光外差探测技术及其应用
第10章 相干探测
但在实际情况下， 的和频( 但在实际情况下，光频νL、νS 的和频(νL+νS) 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差 频项，亦即中频信号i 频项，亦即中频信号 IF。 这个中频(差额) 这个中频(差额)信号包含了信号光所携带的全部 信息。 信息。
相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能， 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
θ ≠0
dβ << 1 2
λS
πd
数值例： 数值例：d=1mm
λS = 0.63µm, θ << 41′′
λS = 10.6µm, θ << 11′ 36' '
二、相干探测的频率条件
• 相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。这种干涉取 相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。 决于信号光束和本振光束的单色性 单色性。 决于信号光束和本振光束的单色性。要求激光光源具有良 好的单色性（单纵模运转的激光器） 好的单色性（单纵模运转的激光器） 。 • 信号光和本振光的频率漂移会导致相干探测系统的性能变 信号光和本振光的频率漂移会导致相干探测系统的性能变 频率 如果信号光和本振光的频率相对漂移很大， 差。如果信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率 之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此， 之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此，光混频器 之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地放 大。 • 在光相干探侧中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光 在光相干探侧中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光 稳定 频率，这使相干探测方法比直接探测方法更为复杂。 的频率，这使相干探测方法比直接探测方法更为复杂。
光外差原理
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，了解外差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）。
光外差探测原理范文
光外差探测原理范文光外差探测器是基于半导体材料的光探测器，常见的光探测材料包括硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。
这些材料能够吸收入射光，并将其转换成电信号。
在光外差探测器中，我们通常使用两个光探测材料（材料1和材料2）。
材料1用于接收输入光信号，它对输入信号吸收并产生电子-空穴对。
这些载流子被一个电场或电压所控制，使它们分离并向材料1两侧运动。
材料2作为参考光源，它也会吸收光并产生电子-空穴对。
这些载流子同样被电场或电压所控制，使它们分离并向材料2两侧运动。
当材料1和材料2上的载流子到达两侧时，它们产生的电信号可以通过一个电路进行测量。
这个电路可以是一个前置放大器、一个滤波器和一个后置放大器等。
在光外差探测器中，输入光信号一般是一个调制的光信号。
这意味着输入光信号会在一个特定的频率上进行调制。
当输入光信号与参考光信号相遇时，两个光信号会形成干涉图样。
这种干涉可以是干涉系数的改变，也可以是干涉光的强度变化。
当输入光信号的频率与参考光信号的频率相同，并且两个信号的相位相同，干涉系数将取得最大值。
这时，在材料1中产生的载流子数也将取得最大值。
当输入光信号的频率与参考光信号的频率不同时，干涉系数会发生变化。
根据输入光信号的频率与参考光信号的相位差，材料1中产生的载流子数也会随之变化。
通过测量在电路中产生的电信号，我们可以从中获得输入光信号的频率和相位信息。
这个电信号可以是一个交流信号。
为了获得一个稳定的交流信号，我们需要通过前置放大器和后置放大器将电信号进行放大。
滤波器可以用来滤除其它频率成分，并提取出感兴趣的频率。
光外差探测器的原理允许我们通过改变参考光的频率来测量输入光信号的频率和相位信息。
根据这种原理，我们可以进行光通信系统中的频率调制解调，或者进行光谱分析中的频谱测量。
这使得光外差探测器成为一种重要的光学检测技术。
综上所述，光外差探测器是利用外差原理将光信号转换成电信号的一种技术。
它利用两个光探测材料接收输入光信号和参考光信号，并通过测量在电路中产生的电信号获得输入光信号的频率和相位信息。
第八章 光外差探测8.1-8.4
在完善的空间准直条件下，信号光电场和本振光 电场分别为
当信号光和本振光重合垂直入射到光混频器上 时，则光混频器输出的瞬时光电流为
相位差项不受短时间平均的影响，倍频项的平均值为零，第1和第2两项 直流项被滤波器滤除
因此，负载电阻上的信号电压为
峰值信号功率
在光零差探测系统中，如果仅限于考虑不可能消 除的散粒噪声和热噪萨，则噪声功卒
3 光外差探测的频率条件 光外差探测除了要求信号光和本振光必须保持 空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性 和频率稳定度。 从物理光学的观点来看，光外差探测(或相干 探测)是两束光波达加后产生干涉的结果。 显然，这种干涉取决于信号光束和本扳光束 的单色性。
光的单色性：是指这种光只包含一种频率或光谱线 极窄的光。
在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中 的噪声基本相同，存在多种可能的噪声源。在此只 考虑不能消除或难以抑制的散粒噪声和热噪声两种。
在带宽为Δ fIF的带通滤波器输出端，电噪声功率 为
式中，PB为背景辐射功率，ID是光混频器的暗 电流。 前一项为信号光、本振光、背景辐射和光混 频器暗电流所引起的散粒噪声项，后一项为 光混频器内阻和前置放大器负载电阻所引起 的热噪声项。
根据信号噪声比定义，中频滤波器输出端的信号 噪声(功率)比为
（10） 当本振光功率PL 足够大时，上式分母中由本振 光引起的散粒噪声远远大于所有其它噪声，则式 变为
这是光外差探测系统所能达到的最大信噪比，一般把这种情况称为 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
从式(10)可导出实现量子噪声限探测的条件为
上述两种情况带宽之比
可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用。
四、有利于微弱光信号的探测
在直接探测中光探测器输出的电功率正比于信号 光平均光功率的平方。 在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比 于信号光和本振光平均光功率的乘积 在一般的实际情况下，入射到光探测器上的信 号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例 如光雷达、光通信等应用)，
光外差探测技术及其应用
光外差探测技术及其应用摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高3410~10数量级。
相干探测与直接探测[1]相比，其测量精度高7810~10数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。
关键字： 光外差探测、光子计数、量子噪声限[2]、激光测距、多普勒[6]测速1. 引言光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。
光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限[2]，其NEP [3]值可达2010 W 。
可以检测单个光子，进行光子计数。
在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外差检测技术并不特别有用。
相反，由于直接检测[1]不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测[1]更为可取。
在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。
但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。
因此，用一般的直接检测[1]方法无法实现接近量子噪声限[2]的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。
2. 原理光外差检测是有别于直接检测[1]的另一种检测技术。
光外差检测原理方框图示于图1－1。
图中，s f 为信号光波，l f 为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜[4]和可变光阑[4]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，输出信号中包含c f ＝s f －L f 的差频信号，故又称相干检测。
图1－1. 外差检测原理示意图2co 激光器反射镜图1－2 外差检测实验装置图1－2是外差检测的实验装置，光源是经过稳频的2CO 激光器[5]。
由分束镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为L f ；另一路经过偏心轮[4]反射，并由透镜[4]聚焦到可变光阑[4]上作为信号光束。
偏心轮[4]转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移[6]，其频率为s f 。
光外差探测系统-PPT
频率跟踪法：
混频器差频中频放大 鉴频器误差电压压 控振荡器改变fL
1、干涉测量技术 应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉 测量技术。 干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号 接收系统和信号处理系统组成。 优点：测量精度高（以波长为单位）
干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输 光的光程而引起对光的相位调制，从而 表现为光强的调制。测量干涉条纹的变 化即可得到被测参量的信息。
干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的 场点的轨迹形成。
可进行长度、角度、平面度、折射率、 气体或液体含量、光学元件面形、光学 系统像差、光学材料内部缺陷等几何量 和物理量的测量。
1） 激光干涉测长的基本原理 系统组成： (a)激光光源 (b)干涉系统 (c)光电显微镜 (d)干涉信号处理部分
位移 L N
解决方法：判别计数。当测量镜正向移动 时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉 冲。
判向计数： 正向移动：
正向：1324 同理可得 反向：1423
位移长度为： L N
8
2、光外差通信
光外差通信基本上都是采用CO2激光器做 光源，光发射系统及接收系统两大部分组 成。
发射系统：
稳频原理: 发射波长增加，光通量亦增，输出电压 增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率 提高，波长减短；反之，则波长加长
滤光片的滤光曲线
接收系统:
3、多卜勒测速 1）多卜勒测速原理
He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦 点处光强分布为高斯分布。
焦点处干涉场条纹分布：
干涉条纹间距为：
i
2
1
sin
2
干涉条纹的空间频率为：
f
1
2 sin
2
i
当散射粒子以速度v，与条 纹垂线夹角为方向通过时， 则颗粒散射的光强频率为：
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
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
基于光外差法的高速光电探测器带宽测量技术是一种非常重要的技术，它可以用来测量高速光电探测器的带宽。
这种技术的原理是利用光电探测器的非线性特性，将两个光信号混合在一起，然后通过光电探测器将混合后的信号转换成电信号，最后通过信号处理器对电信号进行分析，从而得到光电探测器的带宽。
这种技术的优点是可以测量非常高的带宽，同时还可以测量非常小的信号。
此外，这种技术还可以用来测量光电探测器的响应时间和噪声等参数，因此在光电探测器的研究和开发中具有非常重要的应用价值。
在实际应用中，基于光外差法的高速光电探测器带宽测量技术需要注意一些问题。
首先，需要选择合适的光源和光电探测器，以确保测量的准确性和可靠性。
其次，需要进行光路的优化和调整，以确保混合后的光信号能够被光电探测器准确地转换成电信号。
最后，需要进行信号处理和分析，以得到准确的测量结果。
基于光外差法的高速光电探测器带宽测量技术是一种非常重要的技术，它可以用来测量高速光电探测器的带宽、响应时间和噪声等参数，具有广泛的应用前景。
在实际应用中，需要注意一些问题，以确保测量的准确性和可靠性。
外差干涉测长的原理及应用
外差干涉测长的原理及应用1. 原理介绍外差干涉测长是一种基于干涉原理的测量方法，主要用于测量物体的长度、距离和形状等参数。
它利用光的干涉现象，通过两束光的相干干涉而产生干涉图像，从而可以得到被测物体的参数。
2. 工作原理外差干涉测长的基本原理是将激光光束分成两束，其中一束为参考光束，另一束为测量光束。
这两束光束分别经过分束器和反射镜，然后分别被引入被测物体和参考光程中。
在被测物体上，测量光束经过反射后与参考光束再次叠加，形成干涉图像。
通过干涉图像的变化，可以计算出被测物体的长度、距离和形状等参数。
3. 应用场景外差干涉测长广泛应用于工业制造、科学研究和生物医学等领域。
以下列举了一些常见的应用场景：•工业制造：外差干涉测长可以用于测量精密机械零件的尺寸，如轴承孔的直径、齿轮的模数等。
这种测量方法高精度、非接触，能够满足工业制造对精度要求较高的应用。
•科学研究：外差干涉测长在科学研究中也有很大的应用，例如在材料科学中，可以用于测量材料的膨胀系数、压力应力等参数的变化。
在物理学中，可以用于测量光源的波长稳定性以及光谱的测量等。
•生物医学：外差干涉测长在生物医学领域也有着广泛的应用，例如在眼科领域中，可以用于测量角膜的厚度和形状，以及眼底血管的直径和血流速度等。
在生物材料研究中，可以用于测量细胞、纤维和薄膜的尺寸变化。
4. 优点和挑战外差干涉测长具有以下优点：•高精度：外差干涉测长能够实现纳米级的测量精度，适用于对精度要求较高的应用。
•非接触：外差干涉测长不需要物体与测量仪器直接接触，减少了对被测物体的损伤和干扰。
•宽测量范围：外差干涉测长可根据需要选择不同的波长和光路配置，适用于不同尺寸和形状的物体测量。
然而，外差干涉测长也面临一些挑战：•环境干扰：外差干涉测长对环境的振动、温度、湿度等因素十分敏感，需要在稳定的环境条件下进行测量。
•复杂的仪器设备：外差干涉测长需要精密的光学元件和仪器设备，以及精准的光源和探测器，增加了设备的复杂性和成本。
4.10 光频外差探测的基本原理
1
2 sin
S
则
ES t AS cos S t S 1x
入射到光混频器表面的总电场为
Et t ES t EL t
共23页 20
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
于是光混频器输出的瞬时光电流为
2 sin iP t AS cos S t S x AL cos L L dxdy d / 2 d / 2 S
2．光谱滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景 光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的 干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光 阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测 系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严 格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 如果取差频信号宽度ωc / 2π =ωL-ωs /2π为信息处理器 的通频带Δf，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，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光 片的直接探测系统还好得多。
共23页 12
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
对热噪声为主要噪声源的系统，要实现量子噪声限探测，满足
e 2 PL f IF RL 2kT f IF hv
由此得到
2kThv P L e 2 RL
S 若令 1 ，则可求得相干探测的噪声等效功率NEP值为 N IF
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS AL RL cos L S t L S
激光外差干涉技术的应用领域
激光外差干涉技术是一种利用激光干涉原理进行精密测量的技术，其应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：
长基线测量：激光外差干涉技术可用于测量地球的形状、大小、重力场等参数，以及大气折射系数、地球自转速度等。
这些测量对于地球物理、地质学等领域的研究具有重要意义。
光学元件测量：激光外差干涉技术可用于测量光学元件的形状、表面粗糙度、平整度等参数，对于光学元件的制造和检测具有重要意义。
振动测量：激光外差干涉技术可用于测量物体的振动和变形，对于机械工程、航空航天、地震学等领域的研究具有重要意义。
生物医学测量：激光外差干涉技术可用于测量生物组织的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于生物医学研究和医学诊断具有重要意义。
纳米技术测量：激光外差干涉技术可用于测量纳米尺度下的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于纳米技术的研究和应用具有重要意义。
所以，激光外差干涉技术的应用领域非常广泛，涉及到多个学科和领域，具有重要的科学研究和工程应用价值。
《光外差探测系统》课件
光源
提供光源，通常为激光器。
光纤
将光信号输送到探测器中。
探测器
用于检测光外差信号并将其转 化为电信号。
放大器
用于放大探测器输出的信号。
示波器
用于显示光外差信号的波形。
测试方法
1
测试流程
在实验室或其他需要测量电场的场合下，地面上设置好靶标板，根据所要测量的 物体，调整系统的各个参数。
2
实验步骤
将光信号输送到探测器中，探测器将光外差信号转化为电信号后通过放大器放大， 然后输入示波器显示。
3 光外差探测系统的应用领域
主要应用于生物医学、无线通信和光通信领域。
原理
光外差测量原理简介
光外差效应是指介质中电场的变化能够引起材 料的折射率发生变化。光外差探1 示波器测量电荷
示波器是光外差信号的最终接收器，可以显示光外差信号的波形。
系统组成
3
数据处理
根据波形特征可以了解光外差信号对物体表面电场变化的响应，从而推断测试目 标的电场分布。
应用案例
生物医学领域
用于研究生物体内电活动变 化和细胞膜的电生理活动。
无线通信领域
用于研究天线、微带线、衬 底等的电特性。
光通信领域
用于研究光纤、关键元器件 等的表面电场分布。
优缺点
优点
高灵敏度、高空间分辨率和高时间分辨率。
光外差探测系统
在这个演示中，我们将介绍光外差探测系统的应用和原理，以及其在生物医 学、无线通信和光通信领域的实际应用。
简介
1 什么是光外差探测系统
光外差探测系统是一种测量材料表面电场变化的高精度方法。
2 探测系统的发展历史
该技术最早由霍尔斯特于1964年提出，在光学、电子学和物理学领域得到广泛应用。
第八章 外差(相干)探测系统
}
后退
和频频率太高， 和频频率太高，光混频 器不响应， 器不响应，故均值为零
上页 下页
外差探测系统
从数学运算和相应物理过程考虑， 从数学运算和相应物理过程考虑，用平均信号光功率 Ps和平均本振光功率 L表示： 和平均本振光功率P 表示; Ps PL cos ωIF t + (φL − φs ) 2 2
∞ Es ( t ) = A0 1 + ∑ cos ( Ωn + φn ) cos(ωst + φs ) 调幅系数 n=1 ∞ mn A0 = A0 cos(ωst + φs ) + ∑ cos (ωs + Ωn ) t + (φs + φn ) 2 n =1 ∞ mn A0 +∑ cos (ωs − Ωn ) t + (φs − φn ) 2 n =1
2 IF
上页 下页 后退
外差探测系统
经推导
2 2
对中频周期求平均
PIF = 4α Ps PL cos [ωIF t + (φL − φs ) ] ⋅ RL = 2α 2 Ps PL RL
在直接探测中，探测器输出的电功率为： 在直接探测中，探测器输出的电功率为：
PL = is2 RL = α 2 Ps2 RL
上页 下页 后退
外差探测系统
若调幅信号光E 与本振光 与本振光E 相干后，瞬时中频电流为： 若调幅信号光 s(t)与本振光 L(t) 相干后，瞬时中频电流为：
iIF = α A0 AL cos (ωL −ωs ) t + (φL −φs ) mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs −Ωn ) t + (φL −φs −φn ) 2 n=1 ∞ mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs +Ωn ) t + (φL −φs +φn ) 2 n=1
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）。
相干光通信外差探测技术研究_王丽枝
《光外差检测的条》课件
光电探测器
光电探测器
光电探测器是光外差检测中的核心元 件，负责将干涉后的光信号转换为电 信号。光电探测器的性能直接影响光 外差检测的灵敏度和动态范围。
响应速度
光电探测器的响应速度决定了检测系 统的实时性能。快速响应的光电探测 器能够更好地捕捉快速变化的信号， 适用于高速信号的检测。
信号处理单元
信号处理单元
信号处理单元负责对光电探测器输出 的电信号进行处理和分析，提取出所 需的信息。信号处理单元通常包括放 大、滤波、解调等电路和算法，以优 化检测性能。
算法优化
随着数字信号处理技术的发展，采用 先进的算法对信号进行处理可以进一 步提高光外差检测的精度和可靠性。 例如，采用数字滤波技术可以降低噪 声干扰，提高信噪比。
光外差检测的原理
• 光外差检测的基本概念 • 光外差检测系统组成 • 光外差检测的优势与局限性 • 光外差检测的实验结果与分析 • 光外差检测的未来发展与展望
目录
01
光外差检测的基本概念
光外差检测的定义
• 光外差检测是一种光学测量方法，通过将两束光波进行干涉， 产生光外差信号，再通过光电探测器检测光外差信号，从而实 现对光波的测量。
光外差检测在光学测量中用于测量光 波的相位、频率和偏振态等参数。
在激光雷达中，光外差检测用于测量 目标的距离、速度和形状等信息。
在光谱分析中，光外差检测用于分析 物质吸收、发射和散射光谱，从而确 定物质成分和浓度。
光外差检测还可应用于光学通信、光 学传感、光学制导等领域，为现代光 学技术的发展提供了重要的技术支持 。
光外差检测的原理
光外差检测基于干涉原理，将待测光波与已知光波进行干涉 ，产生光外差信号。这个光外差信号与待测光波的相位和频 率有关，通过检测光外差信号，可以获得待测光波的相位和 频率信息。
4.10 光频外差探测的基本原理解析
发生相干，获得振幅、频率和相位信号。 应用领域：光外差探侧在激光通信、雷达、测 长、测速、测振、光谱学等方面都很有用。精度达 7~8个数量级。 适用范围：激光受大气湍流效应影响严重，破 坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大 气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间 通信联系已达到实用阶段。
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
3．外差探测信噪比
在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光和本 振光平均光功率的乘积。 假定光混频器具有内部增益G，光混频器的中频输出功率为
e 2 PIF 2 SP L RL G P hv
在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中的噪声基本相 同，存在多种可能的噪声源。在此只考虑不可能消除或难以抑制 的散粒噪声和热噪声两种。在带宽为 f IF的带通滤波器输出端， 电噪声功率为
fS
2 f L 1 c
则信号光束与本地振荡光束的差频为
2 c 2 2 fS fL fL c L c L
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
可以求得
S f L 310 Hz
6
若取放大器的带宽f相为最大频移，则
3
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
入射到探测器上的总光场为
由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器 的光电流为
共23页
4
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
式中：
是光电变换系数，η为量子效率 hυ为光子能量，ωc
=ωL-ωs称为差额。
共23页 8
10 光电外差探测技术与系统
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
入射测量光EM 和本振光EL 分别表示为：
由于信号光是斜入射的，那么在光敏 面上不同的位置处的波前是不相同的， 即可以认为在光敏面不同位置处的信 号光相位是不同的，其相对于x = 0 处 的附加相位Δϕ 可以表示为
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
探测器光敏面x 位置处的响应电流为
光频量级（1014Hz）
交流部分
信号振幅为aMaL，频率νM − νL 为两 束相干光的频率差，也叫拍频
光外差检测原理
现有的光探测器都无法达到光频的响应速度（通常在 1010Hz 以下），故光谱分量不对探测器产生影响。 故探测器获取的光强信号：
该信号为附有直流偏置的余弦交流量，通过带通滤波 器后滤去直流量，输出电压为：
利用声光调制器产生频移
光学机械移频
激光通过匀速旋转的圆光栅或者（垂直于激光入射方向 匀速运动的光栅）可以实现频移，频移值为
旋转波片也可以实现低频差移频，如线偏振光通过以Ω 频率旋转的λ/2 波片，就可以得到同轴传播的，频差为 4Ω 的左、右旋转偏振光。由于频差受机械转速的限制， 只能应用在一些特殊的场合。
双纵模He-Ne激光器
激光器谐振腔的选频作用可以得到模间隔ΔνL = c/2nL 的 一系列纵模，选择并控制腔长可以得到较大功率的双纵 模。例如选用250mm 长的He-Ne 激光器，可以得到频 差约600MHz的双频激光，以二者光强相等为条件稳频， 二频率对称于中心频率，幅值和中心幅值相差不大，可 应用于外差检测。这种方式获得的差频信号往往频差较 大，不利于光电检测及信号处理。
声光调制器产生频移
换能器把频率为Ω 的超声波转换为介 质中应力的周期性变化，因而形成介 质折射率的周期性变化。这样可把介 质看成连续移动的三维全息光栅，光 栅的栅距等于声波的波长，当光波入 射于声光栅时，即发生衍射。零级衍 射光相对于入射光是没有频移的，而 其它各级衍射光将相对于入射光有一 定的频移，频移值为施加的超声波频 率与衍射级次的乘积。利用这一特点 可以使用声光调制器产生两个频率相 差不大的光束。
光外差检测系统
于是本振光波可表示为：
则检测器上x点的响应电流为
，并认为折射率n=1。
16
则整个光敏面总响应电流为
6.3.1 光外差检测旳空间条件（空间调准 ）
从式中可知，当
时，即
即可得外差检测旳空间相位条件为：
时，中频电流i最大。
即：
这个角度也被称为失配角。
显然：波长愈短或口径愈大，规定相位差角θ愈小，愈难满足外差 检测旳规定。阐明红外光比可见光更易实现光外差检测。
光路中，采用角锥棱镜替代了平面反射镜作为反射器，首先防止了反射光
束反馈回激光器对激光器带来不利影响；另首先由于角锥棱镜具有“出射光
束与入射光束旳平行不受棱镜绕轴转动旳影响”旳特点。
24
干涉测长旳光路布局和光学倍数
• 一种角锥棱镜构造 • 双程干涉仪 • 立方分光棱镜 • 光学倍频布局
25
干涉信号旳方向鉴别与计数原理
• 空间条件： • θ:两束光旳夹角，l=d：
检测器光敏面线度．
• 波长越短或口径越大，
规定相位差角θ越小，越难 满足规定．
• 频率条件： • 规定信号光和本振光具
有高度旳单色性和频率稳 定性。
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
光外差检测与直接检测系统相比，具有如下长处： 测量精度高7-8个数量级； 敏捷度到达量子噪声极限，其NEP值可达10-20W。 可用于光子计数。
信号光和本振光旳波前在光检测器光 敏面上保持相似旳相位关系，才得式：
实质上，由于光的波长比光检测器面积
小很多，混频作用是在一个个小面积元上产 生的，即总的中频电流是每个小微分面元所
光外差检测原理示意图
产生的微分电流之和，显然要使中频电流达到最大，这些微分中
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光外差检测是有别于直接检测 的另一种检测技术。光外差检测原理方框图示于图1－1。图中， 为信号光波， 为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜 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，输出信号中包含 ＝ － 的差频信号，故又称相干检测。
信号光束 ＋ 探测器
粒子流动
P M T
光源放大屏
分束镜透镜 聚焦透镜 信号电源
图1－5多普勒测速原理
光束1
光轴
光束2
图1－6高斯光束束腰的干渉场
图中 激光器是经稳频后的单模激光，分束镜把激光分成两路，这两束光经过会聚透镜 把它们会聚于焦点。在焦点附近两束光形成干渉场。流体流经这一范围时，流体中的微小颗粒对光进行散射，聚焦透镜 把这些散射光聚焦在光电倍增管上，产生包含流速信息得光电信号。经适当的电子线路处理可测出流体的流速。
输出信噪比为
上式说明，外差检测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值，输入信噪比等于输出信噪比，因此，输出信噪比没有任损失。
（5）.最小可检测功率，有利于微弱光信号的探测
内部增益为M的光外差检测器的输出有效信号功率为
式中：M是检测器的内增益，对于光导检测器M=0~1000；对于光伏监测器M＝1；对于光电倍增管M在 以上。
（2）.光外差通信
光外差通信基本上都是采用 激光器做光源。因为 激光器的发射波长为10.6 ，这一波长恰好位于大气窗口 之内，衰减系数较小；另外， 激光波长容易实现外差接收。
如图1－3所示为 激光外差通信原理框图，它由发射系统及接收系统两大部分组成。 激光发射系统由光学发射天线、 激光器及稳频回路组成。光学发射天线用反射式望远系统。
在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外差检测技术并不特别有用。相反，由于直接检测 不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测 更为可取。在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。因此，用一般的直接检测 方法无法实现接近量子噪声限 的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。
（1）.光外差检测可获得全部信息
外差检测中，光检测器输出的电流不仅与信号光和本振光的光波振幅成正比，而且输出电流的频率与相位还和合成振动频率和相位相等。因此，外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可以检测频率调制及相位调制的光信号。这种在光检测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位的全部信息，是直接检测所不可能有的 。
若用最小可检测功率（等效噪声功率）NEP值
这个值有时称为光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限 。
（6）.光外差检测系统对检测器性能的要求
响应频带宽；均匀性好；工作温度高。
4．
（1）.干渉测量技术
应用光的干渉效应进行测量的方法称为干渉测量技术。一般干渉测量主要由光源、干渉系统、信号接收系统和信号处理系统组成。根据测量对象及测量要求的不同而各有不同的组合，并由此形成了各种结构形式的干渉仪。
在光外差检测系统中遇到的噪声与直接检测系统中的噪声基本相同，存在许多可能的噪声源。在外差检测中，外界输入检测器的噪声及检测器本身的噪声通常都比较小，并可消除。但有两中噪声难以消除，因此，应主要考虑不可能可服或难以消除的散粒噪声和热噪声。外差检测中输出的散粒噪声和热噪声表示为
式中： 为背景辐射功率； 为检测器的暗电流； 为外差检测中频带宽。上式表示，外差检测系统中的噪声分别由信号光、本振光和背景辐射所引起的散粒噪声，由检测器暗电流引起的散粒噪声以及由检测器和电路产生的热噪声组成。于是功率信噪比为
干渉条纹
光
源等光程面
平面
去观察者
(a) (b) (c)
图1－7干渉条纹间距
干渉条纹的空间频率（单位长度内条纹明暗对数）为
当散射粒子在平行干渉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干渉场及流速面变化。若颗粒运动的速度为v，运动的方向与条纹垂直的夹角为 （见图1－6（c）），则颗粒散射的光强频率为
由此可知，只要检测出粒子散射光强的频率，就可求出粒子的流速v。式中 、 及 为已知。
（2）.光外差检测转换增益高
光外差检测中频输出有效信号功率为
在直接检测中，检测器输出的电功率为
在两种情况下，都假定负载电阻为 。在同样信号光功率 下，这两种方法所转换得到的信号功率比G为
式中，G称为增益。
由于在外差检测中，本机振荡光功率 比信号光功率大几个数量积是容易达到的，所以光外差转换增益可以高达 。可以看出，在强光信号下，外差检测并没有多少好处；而在微弱光信号下，外差检测表现出十分高的转换增益，转换增益可以达到 倍。所以可以说，光外差检测方式具有天然的检测微弱信号的能力。
下面用经典理论来分析两光束外差后的结果。设入射到检测器上的信号光场为：
本机振荡光场为：
那么，入射到检测器上的总光场为：
由于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
式中的横线表示在几个光频周期上的平均。将上式展开后，则有
式中： 为光电变换比例常数； 为光子能量； 称为差频。上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项（和频项）频率太高，光混频器不响应。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多 。当差频 低于光检测器的截止频率时，光检测器就有频率为 的光电流输出。
（3）.良好的滤波性能
如果取差频信号宽度 为信息处理器的通频带 ，即 ，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滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好很多。
（4）.信噪比损失小
如果入射到检测器上的光场不仅存在信号光波 ，还存在背景光波 ,检测器的输出电流为
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 为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为
从上式可以看出，中频信号电流的振幅 ，频率 和相位 都随信号光波的振幅、频率和相位成比例地变化。在中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
式中， 为负载电阻。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：
10.60
图1－4滤光曲线
被传送的信息（视频信号）被驱动电路11加到 电光调制器上（为提高调制频率，调制器放在激光谐振腔体内），被传送的信息携载到 激光波长上发送到空间。
在接收端，由光学系统（接收天线13）把载有信息的 激光能量收集在混频器14上，同时本地振荡 激光器20发出的光也投射在混频器上。经混频后的光投射在 检测器上输出电信号。此电信号经滤波后只保存了差频信号，这一差值通常设计在30 的中频段。再经中频放大、鉴频后还原出被传送的视频信号。
光源通常是单模工作状态。它的光强分布考虑为高斯分布。在透镜 后焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在束腰的空间范围相交得到平行的干渉条纹；在远离焦点的空间范围内相交得到的干渉条纹为弧形。图1－6表示出高斯光束束腰的干渉条纹。
当两光束的夹角为 ，光波波长为 时，由图1－7可看出干渉条纹的间距为
波面
为得到稳定的差频信号，本机振荡光也需稳频，否则被传输信息的失真度加大。稳频过程与激光发射稳频过程类似，不过，稳频控制信号取自于视频信号。当激光频率发生偏离时，鉴频器17输出信号也产生了变化，经频率跟踪滤波器18滤波放大后，控制压电陶瓷，改变谐振腔腔长，使激光频率稳定。
检测器在接收10.6 激光波长时，须在液氮77K下制冷工作。
视频信号驱动器
11
压电陶瓷7
2
12
6
激光器1
自动频率
跟踪放大器3
7 4
视频
谐放探测器放大器
混频器14
接受光视频
学系统探测器放大器视频器放大
器
13 15 16 17 22
本地振荡
激光器20
光路Байду номын сангаас
电器
21
压电陶瓷19 18
自动频率自动频率
跟踪放大跟踪滤波
图1－3 激光器外差通信原理框图
激光谐振腔由工作物质及两块反射镜组成，其中一块是全反射镜，另一块反射镜的反射率为98％，激光就从这块反射镜上输出。全反射镜通过压电陶瓷与腔体连接，改变压电陶瓷的轴向长度就改变了谐振腔长，从而控制 激光波长。
当本征功率 足够大时，上式分母中本征散粒噪声功率远远超过所有其他的噪声，则上式变为
这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限。对于热噪声是主要噪声源的系统来说，可以导出实现量子噪声限检测的条件
即
为了克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，增大本振光功率是有利的。但是，也不是越大越好。这是因为本振光本身也要引起噪声。当本振光光功率足够大时，本振光产生的散粒噪声远大于其他噪声；本振光功率继续增大时，由本振光所产生的散粒噪声也随之增大，从而使光外差检测系统的信噪比降低。所以，在实际的光外差检测系统中要合理选择本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。
张潇依
10041540102
摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高 数量级。相干探测与直接探测 相比，其测量精度高 数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。
关键字：光外差探测、光子计数、量子噪声限 、激光测距、多普勒 测速
1.
光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限 ，其NEP 值可达 W。可以检测单个光子，进行光子计数。
本
振放大器
光
束
图1－1.外差检测原理示意图
激光器
分光镜光电检测器放大器
输出
转镜 线栅偏振器 －