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
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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 10 Hz 问题2：如何计算波的速度？
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
PIF 4 2 Ps PL cos2 [ IF t ( s L )] RL 2 2 Ps RL RL
这里的横线是对中频周期求平均。
2 i 2
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 1 ( so / no ) ( si / ni ) 若（si/ni）>>1，则有 2 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
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
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。
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：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )
VC t iC t RL As AL RL cosL s t L s
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： ____ 2 2 VC e P 2 Ps PL RL C RL h 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：
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 – 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

•
q / h ； :
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：
2 Es2 EL i Es EL cos IF s L 2 2
(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：
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：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
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 声波 • 采用声光效应激光频移
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
37
38
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t 2 t N t 2 2
dt
0 t
40
41
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； – 光锥：起到减小探测器面积的作用。
E=E1+E2
2 E cos[
1 2
2
1 2 x (t ) ] c 2
f
wt
(1 2 ) / 2

光速公式 c = D l 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
• 根据信噪比的定义，输出信噪比为
si / ni so s SNRO 2 no 2si ni ni 1 2si / ni
光探测器输出的光电流
2 ip t E t Es t EL t Es20 cos2 st s EL0 cos2 Lt L 2 2

Es 0 EL0 cos[L s t s L ] Es 0 EL 0 cos L s t L s
b
a
探 测 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 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 • 利用光的干涉原理
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
1 2 Ps Es 2 1 2 PL EL 2
(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
2 PIF iIF RL
(8.1 - 10)
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。 • 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。
iC t As AL cos L 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
基本特性
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。
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
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：
2θ
各级衍射光波将产生多普勒频移，
λ s
ω＝ ωi土m ωs
双频激光干涉仪
光学隔离器 激光器 参考镜 M3
f2
M1 M2
F1
F2 M4 测量镜
f1 , f 2
f1
f1 f
光电检测器
f 2 f1
f 2 f1 f
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
fS-fL
基本原理
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t Es 0 cos st s
• 本机振荡光场为：
EL t EL0 cos Lt L
• 入射到探测器上的总光场为：
E t Es0 cos st s EL0 cos Lt L
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)
f
C

3 109 Hz 2
(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
s L f IF 2
(8.1 - 11)
在直接探测中， 探测器输出的电功率
PL i RL P RL
2 s 2 2 s
(8.1 - 12)
在两种情况下， 都假定负载电阻为RL。
转换到以 IF为载频的中频电流上。
光频外差探测，就是把以 s 为载频的光频信息
转换增益：
PIF 2 PL G PL Ps
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l 波速公式： v = f g
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。