直接探测和相干探测

2eI S f
s SNRd 2h f
外差探测：
仅考虑强的本地光引起的散粒噪声限制，即
2
SNRh
I hs
2 In
S 2a s ar 2 S 2 a s2 ar2 8 S 2 s r 4 S s 4(e h ) s 2 2eS r f 2eS r f 2eS r f ef ef
1.直接探测基本物理过程：
光波：
光功率：
2 s (t ) as
Es (t ) as sin(st s )
平方律器件：
I S s (t )
2 as
人眼和探测器可以响应平均光功率
平方律器件：
－－光电探测器 响应光场包络 光场的频率 1014～1015Hz
I ds S s [1 V (t )]
原理框图
以一般情况为例：在同一方向上传播、振动方向相 同、振幅不同、频率差相差很小的两束单色光 双频（不同光波长）光波：
信号光ωs （异地） 参考光ωr（本地）
1)合成的光强得到信号输出
Es (t ) as sin(st s )
信号光
Er (t ) ar sin(r t r )
9.2.2 相干探测的条件
满足波前匹配条件：
1．相干探测空间条件 2．相干探测频率条件 3．相干探测偏振条件
1 相干探测空间条件
－－信号光和本振光在空间上的角准直（共轴）
为什么需要角准直？
I hs S 2a s ar cos(t )
探测器接收面上沿x方向各点的相位不同 信号光和本振光的波前在光混频器表面上 没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小 探测器表面各点 探测器表面各点 相位相同时：处处相等 相位不同时：处处不相等
相干探测： （光学外差探测）
装置复杂，光源必须为相干光源，间接 探测光波的振幅、频率和相位等参数。
9.2 相干探测
－－Coherent Detection －－又称为光外差探测
9.2.1 相干探测的基本原理
9.2.2 相干探测的条件
9.2.3 相干探测的应用举例
9.2.1 相干探测的基本原理
1. 相干探测的物理过程
几何量（长度、位移··） ·· 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕·· ·） 光学参量（吸收、反射·· ·） 电磁量（电流、电场、磁场·· ·） ······· ·······
辐通量（幅度、频率、相位·· ·）
9.1.3直接探测的应用举例
例1. 光电磁场测量
磁场
振动方向旋转角度
光通量幅度
磁场－－光通量（幅度）
光电系统－－相干探测 －－光外差探测
νs
混频器
高频示波器
νr
选通 放大器
观察仪器
△v，104～1010Hz
频谱分析仪 外差接收
无线电－－外差接收
高频载波
混频
本机振荡
中频信号
解调
音频 图像信息
2)调制信号的探测
百度文库
I hs S 2a s ar cos(t )
as (t ) A0 [1 V (t )] A0 [1 mn cos(n t n )]
SNRdB 10 lg
I RL i RL
2 n
2 s
20 lg
i
2 n
Is
1/ 2
－－电信号功率和电噪声功率之比
信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个 重要指标
模拟信号系统：3～5，
精度高时10～100
数字脉冲系统：例如，光通信误码率<10-9
要求信噪比～20dB
提高系统信噪比的基本途径：
r s f s f r c s r s r
c c
<1010Hz
例：1.55µ m和1.5501µ m双光束
0.0001 106 3 108 1.25 1010 Hz 1.55 1.5501 1012
要求频差极小！
特例：单频双光束干涉（频差为0）－零差探测
2
H
t
H

H H
sDSB t
t
c
s r
2
s r
2
0
SDSB
H m c
c

探测器－－滤波器（中频输出）
I hs S 2a s ar cos(t )
s r s r
9.1.3直接探测的应用举例
例2. 光栅莫尔条纹测位移
x Δ m cos(2π ) P
t
精度已可达±0.1μm/m
位移－－光通量（频率）
光通量的频率测量
光电转速表 光栅位移传感器
测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：
基准精度 幅度 频率 10-3～10-4 10-6～10-8 测量精度 10-2～10-3 10-5～10-7 基准稳定方法
－－光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜·· ·· ·
－－ －－－《应用光学》
－－电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信
号检测··· ··－－－第十章 ··
－－热力学方法，制冷降低探测器噪声
2) 直接探测的信噪比极限：
以光电二极管为例
Psd (e / hv ) SNRd 2 2 2 2 Pnd inS inB inD inT
2
4 s h f
4 s SNRh h f
外差探测的量子探测极限
仅考虑信号光引起的散粒噪声限制
相干探测：
直接探测：
s SNRd 2h f
4 s SNRh h f h NEPh f 4
NEP d
2h

f
相干探测信噪比高，最小可探测功率更小
光－电信号变换 光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
人眼和探测器 可以响应平均光功率
ΦE
2 0
平方律器件
光－电信号变换 光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
光的频率：1014～1015Hz 探测器响应频率<1010Hz
光－电信号变换 光信号
应用于测量：
几何量（长度、位移··） ·· 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕·· ·） 光学参量（吸收、反射·· ·） 电磁量（电流、电场、磁场·· ·） ······· ·······
应用于控制：
激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉 ····· ····
9.1.3直接探测的应用举例
特点：信息加载－－辐通量（光强）
输出电流信号－－最大
输出电流信号－－减小
本振光束：
Er t ar cos r t r

2
本振光束随x分布的相位差：
s
x sin x
3 2 1
则：
x点的响应电流为：di a S ar cost s r x dx 光敏面总响应电流为：i A a S a r cost s r x dxdy
光场包络的 频率<1010Hz
例1 比较光场频率和光强度信号的变化频率 设光栅的栅距P＝40μm 相对移动的速度V =1cm/s 半导体激光器,波长λ =890nm
光场频率 v =? 光强度信号的变化频率f = ？
9.1.1直接探测的基本原理
2.直接探测系统的信噪比
1)信噪比定义：
P I s2 RL I s2 SNR I s 或 SNR U s SNR s 2 2 I U 2 2 Pn in un in RL in
能量hν。 实际上，几乎不可能？？？
9.1 直接探测
－－Drirect Detection ，又称为非相干探测
装置简单，光源为相干光源或非相干光源， 只能探测平均光功率（光强）
9.1.1直接探测的基本原理
9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离 9.1.3直接探测的应用举例
9.1.3直接探测的应用举例
d
Er t ar cosr t r x
Ad为探测器的面积，d 为x方向的长度。
d sin 2 a S a r cost s r d 2
2 2 s
最理想情况，只有信号光电流 引起的散粒噪声（忽略吗？）
s SNRd 2hv f
i
2 nS
2eI S f
－－直接探测的量子极限
s SNRd 2hv f
2hvf
－直接探测的量子极限
量子极限的另一种表达是：
NEPd

－直接探测的噪声等效功率
例：η为1，Δf为1Hz，～2hν，已很接近单个光子的
模拟量 稳定电路
晶振， 数字锁相环
现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！
9.1.3直接探测的应用举例
例3. 光电测距 发射光波
－－光电光波测距
0t 0 2D / c
接收光波
距离－－光通量（相位）
第09章 直接探测和相干探测 直接探测：（非相干探测）
装置简单，光源为相干光源或非相干光 源，只能探测光功率（光强）。
Φr>>Φs
G~107－108
相干探测优点之三： 信噪比高
直接探测的信噪比：
P ( e / hv ) sd SNRd 2 2 2 2 Pnd inS inB inD inT
2 2 s
散粒噪声
热噪声
信号光电流、背景光电流和器件暗电流
仅考虑信号光电流引起的散粒噪声：
i
2 nS
n 1 M
相干探测_拍频信号的调制
相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）
相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）
相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）
9.2.1 相干探测的基本原理
2. 相干探测的基本特性 相干探测优点：（与直接探测对比）
探测能力强 转换增益高 信噪比高 滤波性好
稳定性和可靠性高
相干探测优点之一：
探测能力强，可还原信号光信息
I hs S 2a s ar cos(t )
信号光波的 振幅 频率 相位 只要知道参考光的全部信息，就可以恢复 信号光波的全部信息 直接探测－－光的强度：as2
相干探测优点之二：
转换增益高，适合微弱信号的探测
I hs S 2a s ar cos(t )
2 2 s
散粒噪声
热噪声
信号光电流、背景光电流和器件暗电流 最理想情况，只有信号 2 光电流引起的散粒噪声 inS 2eI S f
s SNRd 2hv f
－－直接探测的量子极限
2.直接探测系统的信噪比
2) 直接探测的信噪比极限：
P ( e / hv ) sd SNRd 2 2 2 2 Pnd inS inB inD inT
平均光电流为幅值的有效值
I hs S 2a s ar 2 S 2a s ar
参见竺子民，《物理光学》，P119
相速度
群速度
参见梁铨廷，《物理光学》，P63
频谱分析
类似DSB 调制
包络频率 等于两光 频差的1/2 拍频等于 两光频差

参考：双边带调制（DSB）
M
t
H s r
外差探测 S 2a s a r 2 I hs RL 2a s2 a r2 a r2 r 2 G 4 8 2 8 2 2 I ds RL as 4 as s a 2 S s 直接探测 2
2
注意：功率为幅值有效值的平方
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
响应平均光功率 直接探测 响应光的频率 ·· · 相干探测
第09章
直接探测和相干探测
光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进
9.1 直接探测
－－Drirect Detection ，又称为非相干探测 装置简单，光源为相干光源或非相干光源， 只能探测平均光功率（光强） 9.1.1直接探测的基本原理 9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离 9.1.3直接探测的应用举例
I hs S E S ( t ) Er ( t )
2
参考光
平方律探测器光混频电流信号为：
S a a 2a s ar cos[( s r )t ( s r )]
2 s 2 r


经带通滤波选频
I hs S 2a s ar cos[( s r )t ( s r )]