第六章光外差检测系统2
第六章 典型光电测试系统
jP2 iP 1 )ctg cos
（6-5）
jP2 iP 1ctg sin
yi , j y0,0 xi , j x0, 0 iP2 iP 1 ctg iP iP 1 sin 1
tg
P P cos 2 1 P 1 sin
济南大学物理科学与技术学院
济南大学物理科学与技术学院
11
4. 编码计数型主动开关 光电开关可工作在开关状态，那么就很容易变换成计数状态或编 码控制状态。
测量照相机快门动作时间。发光管发出频率的光脉冲， 他放在快门的一边，光电接收管在快门的另一边。当快 门打开前计数器预先归零。快门打开时，光电转换后的 电脉冲使计数器计数。快门关闭时，计数停止。计数器 所计脉冲个数与脉冲周期之乘积就是快门开启时间。
主光栅与指示光栅各刻线交点的连线即构成了莫尔条纹。如果主光栅刻线序 列用i=0,1,2,3……表示，指示光栅刻线序列用j= 0,1,2,3……表示，则两 光栅刻线的交点为[i，j]，则莫尔条纹l由两光栅各同刻线交点[0，0]， [1， 1]， [2，2]……连线构成。设主光栅A的栅距为P1，指示光栅B的栅距为P2， 由图看出，主光栅A的刻线方程为
（6-6）
26
莫尔条纹1的方cos x P 1 sin
（6-7）
同样可以求得莫尔条纹2和3的方程
y2
P2 P P 1 cos x 2 P sin 1 sin
（6-8） （6-9）
P2 P P2 1 cos y3 x P sin 1 sin
频率测量 (1)计数测频法 计数测频法的基本思想就是在某一选定的时间间隔内对 被测信号进行计数，然后将计数值除以时间间隔（时基） 就得到所测频率。
光电检测技术课后部分答案
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）光学变换：时域变换-------调制振幅，频率，相位，脉宽空域变换-------光学扫描光学参量调制：光强，波长，相位，偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
第6章 外差检测系统1
假定入射光信号电场为：
Es t A cos t
光场平均光功率为：
5-1
Ps E t A 2
2
2 E t 表示 Es t 的时间平均值；
_______ 2 s
_______ 2 s
显然，光波直接检测只能测量到振幅值。
反射镜
CO2激光器
fs fL 转镜
f s- f L 输出 光电 放大器 线栅 偏振器 检测器
6.2.3 良好的滤波性能 如果取差频信号宽度 (L s ) / 2 为信息处理 器的通频 带 f 即 f (L s ) / 2 f L f s ， 那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可 以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器 滤掉，因此，外差检测系统中不需要加光谱滤光片， 效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好得多。
2
L
x sin x
于是，本振光波可表示为
f L (t ) AL exp[ j(Lt L x]
上述两束光投影到检测器上时，根据检测器的输出 特性，整个光敏面总响应电流为
i As AL cos[(ct (s L ) x]dxdy Ad l sin 2 As AL cos[(c t (s L )] l 2
p s L
e 为量子效率； 式中： 为光电变换比例常数， h c L s 称为差频。 h 为光子能量； 上式中： <1> 余弦平方项在整数周期内的时间平均值为 1 2 ，其和为 2 2 ， 相当于探测器输出的直流分量； ( ES E 0 L0 ) 2 <2> 第三项为“合频项”，其整数周期内的时间平均值为零； <3> 第四项为“差频项”，注意到它的变化速度相对光场的变化要 缓慢得多，可视为常数，当差频(ωL-ωs)/2π=ωc/2 π低于光检 测器的截止频率时，光检测器就有频率为c / 2 的光电流输出。
第6章 光学系统设计PPT课件
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-7 HG500发光二极管的配光曲线
4．光源的温度和颜色
任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为
温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 Mb ,T 表示为
：
M b
,T
M ,T ,T
式中，M
,T
de ddA
为辐射本领； ,T 为吸收率，当 ,T 1 时的物体称
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量
与产生该光通量所
V
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
外差(相干)探测系统 2013.4.26
初位相。
这二列波叠加的结果为：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
iC t As AL cos L s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
基本特性
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好
的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光 – 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差△f= f1-f2很小的二列波：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )
•
q / h ； :
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
光电检测技术智慧树知到答案章节测试2023年山东科技大学
第一章测试1.光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器A:对B:错答案:A2.PN结型的光电传感器有光电二级管、光电晶体管光电晶闸管等A:错B:对答案:B3.非PN结的光电传感器有光敏电阻、热敏电阻及光电管等A:对B:错答案:B4.一般的电子检测系统由三部分构成，分别是（）、（）和（）A:发射器B:传感器C:信号调制器D:输出环节答案:BCD5.光电检测系统频率量级上比电子检测系统提高了几个数量级，因此在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率上大大提高A:错B:对答案:B第二章测试1.热效应较小的光是A:红外B:紫光C:紫外D:红光答案:C2.半导体中受主能级的位置位于A:满带B:价带C:禁带D:导带答案:C3.波长为500nm的波属于A:太赫兹波B:X射线C:远红外D:可见光答案:D4.光度量是辐射度量的()倍A:683V(λ)B:V(λ)C:683D:1/683 V（λ）答案:A5.本征半导体在绝对零度时，在不受光的照射下，导带中没有电子，价带中没有空穴，此时不能导电。
A:错B:对答案:B第三章测试1.光电倍增管的光电阴极上发射出光电子的最大速度随入射光光子能量的增大而增大。
A:错B:对答案:B2.光敏电阻是光电导效应器件。
A:对B:错答案:AD器件按像敏元的排列形式可以分为一维和二维两种。
A:对B:错答案:A4.光电耦合器件具有信号传输的单向性，所以只适用于的直流或数字脉冲信号。
A:错B:对答案:B5.热敏电阻的种类不包括下列哪个A:ZTCB:NTCC:CTCD:PTC答案:A第四章测试1.信息的信噪比的大小决定了光电探测器件能否测量出改信息。
A:对B:错答案:B2.根据噪声来源，光电探测器的噪声有几种形式？A:低频噪声B:背景噪声C:热噪声D:散粒噪声答案:ACD3.设计光电信号检测电路必须满足下列哪些要求？A:最佳的信号检测能力B:灵敏的光电转换能力C:快速的动态响应能力D:长期工作的稳定性和可靠性答案:ABCD4.对于光伏型的光电信号输入电路，当入射光通量一定时，负载增大，输出电压也增大，但是当电阻达到一定值后输出电压变饱和。
光外差探测系统课件
环境监测是光外差探测系统在环保领域的应用，主要用于气体浓度、温度、压力 等参数的测量。
光外差探测系统具有高灵敏度、高精度、实时性强的特点，对于环境监测和污染 治理具有重要的意义。
06
光外差探测系统发展趋势与展望
高性能探测器研究
1 2 3
高灵敏度 通过优化探测器结构、提高材料质量等方式，提 高探测器的光子吸收效率和响应速度，从而提高 探测器的灵敏度。
数据存储与备份
将采集到的数据存储在可靠的存储介质中，并定 期进行备份，以防数据丢失。
系统调试与优化
系统调试
在实验过程中对系统进行实时监 测和调试，确保系统工作正常并 达到预期的性能指标。
性能优化
根据实验结果和实际需求，对系 统的性能进行优化，如调整探测 器参数、改善信号质量等。
故障排查与维护
在系统出现故障时，及时排查故 障原因并进行修复，确保系统的 稳定性和可靠性。
实验设备布局
根据实验需求合理布置实 验设备，包括激光器、光 外差探测器、信号源等， 确保设备间的连接无误。
环境温湿度控制
保持实验环境的温湿度稳 定，以确保实验结果的准 确性和可靠性。
数据采集与处理
数据采集方式
采用高速数据采集卡或示波器等设备，对探测器 输出的信号进行采集。
数据处理算法
根据实验需求选择合适的数据处理算法，如滤波、 放大、解调等，以提取有用的信号信息。
光谱分析
用于光谱分析中，实现对气体、液体、固体 等物质的高精度光谱测量。
光通信
用于光通信系统中，实现高速、大容量、低 噪声的光信号接收。
激光雷达
用于激光雷达系统中，实现高精度、远距离 的激光测距和成像。
02
光外差探测系统组成
光电检测技术与应用 第六章 光外差探测系统
3、外差检测信噪比 设存在背景光波fB(t)，其功率为PB。则探测器
的输出电流为：
输出信噪比为
I 2 P P P C S B L
2 P P I P A S L S S S I P A 2 P P n B B B L
4、最小可探测功率 内部增益为G的光外差探测器的输出有 效信号功率为: 2 e P G P C 2 SP LR L h
6.3 影响光外差检测灵敏度的因素
2v fS fL 1 c
频差为：
2 v c2 v 2 v f f f f 1 S L L c L c L 6 2 v 2 15 10 6 3 10 Hz 10 . 6 L
若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽 若为10 ，所对应的带宽 Δ f 2为 A
A
f2 f2 f1 c
c
2 1
4
c
c 2 1
2 1
2
2
10 .6 10
18 3 10
9 Hz 10 3 10 2
带宽之比为：
9 3 10 3 f2 f1 10 6 3 10
第六章 光外差探测系统
光外差检测原理
光外差检测特性
影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例
6.1 光外差探测原理
光波f（t）写成:
f t A cos t
平均光功率Pcp为:
1 A 2 2 P A cos td t cp 2 0 2
2
2
外差探测原理
P 2PL C G P P 0 S
e 2 P P 0 S R L h
直接探测和外差探测
PbS（PC 常温）
PbSe（PC 常温）
InSb（PV 77K）
高
Ge:Au（PC 77K）
阻
热释电探测器
内阻（Ω）
1~10 50~200
1~10 ~50 2.5~50 20~50 104 105~106 105~107 106~107 103~105 105~107 ~108
响应时间（s）
10-2~1 10-3~10-2 10-2~10-1
• 如果放大器本身有噪声，又无滤波功能(如前放一般不采取带 限措施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则 输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声 功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变 好，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则F>1。
16
3.3.3 匹配方法
In (Rs
||
Zi )Av
In
Rs Z i Rs Zi
Av
Ens的贡献
En的贡献
9
In的贡献
将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：
En2o
E2 no( Ens )
Eno2(En )
Eno2(In )
2
2
2
En2s
Rs
Zi
Zi
Av
En2
输出的噪声功率为
信号光电流：in2s 2eM 2isf
对测于 器输光 前出电 面二 的信P极2n噪改管为比，(4inM.2为s=1，in(2对bso于)i光n2d电导iMn2探T )2RRi2LP背s2电景暗声阻光电电温电流流度流：：噪：iin2ni2dbn2T22e4eMMkBRT22Liidbf ff
光电检测技术课后部分答案
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）光学变换：时域变换-------调制振幅，频率，相位，脉宽空域变换-------光学扫描光学参量调制：光强，波长，相位，偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
基于光外差法的高速光电探测器带宽测量技术
基于光外差法的高速光电探测器带宽测量技术介绍高速光电探测器是现代通信和信息处理系统中不可或缺的重要组成部分。
为了能够充分发挥其性能，准确测量其带宽是非常重要的。
在这篇文章中，我们将介绍一种基于光外差法的高速光电探测器带宽测量技术。
光外差法的原理光外差法是一种常用的测量光电探测器带宽的方法。
其原理基于外差器的工作原理，通过将输入信号与一个参考信号光束进行光混频，得到混频信号的频谱分布，从而得到光电探测器的频率响应。
具体步骤如下：1.发射激光器发射一束光束，并将其分为两路，一路作为输入信号，另一路作为参考信号。
2.输入信号被光电探测器探测后，得到电信号。
3.参考信号经过一定的调制，与电信号进行光混频。
4.光混频得到的混频信号经过光电探测器探测，得到频谱分布。
5.分析频谱分布，得到光电探测器的频率响应，从而计算得到其带宽。
高速光电探测器带宽测量技术的关键问题在实际应用中，高速光电探测器带宽测量技术面临一些关键问题，需要特别注意和解决。
这些问题包括：1.参考信号的选择：选择合适的参考信号对于光外差法的测量结果至关重要。
参考信号需要具有足够的稳定性和纯净性，否则会引入误差。
2.光电探测器的线性度：光电探测器的线性度对于测量结果的准确性和可信度有着重要影响。
需要在实验前对光电探测器的线性度进行校准。
3.测量环境的稳定性：测量环境的温度、湿度等因素对测量结果会产生干扰。
需要保持测量环境的稳定性，或者对测量结果进行相应的校正和修正。
4.测量结果的处理与分析：得到的频谱分布需要进行处理和分析，提取出光电探测器的频率响应。
常见的处理和分析方法包括傅里叶变换、滤波器设计等。
测量技术改进和发展随着科技的进步和需求的不断增加，光电探测器带宽测量技术也在不断改进和发展。
一些新的测量技术和方法被提出，以满足高速通信和信息处理系统的需求。
以下是一些改进和发展的方向：1.多光谱波段测量：随着光通信的发展，需要对不同波段的光电探测器进行带宽测量。
光外差原理
光外差原理光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法、对于光强度调制信号。
只要选择光电探测器适当，都能无失真地转换为电信号，最后由电路完成检波任务，检出所需信息。
而光波振幅、频率和相位的调制信号因光频太高，不能直接被光电探测器所响应。
采用光外差法，光电探测器可以以输出电信号的形式检出所需信息。
光外差探测法在光通信中是很有发展前途的，目前在实时精密测量方面的应用已有显著成就。
一、实验目的（1） 验证和掌握光外差探测原理；（2） 训练相干探测的实验能力。
二、实验内容（1） 在信息仪平台上调整光路，了解外插法所必须的空间配准条件，也就是参考光束和物光束空间配准与接收口径之间的关系；（2） 用外插法所得到的信号可表示插入透明物体的透过光波的复振幅，也就是振幅与相位的变化。
三、基本原理光外差探测的基本原理是基于两束光的相干。
必须采用相干性好的激光器作光源，在接收信号光时同时加入参考光（本地振荡光）。
参考光的频率与信号光频率极为接近，使参考光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号。
只要光电探测器对拍频信号的响应速度足够高，就能输出电信号检出信号光中的调制信号来，如图1所示即为一例。
图中用一个激光器射出激光，经半透、半反平面镜M 后分成两路。
一路透射光再经半透、半反平面镜M 3后直接投向光电探测器作为参考光；另一路反射光经反射镜M 1偏转90o 方向后投向声光调制器。
声光调制器出射光束，由光阑M 0选出其一级衍射光，它经反射镜M 2偏转后投向半透、半反平面镜M 3成为信号光。
微调M 3使信号光和参考光以几乎重合、平行地投向光电探测器，两束光在光敏面上相干。
如果这两束光偏振方向一致（或偏振方向一致的分量），它们就能形成差频信号。
声光调制器由声频信号提供声频ω1的信号加到声光调制器上。
若调制器是布拉格衍射，则出射的一级衍射光就是声频信号的调制光，其光频率为ω0＋ω1或ω0－ω1（视入射方向而定）。
第6章_光电系统设计PPT课件
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
光辐射的直接检测与外差检测概要
号处理
（3）前置放大器： （i）通常探测器输出的信号非常弱，多为微伏量级，故需要用 一个低噪声放大器与其配接，以便后续处理与进一步放大。 （ii）将探测器做必要的偏置，以便与后续电路匹配
要求：噪声低、增益高、带宽适当
（4）信号处理器： 将信号做进一步的放大与处理，以获得所需的信号 工作方式：数字式、模拟式 功能：放大、滤波、数学运算等
2 (e h) 2 ( P P ) RL si ni
2 2 (e h) 2 ( P si 2 P si P ni P ni ) RL
2 2 (e h) 2 Psi RL (e h) 2 (2Psi Pni Pni ) RL （2.1.4）
输出信噪(功率)比(以下简称为“信噪比”)为
2 P s
2hf (G 2 G ) ( P s P b ) (2.1.20)
2
与(2.1.13)比较
SNR po
IL
Ps2 2hf ( Ps P b
知差一因子
1 G
2
h Id ) e
表明 : 对于大信号检测, 内增益直接检测系统信噪比低于无内增益 系统信噪比。原因是内增益系统在增大了信号的同时也增大了 噪声，故信噪比没有明显改善。
第一节 直接检测
引言 ： 1、直接检测的一般构成：
2、各部分的功能 ： （1）光学接收天线：通常为一组透射式或反射式光学系统，用以 收集入射光辐射 可见光：多用透射式以获得高质量的成像 红外光：因反射损失小，材料来源方便，易于加工，故多用 反射式
（2） 滤波片与空间滤波器：滤除部分无用的光辐射以减小干扰 调制盘：从探测信号中获得更多信息，提高灵敏度，便于信
(2.1.23)
仅考虑霰弹噪声与热噪声时的噪声均方电流为
光外差检测的条件(精)
接检测的光电转换增益 为
G
PIF P直接
22 Ps PL RL 2 Ps 2 RL
2PL Ps
外差检测中 PL ~ 103W 量级； Ps ~ 1010W 量级；
代入上式，知： G 2 107 倍。
三、信噪改善比 SNIR
1、直接检测系统信噪比依（2.1.5）为
S NR p o
(SNRpi )2 1 2SNRpi
Es0
cos(st
s
2 s in s
x)
(2.2.30)
EL (t) EL0 cos(Lt L )
则入射到光敏面上的总光场为
(2.2.31)
E(t) Es (x,t) EL (t) 依探测器的平方律特性, 在探测器表面 x方向增量 dx 上产 生的微分电流为
dip [Es ( x, t) EL (t)]2dx
1、 SNRpo
当本振光足够强时，可认为系统噪声的主要成分为本振光电
流的霰弹噪声，有
式中
in2 2eiL f 2ePL f 2eidc f
idc
2
(E120
E220
EL20 )
2
EL2,0
PL
f为带通滤波器带宽
(2.2.42)
则 第一个滤波器输出端信噪比为
SNRpo
iI2F in2L
2idc
展开上式 ，并舍弃合频项， 得
dip
Es20
EL20 2
Es0EL0 cos[(L
s )t
k
x
x]dx
将余弦项展开后，从 d 2 到 d 2 积分，
ip
d
Es20
EL20 2
Es0EL0 cos(L
第六章光外差检测系统2
则整个光敏面总响应电流为
2 sin L
i Ad As AL cosct
sin
从式中可知，当 l
s
l 2
1
L x dx
时，即sin
As AL cos ct s L
sin
l
2
l 2
l 2
时，中频电流i最大。
l 2
2
即可得外差检测的空间相位条件为：
sin L
即： arcsin L
线栅偏振器
fs fL
fL
可变光阑
反射镜
输出
光电检测器 放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的
回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏
振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。
首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：
Pc 2S 2Ps PL RL
2
光外差检测的特性
• 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、
频率和相位等；
• 转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高７－
８数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号 光功率小，但是本振光功率大）
• 良好的滤波性能 • 信噪比损失小 • 检测灵敏度高 • 检测距离远 • 对探测器的要求比直接检测高
问：“如果两光束是平行的，但与光检测器呈一定角度时， 对中频电流有没有影响”？
18
19
6.3.2 光外差检测的频率条件
为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高 度的单色性和频率稳定性。 光外差检测的物理光学的本质是两束光波叠加后产生干涉的 结果。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为 获得单色性好的激光输出，必须选用单纵模运转的激光器作 为光外差检测光源。
简答题——光电检测技术期末整理
1、雪崩光电二极管的工作原理（当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。
只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。
）2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系（共性：同属于内光电效应。
区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。
）什么是敏感器敏感器与传感器的区别和联系（将被测非电量转换为可用非电量的器件。
共性：对被测非电量进行转换。
区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量）发光二极管的工作原理。
（在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合。
一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。
说明光子器件与热电器件的特点。
光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。
响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点（它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。
原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。
光电检测技术与应用第5章光电直接检测系统2
原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，
检测时需要用光波相干原理。 调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
5.1 光电直接检测系统的基本工作原理
光源
强度 调制器 光学天线 光学通道 接收天线及光 电检测器 光电信号 处理器 电路噪声 接收机
信号
发射机
回收的 信息
5-5
其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流 为:
式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容， 则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。
1 2 2 is A A d t 2
5-6
5.2 光电直接检测系统的基本特性
5.2.1 直接检测系统的信噪比—衡量模拟系统好坏及灵敏度
1为接收光学系统的光谱透过率
根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取 的λ1―λ2的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：
Vs
2
1
A0 Pe RV d 2 L
2
1
I e 1 0 RV d
5-21
RV为检测器的光谱响应度
1、被动检测系统的距离方程 令检测器的方均根噪声电压为Vn，则 它的输出信噪比为：
5.2.4 系统的通频带宽度
频带宽度Δf是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求Δf应保存原有 信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力， 可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例.
I
1.
等效矩形带宽：1
0.06
1
0
I 0
2. 频谱曲线下降3dB的带宽 f 2 3. 包含90%能量的带宽 f 0.89 3
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ipt f 2tfstfLt2
As2c_o_s2___s_t_____s___AL2c_o_s_2__L_t______L___
__________________________
________________________
Байду номын сангаас
AsALcosLs tLs AsALcosLs tLs
式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项 为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为 差频项，频率低得多，当差频信号(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低 于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为ωC/2π的光 电流输出。
分光镜 可变光阑
信号光束fs
fL 本振 光束
fs fL
混 频 光
探测器 放大器
光外差检测原理示意图
6
如图，光源经过稳频
CO2激光器
的二氧化碳激光器，
由分束镜把入射光分 成两路：一路经反射
分光镜
线栅偏振器
fs fL
作为本振光波，频率
fs
为fL，另一路经偏心 轮反射，经聚焦到可
转镜
ν
fL
可变光阑
输出
11
6.2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件
内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为： PC 2h e M2PsPLRL
6.2.2 光外差检测转换增益G高 光外差检测中频输出有效信号功率为：
PC 2he 2PsPLRL
在直接检测中，检测器输出电功率为：
P0
e h
2
Ps2RL
两种方法得到的信号功率比G为：
G PC 2PL
P0
Ps
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
10
6.2.3 良好的滤波性能
光外差检测中，取信号处理器通频带为Δf=fL-fs，则只有此频带内的 杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因 此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。 例：目标沿光束方向运动速度υ=0-15m/s，对于10.6um CO2激光信
8
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iCt A sA Lco sLstL s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
V C t iC tR L A sA L R L co s L st L s
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平
均值，即：
____
PC
VC2 RL
2he2PsPLRL
当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iCtAsALcosLs
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
iCt A sA Lco sLstL s
外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频 率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。
fst A sco st ss fL t A L co L t sL 7
那么，入射到检测器上的总光场为：
f t A s c s t o s s A L c L o t L s
光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光 电流为：
_______ _____________
5
6.1 光外差检测原理
直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp：
P cp2 1 0 2A 2co 2std tA 22
显然光波直接检测只能测量其振幅值。
光外差检测原理如图，两束平 行的相干光，经分光镜和可变 光阑入射到检测器表面进行混 频，形成相干光场，经检测器 变换后，输出信号包含差频信 号，故又称相干检测。
Pc 2 S 2 Ps PL R L
2
光外差检测的特性
• 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、
频率和相位等；
• 转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高７－
８数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号 光功率小，但是本振光功率大）
• 良好的滤波性能 • 信噪比损失小 • 检测灵敏度高 • 检测距离远 • 对探测器的要求比直接检测高
3
光外差检测的空间和频率条件
• 空间条件：
sin L l
θ:两束光的夹角，l=d：检测
器光敏面线度．
波长越短或口径越大，要求相 位差角θ越小，越难满足要 求．
• 频率条件：
要求信号光和本振光具有高度 的单色性和频率稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
信号光与本振光并非平行 而成一夹角θ
4
光外差检测系统
第六章 光外差检测系统
1
光外差检测的基本原理
• 利用光波的振幅、频率、
相位携带信息，而不是光 强。
• 两束相干光入射到探测器
表面进行混频，形成相干 光场,又称相干检测。只有 激光才能进行相干检测。
• 输出信号中包含 fs fL
的差频信号,因此称光外差 检测
• 输出的中频功率正比于信
号光和本振光功率的乘积。
号 多普勒频率fs为通：频带Δf1取fs 为f：L1 2cf1fsfLfL2c cL2c 3MH
而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1nm，所对应的带宽， 即通频带Δf2=3000MHz。
可见，外差检测对背景光有强抑制作用。 另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。
6.2.4 信噪比损失小
当不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下，外 差检测器的输入信噪比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。
光电检测器 放大器
变光阑上作为信号光
反射镜
束。
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的
回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏
振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。
首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：