们将回顾一下光在光电检测中的基本概念。最基本的考虑因素是光电探测器，它可以将光转变为电流。通过使用雷达和通讯系统在有频谱和红外光频谱中有各种各样的检测技术显示了高性能。由于体积小、性能的原因，大多数应用依靠现代半导体器件的基于光电效应，产生光电流检出率。还有，光电流是包含光生的初级电子和孔的损耗区域的检测器。温和上涨10-100可以通过雪崩过程取得许多检测器，如光电倍增管（PMT)和雪崩光电二极管（APD).有设备通常具有一个多余的乘法和雪崩过程中，在接收器设计时必然考虑到所产生的噪音。使用APD设备远远超过了雪崩击穿的偏见，使探测器在盖革模式下，工作，使造成非常高的增益（10~6），超快速的上升时间（皮秒），单光子事件的敏感性，仍然可以实现高增益。它已经被所有情况证明，主要的光电子统计数据是相同冲击碰撞光子流的。泊松统计的，而需要更复杂的统计模型来描述雪崩过程。

光接收机使用光探测器可以用两种方法来完成检测，即直接检测和相干检测。直接检测可以看作是一个简单的能量收集过程，只需要在镜焦平面上放置一个光电探测器，然后产生的信号电流被一个电子放大器放大。相比之下，相干检测则要求光电探测器表面存在能与信号光束混合的本地光学信号谐振器。相干混合过程对信号光和本地振荡器的调试方式规定了严格的要求，以便两个从根本上不同的方法都能有效地执行。如果信号光和本地振荡器频率不同或不相关，这个过

程成为外差检波；如果他们的频率是相同的或相关的，就是零差检测。图3-3显示了一般光外差器结构，有单独的激光器非别产生不相关的、不同频的信号光和本地振荡光。将它们用一个光波分复用器合成为一个反射率很高、信号损耗很低、可以提供足够能量的本地振荡光。图3-4显示了一个可能的同频安排，其中一小部分传输光用于本地振荡器，从而达到相关频率的要求。

在零差激光雷达应用中，信号与本地振荡信号的频率之间的相干性关于往返运动的时间参数τR ，经常用一个具有比τR 更长的相干时间的激光发射器来维持。另外，激光发射器和本地振荡器的频率可以是相同的，也可以是不同的，它取决于（在这个）光学系统中是否采用变频器。单模激光频移系统，有的也被称为失调零差系统，多普勒频频量Vo1远离基带的信号也可以发生频移，其中Vo1=±2|V|/λ为多普勒频率。这个相反的轨迹与远离信号源的运动一致，以至于多普勒频率在零带重叠产生出一个确定的频率Vo1，用于发射和接收频率之间的固有相干性，这些过程仍旧可以被看做零差。

零差检测被证明在量子学领域有一些独特的特殊功能，它展示了实现光子噪声水平低于量子的可能性。这种噪音水平被体积为海森堡的不确定原理的相干性的挤压状态，然而这种幅度或相位的变化并不能同时进行。相干态是一个在不确定性原理上的最底线，即众人所知的激光灯，这些状态是与聚合束和反聚合束统计的光子密切相关的，在4.8.2节中将提到APD检测统计。