直接探测和相干探测
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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 )]