外差(相干)探测系统 2013426
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Es0EL0cos[L s t s L ] Es0EL0cos L s t L s
• q / h ； : 量子效率；h :光子能量；L s : 差频。
• 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）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频
项）相对光频而言，频率要低得多。
PIF 4 2PsPL cos2[IFt (s L )] RL
2 2PsRLRL
(8.1 - 11)
这里的横线是对中频周期求平均。
在直接探测中， 探测器输出的电功率
PL is2RL 2Ps2RL
在两种情况下， 都假定负载电阻为RL。
(8.1 - 12)
光频外差探测，就是把以 s 为载频的光频信息
外差(相干)探测系统
光频外差探测的基本原理
直接检测与外差检测
光拍法测量光的速度
实验目的
► 通过实验测量光拍的波长和频率来确定光速； ► 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法； ► 学习本实验的实验思想和技巧。
实验原理
问题1：光的本质？
光是一种频率很高的电磁波，其频率达到 1014 Hz
问题2：如何计算波的速度？
波速公式： v = f gl
由公式可知，要测量光速的方法之一是测量出 光的波长和频率。
问题3：能不能直接测量出光的波长和频率？
光的频率很高，远高于电子仪器的反应 速度，因此电子仪器无法直接测出光的波 长和频率。
问题4：如何用电子仪器来测量光的波长和频率？
思考提示：把光变成含有低频成份 而速度又不变的波（即“光拍”），
– 光锥：起到减小探测器面积的作用。
b
探
测
a
器
外差检测
• 该方法将包含有被测信息 的相干光调制波和作为基 准的本机振荡光波，在满 足波前匹配条件下在光电 探测器上进行混频。探测
fS-fL
器输出的是频率为两光波 光频差的拍频信号
• 该信号包含有调制信号的 振幅、频率和相位。通过 检测拍频信号最终调制出 被传送的信号
λsHale Waihona Puke Baidu
ω＝ ωi土m ωs
双频激光干涉仪
光学隔离器
参考镜 M3
激光器
M1
f2
F1
F2
f1, f2 f2 f1
M2
f2 f1 f
f1 f1 f
M4 测量镜
光电检测器
双频激光外差干涉仪
其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有 一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2
37
)
式中 k1 2 / 1和k2 2 / 2为波数，1和2 为 初位相。
这二列波叠加的结果为：
Es
{2E cos[1
2
2
(t
x) c
1
2
2
]}
cos[1 2 (t x ) 1 2 ]
2
c
2
1 2 c / 1
合成波是角频率为(1 2 ) / 2
振幅为 2E cos[1 2 (t x) 1 2 ] 的带有
• 根据信噪比的定义，输出信噪比为
SNRO
so no
si2 2sini ni2
1
si / ni 2 2si / ni
若（si/ni）<<1，则有 (so / no ) (si / ni )2
直接探测方式不适宜输入信噪比小于1或微弱信号的探测
若（si/ni）>>1，则有
1 (so / no ) 2 (si / ni )
输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比
损失不大，适宜于强光探测
直接探测——提高输入信噪比的光学方法
• 光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景 辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法 消除背景辐射的干扰
• 减小探测器的面积
– 场镜：在调制盘及探测器之间插入一 个透镜，它能把视场边缘的光线折向 光轴，使得焦平面上每一点发出的光 线都充满探测器；
运动参量的频率调制
• 对运动参量进行检测时，被测运动参量直 接对参考光波的频率进行调制，形成与参 考光有一定频差的信号光，这种频率调制 方法称为参量调频法
光学多普勒效应和运动差频
• 利用多普勒效应------运动物体能改变入射到其 上的光波的频率，即频率为f0的单色光入射到速 度为v的运动物体上，被物体散射的光波频率fs 会产生多普勒频移。
f
C
2
3109 Hz
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带Δf， 即
f IF
s L 2
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好 的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且频 差△f= f1-f2很小的二列波：
EE12
E E
cos(1t k1x 1) cos(2t k2x 2
转换到以
为载频的中频电流上。
IF
转换增益：
G PIF 2PL PL Ps
通常PL>>Ps,故转换增益G>>1： 光频外差探测具有天然的探测微弱信号的能力 相干探测中本征光的功率PL远大于接收到的信号光功率 PS,通常是高几个数量级，因此G可高达107~108数量级
2. 良好的滤波性能
在直接探测中， 为了抑制杂散背景光的干扰， 都 是在探测器前加置窄带滤光片。 例如， 滤光片的带宽 为1 nm(这已经是十分优良的滤光片了)， 即Δλ=1 nm。 它所相应的频带宽度(以λ=10.6 μm估计)
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：
____
PC
VC2 RL
2
e h
2
Ps PL RL
当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC t As AL cosL s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
2
c
2
低频调制的高频波，合成波的振幅是时间和空
间的函数，以频率为 Df = (w1 - w2 ) /(2? 2p) 周 期性地变化的行波，V f 是拍频”，如图。
2E cos[1 2 (t x ) 1 2 ]
E=E1+E2
2
c
2
f
wt
(1 2 ) / 2
光速公式 c = Dl gV f
注意到 的振幅以频率 周期地变 化，所以我们称它为拍频波， 就
外差检测的频率条件
• 两者具有高度的单色性和频率稳定度,如果信号 光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差 就可能大大超过中频滤波器的带宽
• 通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得 本征光，信号光通过调制得到
外差法的调频方法
• 为了形成外差检测的光频差，采用频率调制方法
– 运动参量调频： – 固定频移
• 利用光的干涉原理
基本原理
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t Es0 cosst s
• 本机振荡光场为：
EL t EL0 cosLt L
• 入射到探测器上的总光场为：
Et Es0 cosst s EL0 cosLt L
光探测器输出的光电流
ip t E2 t Es t EL t2 Es20cos2 st s EL20cos2 Lt L
iIF Es EL cosIF s L
(8.1 - 6)
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ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC t As AL cosL s t L s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC t iC t RL As ALRL cosL s t L s
固定频移的频率调制
• 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的 频率偏移
• 采用声光效应激光频移
声波
声光器件中以频率为f的超声波交变信号
激励换能器，在透明介质内形成折射率
的周期变化；若满足布拉格衍射的条件，
将会产生一级衍射光。一级衍射光与零
级衍射光频率产生频移，可分别作为参
考光和信号光
2θ
各级衍射光波将产生多普勒频移，
– 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
3. 良好的空间和偏振鉴别能力 信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器， 而且要保持相同的偏振方向。 这就意味着光频外差探测装置本身就具备了对光 方向的高度鉴别探测能力和对光偏振方向的鉴别探测 能力。
• 当差频 L s / 2 低于光探测器的截止频率时，光探测器就
有频率为 L s / 2 的光电流输出。
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
从数学运算和相应物理过程考虑：
i
Es2 2
EL2 2
Es EL
c os IF
s
L
(8.1 - 5)
光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤 出，最后只剩下中频交流分量：
38
39
N t 2 t t 2 2
t
0 dt
40
41
基本特性 1. 高的转换增益
信号光功率， 本振光功率与相应电场振幅的关系为
Ps
1 2
Es2
PL
1 2
EL2
(8.1 - 8) (8.1 - 9)
iIF Es EL cosIF s L
而中频电流输出对应的电功率为
PIF iI2F RL
(8.1 - 10)
式中RL是光电探测器的负载电阻。 把式(8.1 - 6)代 入式(8.1 - 10)， 并利用式(8.1 - 8)和(8.1 - 9)， 有
• q / h ； : 量子效率；h :光子能量；L s : 差频。
• 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）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频
项）相对光频而言，频率要低得多。
PIF 4 2PsPL cos2[IFt (s L )] RL
2 2PsRLRL
(8.1 - 11)
这里的横线是对中频周期求平均。
在直接探测中， 探测器输出的电功率
PL is2RL 2Ps2RL
在两种情况下， 都假定负载电阻为RL。
(8.1 - 12)
光频外差探测，就是把以 s 为载频的光频信息
外差(相干)探测系统
光频外差探测的基本原理
直接检测与外差检测
光拍法测量光的速度
实验目的
► 通过实验测量光拍的波长和频率来确定光速； ► 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法； ► 学习本实验的实验思想和技巧。
实验原理
问题1：光的本质？
光是一种频率很高的电磁波，其频率达到 1014 Hz
问题2：如何计算波的速度？
波速公式： v = f gl
由公式可知，要测量光速的方法之一是测量出 光的波长和频率。
问题3：能不能直接测量出光的波长和频率？
光的频率很高，远高于电子仪器的反应 速度，因此电子仪器无法直接测出光的波 长和频率。
问题4：如何用电子仪器来测量光的波长和频率？
思考提示：把光变成含有低频成份 而速度又不变的波（即“光拍”），
– 光锥：起到减小探测器面积的作用。
b
探
测
a
器
外差检测
• 该方法将包含有被测信息 的相干光调制波和作为基 准的本机振荡光波，在满 足波前匹配条件下在光电 探测器上进行混频。探测
fS-fL
器输出的是频率为两光波 光频差的拍频信号
• 该信号包含有调制信号的 振幅、频率和相位。通过 检测拍频信号最终调制出 被传送的信号
λsHale Waihona Puke Baidu
ω＝ ωi土m ωs
双频激光干涉仪
光学隔离器
参考镜 M3
激光器
M1
f2
F1
F2
f1, f2 f2 f1
M2
f2 f1 f
f1 f1 f
M4 测量镜
光电检测器
双频激光外差干涉仪
其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有 一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2
37
)
式中 k1 2 / 1和k2 2 / 2为波数，1和2 为 初位相。
这二列波叠加的结果为：
Es
{2E cos[1
2
2
(t
x) c
1
2
2
]}
cos[1 2 (t x ) 1 2 ]
2
c
2
1 2 c / 1
合成波是角频率为(1 2 ) / 2
振幅为 2E cos[1 2 (t x) 1 2 ] 的带有
• 根据信噪比的定义，输出信噪比为
SNRO
so no
si2 2sini ni2
1
si / ni 2 2si / ni
若（si/ni）<<1，则有 (so / no ) (si / ni )2
直接探测方式不适宜输入信噪比小于1或微弱信号的探测
若（si/ni）>>1，则有
1 (so / no ) 2 (si / ni )
输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比
损失不大，适宜于强光探测
直接探测——提高输入信噪比的光学方法
• 光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景 辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法 消除背景辐射的干扰
• 减小探测器的面积
– 场镜：在调制盘及探测器之间插入一 个透镜，它能把视场边缘的光线折向 光轴，使得焦平面上每一点发出的光 线都充满探测器；
运动参量的频率调制
• 对运动参量进行检测时，被测运动参量直 接对参考光波的频率进行调制，形成与参 考光有一定频差的信号光，这种频率调制 方法称为参量调频法
光学多普勒效应和运动差频
• 利用多普勒效应------运动物体能改变入射到其 上的光波的频率，即频率为f0的单色光入射到速 度为v的运动物体上，被物体散射的光波频率fs 会产生多普勒频移。
f
C
2
3109 Hz
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带Δf， 即
f IF
s L 2
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好 的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且频 差△f= f1-f2很小的二列波：
EE12
E E
cos(1t k1x 1) cos(2t k2x 2
转换到以
为载频的中频电流上。
IF
转换增益：
G PIF 2PL PL Ps
通常PL>>Ps,故转换增益G>>1： 光频外差探测具有天然的探测微弱信号的能力 相干探测中本征光的功率PL远大于接收到的信号光功率 PS,通常是高几个数量级，因此G可高达107~108数量级
2. 良好的滤波性能
在直接探测中， 为了抑制杂散背景光的干扰， 都 是在探测器前加置窄带滤光片。 例如， 滤光片的带宽 为1 nm(这已经是十分优良的滤光片了)， 即Δλ=1 nm。 它所相应的频带宽度(以λ=10.6 μm估计)
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：
____
PC
VC2 RL
2
e h
2
Ps PL RL
当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC t As AL cosL s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
2
c
2
低频调制的高频波，合成波的振幅是时间和空
间的函数，以频率为 Df = (w1 - w2 ) /(2? 2p) 周 期性地变化的行波，V f 是拍频”，如图。
2E cos[1 2 (t x ) 1 2 ]
E=E1+E2
2
c
2
f
wt
(1 2 ) / 2
光速公式 c = Dl gV f
注意到 的振幅以频率 周期地变 化，所以我们称它为拍频波， 就
外差检测的频率条件
• 两者具有高度的单色性和频率稳定度,如果信号 光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差 就可能大大超过中频滤波器的带宽
• 通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得 本征光，信号光通过调制得到
外差法的调频方法
• 为了形成外差检测的光频差，采用频率调制方法
– 运动参量调频： – 固定频移
• 利用光的干涉原理
基本原理
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t Es0 cosst s
• 本机振荡光场为：
EL t EL0 cosLt L
• 入射到探测器上的总光场为：
Et Es0 cosst s EL0 cosLt L
光探测器输出的光电流
ip t E2 t Es t EL t2 Es20cos2 st s EL20cos2 Lt L
iIF Es EL cosIF s L
(8.1 - 6)
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ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC t As AL cosL s t L s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC t iC t RL As ALRL cosL s t L s
固定频移的频率调制
• 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的 频率偏移
• 采用声光效应激光频移
声波
声光器件中以频率为f的超声波交变信号
激励换能器，在透明介质内形成折射率
的周期变化；若满足布拉格衍射的条件，
将会产生一级衍射光。一级衍射光与零
级衍射光频率产生频移，可分别作为参
考光和信号光
2θ
各级衍射光波将产生多普勒频移，
– 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
3. 良好的空间和偏振鉴别能力 信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器， 而且要保持相同的偏振方向。 这就意味着光频外差探测装置本身就具备了对光 方向的高度鉴别探测能力和对光偏振方向的鉴别探测 能力。
• 当差频 L s / 2 低于光探测器的截止频率时，光探测器就
有频率为 L s / 2 的光电流输出。
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
从数学运算和相应物理过程考虑：
i
Es2 2
EL2 2
Es EL
c os IF
s
L
(8.1 - 5)
光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤 出，最后只剩下中频交流分量：
38
39
N t 2 t t 2 2
t
0 dt
40
41
基本特性 1. 高的转换增益
信号光功率， 本振光功率与相应电场振幅的关系为
Ps
1 2
Es2
PL
1 2
EL2
(8.1 - 8) (8.1 - 9)
iIF Es EL cosIF s L
而中频电流输出对应的电功率为
PIF iI2F RL
(8.1 - 10)
式中RL是光电探测器的负载电阻。 把式(8.1 - 6)代 入式(8.1 - 10)， 并利用式(8.1 - 8)和(8.1 - 9)， 有