光外差探测技术及其应用

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
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。
式中： 为信号光的平均功率； 为本振光的平均功率 。
当 ，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为
这是外差检测的一种特殊形式，称为零差检测。
可以看到，差频信号是由具有恒定频率和恒定相位的相干光混频得到的。如果频率、相位不恒定，无法得到确定的差频光。这就是为什么只有激光才能实现外差检测的原因。
3．
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
（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。
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。
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 －
可变光阑
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 激光器 。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 ；另一路经过偏心轮 反射，并由透镜 聚焦到可变光阑 上作为信号光束。偏心轮 转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移 ，其频率为 。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。
（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Fra Baidu bibliotek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
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。
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：
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
（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 。