《光电技术(第2版)》第9章相干光变换

通过频率偏移器取得本振光或经被测信息调制得到信号光。
在外差通讯时，光发射和接收不在同一地点的情况下，要求
本振光对信号光载波保持频率跟踪。
在光混频器上信号光与本振光要求偏振方向一致。
信号光与本振光要求空间波前匹配，即要求空间调准（准
直、共轴），波面吻合垂直入射于光混频表面。二光束入射
角偏斜θ应满足关系
f0
f0
f0
f0＋Δf v
如果相对运动速度为v，则有：
f
f0
1
v c
式中f0－光源发出的光波频率；c——光在真空中的速度。 光源与光接收器相向运动v为正；相背运动时v为负。
在激光干涉仪光路中，激光束被析光镜分成两路，一路 从固定不动的参考镜返回，另一路从可动的测量镜返回。当 测量镜以速度v移动时(可以是变速运动)，光接收器收到由 测量镜返回的光束，由于多普勒效应，其光波频率将发生变 化，即
U1(x, y) a1 exp{ j[1t 1(x, y)]} U2 (x, y) a2 exp{ j[2t 2 (x, y)]} 式中，a1、a2为光波的振幅，ω1、ω2为角频率，φ1、
φ2为初始相位。 当它们合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x,y)可 表示成
I (x, y) a12 a22 2a1a2 cos[t (x, y)] A(x, y){1 (x, y) cos[t (x, y)]}
第九章 相干光光电信号变换方法
利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测 和处理，最终解算出被测几何参量和物理参量的技 术统称作光电干涉测量技术。随着现代光学和光电 子技术的发展，光电干涉技术取得了长足的进展。
本章着重讨论相干光信息的调制和检测技术。
第1节 相干光信息及相干探测
利用相干光作信息传输或检测，需要将被测信 息载荷到光载波上，使光载波的特征参量随被测信 息变化。
Ihs
K Us (t) Uo (t) 2 K
U
2 s
(t
)
U
2 0
(t
)
2U
s
(t
)U
0
(t
)
K 2
{as2
a02
as2
cos(2st
2s )
a02
cos(20t
20 )
2asa0 cos[(s 0 )t (s 0 )] 2asa0 cos[(s 0 )t (s 0 )]}
由式可见混频后的光电信号包含直流分量、二倍参考 光频和二倍信号光频分量以及参考光和信号光的和频 和差频分量。它们的频谱分布如图。
采用电信号处理器可以直接测量光拍信号的各种 参量，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本身的 特征参量，形成了新型的外差检测技术。
条纹干涉强度取决于相干光的相位差，而后者 又取决于光传输介质的折射率n对光的传播距离ds 的线积分
2
L
nds
0 0
式中，λ0为真空中光波波长，L为光程。
对均匀介质
2 (Ln nL) 0
f
f0 f
f
0
1
2v c
所以
2v
f f f0 c f0
因为激光波长λ=c/f0 ，代入上式得
f v
2
频率为f0的参考信号与频率为(f0+Δf)的测试信号叠加后， 发生“拍”的现象，Δf就是它的拍频。当测量镜静止不动 时，拍频为零，干涉场上光强无变化；反之就有亮暗的起伏。 在t时间内干涉场上光强亮暗变化的次数为N，则
Ihs
Ka0 A0
cos
Ka0 A0
M n1
mn 2
cos(nt
n
)
M n1
mn 2
cos(nt
n
)
简化计算，令 0
则
Ihs
Ka0 A0
1
M
mn
n1
cos(nt
n )
这表明零差探测能无畸变地获得调制信号的原形，只 是包含了本振光振幅的影响。此外，在信号光不作调 制时，零差信号只反映相干光振幅和相位的变化而不 能反映频率的变化，这就是单一频率双光束干涉相位 调制形成稳定干涉条纹的工作状态。
其中的倍频项与和频项不能被光电器件接收，只有当 ν0和νs足够接近使频差Δν＝νs-ν0处于探测器的通频带Δf 范围内才能被响应。此时探测器的输出信号变成
其中的倍频项与和频项不能被光电器件接收，只有当 ν0和νs足够接近使频差Δν＝νs-ν0处于探测器的通频带Δf 范围内才能被响应。此时探测器的输出信号变成
➢用电子示波器或中、高频频谱分析仪测试信号波 形或频谱分量；
➢经选通放大器放大外差信号后用时域微分鉴频、 斜率鉴频或相位鉴频等常用电子装置测定外差拍频；
➢对于射频外差信号，采用射频混频的电信号外差 接收，转换为较低频信号后进行频率测量。
更多的检测方法要根据光调制的方式和外差信号的 频谱范围自行设计。
所谓光干涉是指可能相干的二束或多束光波相 重叠，它们的合成光波随其间的相位关系表现出不 同的光强度空间分布或时序变化的现象。干涉测量 的基本作用在于把光波的相位关系或频率状态以及 它们随时间的变化以光强度空间分布或光强度随时 间变化的形式检测出来，这个作用有时称作相幅变 换。
以双光束干涉为例，设二相干波面波振幅U1(x,y) 和U2(x,y)分别为
式中
A(x, y) a12 a22
：条纹的光强直流分量，
(x, y) 2a1a2 /(a12 a22 ) ：条纹的对比度，
1 2
：光频差，
(x, y) 1(x, y) 2 (x, y) ：相位差。
当二光束光频相同即单频光相干时，有ω1＝ω2或Δω＝
0，此时干涉条纹不随时间改变，呈稳定的空间分布， 有
0 l
式中，λ0是本振光波长，l是光电探测器光敏面尺寸。 光电探测器应有灵敏度均匀的光敏表面，足够的高频响应和
稳定的量子效率。外差探测通常采用光电倍增管、PIN管和雪 崩光电管等。
（4）外差信号的检测
外差信号的频率范围取决于本振光和信号光的 频差。通常为104到1010Hz数量级。主要检测光拍信 号的方法包括
光传播介质折射率和光程长度的变化都将导致相干 光相位的变化，从而引起干涉强度的改变。这一性质 被用于改变光载波的特征参量，以形成各种光学信息。
2、干涉测量中的调制和解调
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测 信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型的干 涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解调器。
按调制解调的类型分为：相位调制（PM）、频 率调制（FM）、振幅调制（AM）、偏振调制 （POM）、光波谱调制（SM）。
相干光学信息的类型
二、非相干探测和相干探测
非相干探测指的是当将信号光波直接投射到光电检 测器件的光敏面时，检测器只响应入射于其上的平均 光功率，无论是对相干光或非相干光，检测系统只能 检测出由光强度调制所形成的信号，这种方式也称直 接探测。
N
t
fdt
t
v
dt 2
t
vdt
0ห้องสมุดไป่ตู้
0 2
0
t
式中 vdt 就是在时间t内，测量镜移动的距离L，故有 0 LN 2
得到的测量方程与用条纹模型解释一致。
3、相干光信息分类
按物理效应分类为：双光束和多光束干涉条纹和干 涉图、衍射图和莫尔拓扑图、散射图、全息照相和全 息干涉及计算全息图、散斑照相和散斑干涉图、傅里 叶变换、光学外差或零差效应。
光学外差探测原理示意图
设入射混频的信号光波复振幅Us和参考光波复振幅 U0的形式分别为
Us (t) as sin(st s ) U0 (t) a0 sin(0t 0 ) 式中，ωs＝2πνs和ω0＝2πν0是二光波的角频率，νs和ν0 是对应的光波频率。
采用平方律探测器进行光混频后，探测器的输出Ihs为
相干探测能响应相干光波的波动性质，检测输出的 电信号能间接表征光波的振幅、频率、相位或与之有 关的信息。它的主要方式是外差探测。
1、非相干探测的原理和特性
设被测光信号的波振幅Us(t)为
Us (t) as sin(st s )
它产生的入射功率Ps为
Ps
as2[sin2 (st
s
)]平均＝
1 2
调制特征参量（包括振幅、相位、频率、偏振、 光波谱分布等）随被测信号的变化而改变。
相对应的光调制技术分为光振幅调制（AM）、 相位调制（PM）、频率调制（FM）、偏振调制 （POM）和光波谱调制（SM）。
以迈克尔逊干涉仪为例
a) 原理示意图
b) 等效方框图
干涉仪是光学调制器和解调器的组合
用多普勒效应解释迈克尔逊干涉仪测量过程
按被测目标的表面性质分为：带协作镜面靶和粗糙 表面被测目标。
按相干光的频率分为：单一频率双光束干涉、单一 频率多光束干涉、双频率双光束干涉，多频率多光束 等。
按相干场的时空范围分为：相干场限制在局部空 间随时间变化的干涉、在二维平面内发生的空间干 涉（干涉图）、在二维平面内发生的随时间变化的 干涉。
as2
光电检测器件只响应平均功率，其输出信号Ids为
I ds
K 2
as2
K为光电灵敏度。
在直接探测情况下，光电检测器件的响应与平均 入射功率成正比或与波振幅平方成正比。
它不响应载波光的频率和相位变化，只适用于振 幅或强度调制的光载波的解调。
2、外差探测的原理和特点 （1）外差探测原理
光学外差探测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为 基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电探测器上 进行光学混频。探测器的输出是频率为二光波光频差的拍频信 号。该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。与非相 干探测相比，这种方式也称作相干探测。
I (x, y) A(x, y){1 (x, y) cos[(x, y)]