光外差检测的条件(精)

2、两光场不重合对信噪比的影响 设：探测器光敏面为边长为d 的正方形；信号光场和本振光场
均为平面波，其中，本振光垂直入射到光敏面；二波前夹角 ，
如图所示
注意到信号光同一波前上各点到达光敏面的时间不同，
设其在 x 方向的速度分量为 v x ，则在光敏面上不同点处形成 波前的相位差，此时，信号光场可写为 s E s ( x, t ) E s 0 cos( s t s x) (2.2.29) vx
2.4 三频外差检测
引言 :
外差检测的弱点 ：
（1）技术复杂，需采用各种措施保证信号光束与本振光束满足 空间匹配条件。 （2）对运动目标的检测，由于存在多普勒频移，会引起中频漂 移，为此，系统带宽必须做得很大，结果会降低检测信噪比。
一、 三频外差检测原理
1、系统结构
工作过程： 互相平行并完全重合的两列信号光波及本振光垂直入射到光 探测器上，其频率分别为 1 、 2 和 L ，经光探测器混频后，
(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
di p [ Es ( x, t ) E L (t )] 2 dx

2 2 2 {E10 E20 EL 0 2 E10 EL 0 cos[(1 L )t (1 L )] 2
2E20 EL0 cos[(2 L )t (2 L )]
2E10 E20 cos[(1 2 )t (1 2 )]}
2.3
光外差检测的条件
一、空间相位的调准与匹配（空间条件）
1、要求： 由对外差检测混频效率公式(2.2.19)
meff * 2 EL ES dA * * EL dA ES ES dA
EL
的讨论可知: 仅当信号光场和本振光场在探测器灵敏面各点处均具有相 同的偏振方向、可比的振幅和相同的位相时，才有最佳混频效 率，此状态称为实现了空间相位匹配。这一要求意味着信号光 与本振光的波前应重合，在空间上实现角准直。
iIF
sin(k x d 2) dEs 0 EL 0 cos(L s )t (2.2.32) kxd 2
分析: 由上式知
sin(k x d 2) 时, (1) 仅当 1 kxd 2
此时必有: (2)当
iIF 最大
0。
k x 0 , 也就是 k x 和
sin(k x d 2) 0 时, iIF 0 . 此时有 sin(k x d 2) 0 kxd 2
kxd 2 0
即
k x d 2 n
n 1,2,3,...
n s d
2 sin d 2 d d n 和 s 2 2 s s
一般当 n 1 时 ,
sin(k x d 2) 已经很小，可不考虑. kxd 2
仅考虑 n 1 即可. 令 n=1, 上式变成
式中
s
vx
2f 2 v 2 sin vx s v x s
ˆ k k s sin k s cos( ) k s x x 2
ks 在
是信号光波矢
x 方向 的分量。
将其代入(2.2.29)得
2 sin Es ( x, t ) Es 0 cos(s t s x) s 设: 本振光场为
展开上式 ，并舍弃合频项，ห้องสมุดไป่ตู้得
2 2 Es 0 EL 0 di p Es 0 EL 0 cos[(L s )t k x x]dx 2
将余弦项展开后，从
d 2
到
d 2
积分，
2 2 sin( k x d 2) Es 0 E L 0 i p d Es 0 E L0 cos( L s )t 2 kxd 2 再舍弃直流项，得中频输出电流为
E1 (t ) E10 cos(1t 1 )
E2 (t ) E20 cos(2t 2 )
EL (t ) EL0 cos(Lt L )
（2.2.37）
则总入射光场为
E (t ) E1 (t ) E2 (t ) EL (t )
光探测器输出电流为
i p [ E1 (t ) E2 (t ) EL (t )]2
将得到的差频分别为 1 L和 2 L 的中频信号送到平方律
器件再次混频，产生频率为 1 2 的差频信号并经放大器放大
后输出。由于 1 和 2 的信号与 L 无关，且 1和 2 可由 同一激光器产生，故本振光频率的不稳定性不会影响差频项。
2、中频电流公式
设：偏振方向相同、传输方向互相平行且重合的三束光垂直 入射到探测器的光敏面上，其光场可分别表示为
二、外差检测的频率条件 1、单色性：光外差检测是两束光波迭加产生干涉的结果，其干 涉程度取决于两束光的单色性，既两束光应具有单一的频率， 或足够窄并互相交迭的光谱，激光器则需单纵模运行。 2、频率稳定性：信号光与本振光的频率漂移会使外差性能变坏， 若频移超出中频带宽，系统就不能正常工作，故光源需附有稳 频措施。 三、大气湍流对光外差检测的影响
s d
此时
iIF 0
（3）若允许 iIF 比 0 时的 iIF 降低10%， 则有
kxd 2 d 0.8rad s
相应的允许失配角为

表明：允许的失配角与信号光波长 s 成正比，与探测器边长d
0.8 s s d 4d
成反比。由此可推断，红外波段比可见光波段容易实现外差检测。 3、解决准直困难问题的方法：采用埃里斑系统（自学，p153）
(2.2.38)