10 光电外差探测技术与系统介绍
合集下载
光电探测器简介演示
光电探测器简介演 示
contents
目录
• 引言 • 光电探测器的基本原理 • 光电探测器的种类与特点 • 光电探测器的性能指标 • 光电探测器的应用案例 • 总结与展望
01
CATALOGUE
引言
什么是光电探测器
• 光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，它利用 了光的能量和物质的相互作用来产生电信号。光电探测器在许 多领域都有广泛的应用，如光学通信、光谱分析、环境监测、 安全监控等。
安全监控
光电探测器可以用于安全监控，例如在机场、银行等场所 的监控系统中，光电探测器可以检测到人员的活动和物体 的移动。
02
CATALOGUE
光电探测器的基本原理
光-电转换原理
光-电转换是光电探测器的基本工作原理，即通过接收光子，将光信号转换为电 信号。
光电探测器中的光敏元件（如光电二极管、雪崩光电二极管等）能够将入射光子 转化为电子-空穴对，这些载流子在外加电场的作用下定向移动，形成电信号输 出。
光电探测器的应用场景
光学通信
光电探测器可以将光信号转换为电信号，从而实现信息的 传输和处理。在光纤通信中，光电探测器是必不可少的器 件之一。
环境监测
光电探测器可以用于监测环境中的光辐射水平，从而对环 境进行评估和管理。例如，它可以用于监测大气污染和海 洋环境中的光辐射水平。
光谱分析
光电探测器可以用于检测物质的光谱特征，从而对物质进 行分析和鉴别。在环境监测和化学分析中，光电探测器也 有广泛的应用。
光电探测器在医疗诊断中的应用
内窥镜
内窥镜结合光电探测器可以实时检测人体内部病变，提高医疗诊断的准确性和 效率。
医学影像
光电探测器在医学影像技术中也有广泛应用，如X光、CT等设备的图像采集和 处理系统中都离不开光电探测器的支持。
contents
目录
• 引言 • 光电探测器的基本原理 • 光电探测器的种类与特点 • 光电探测器的性能指标 • 光电探测器的应用案例 • 总结与展望
01
CATALOGUE
引言
什么是光电探测器
• 光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，它利用 了光的能量和物质的相互作用来产生电信号。光电探测器在许 多领域都有广泛的应用，如光学通信、光谱分析、环境监测、 安全监控等。
安全监控
光电探测器可以用于安全监控，例如在机场、银行等场所 的监控系统中，光电探测器可以检测到人员的活动和物体 的移动。
02
CATALOGUE
光电探测器的基本原理
光-电转换原理
光-电转换是光电探测器的基本工作原理，即通过接收光子，将光信号转换为电 信号。
光电探测器中的光敏元件（如光电二极管、雪崩光电二极管等）能够将入射光子 转化为电子-空穴对，这些载流子在外加电场的作用下定向移动，形成电信号输 出。
光电探测器的应用场景
光学通信
光电探测器可以将光信号转换为电信号，从而实现信息的 传输和处理。在光纤通信中，光电探测器是必不可少的器 件之一。
环境监测
光电探测器可以用于监测环境中的光辐射水平，从而对环 境进行评估和管理。例如，它可以用于监测大气污染和海 洋环境中的光辐射水平。
光谱分析
光电探测器可以用于检测物质的光谱特征，从而对物质进 行分析和鉴别。在环境监测和化学分析中，光电探测器也 有广泛的应用。
光电探测器在医疗诊断中的应用
内窥镜
内窥镜结合光电探测器可以实时检测人体内部病变，提高医疗诊断的准确性和 效率。
医学影像
光电探测器在医学影像技术中也有广泛应用，如X光、CT等设备的图像采集和 处理系统中都离不开光电探测器的支持。
光外差探测系统-PPT
频率跟踪法：
混频器差频中频放大 鉴频器误差电压压 控振荡器改变fL
1、干涉测量技术 应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉 测量技术。 干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号 接收系统和信号处理系统组成。 优点：测量精度高（以波长为单位）
干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输 光的光程而引起对光的相位调制，从而 表现为光强的调制。测量干涉条纹的变 化即可得到被测参量的信息。
干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的 场点的轨迹形成。
可进行长度、角度、平面度、折射率、 气体或液体含量、光学元件面形、光学 系统像差、光学材料内部缺陷等几何量 和物理量的测量。
1） 激光干涉测长的基本原理 系统组成： (a)激光光源 (b)干涉系统 (c)光电显微镜 (d)干涉信号处理部分
位移 L N
解决方法：判别计数。当测量镜正向移动 时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉 冲。
判向计数： 正向移动：
正向：1324 同理可得 反向：1423
位移长度为： L N
8
2、光外差通信
光外差通信基本上都是采用CO2激光器做 光源，光发射系统及接收系统两大部分组 成。
发射系统：
稳频原理: 发射波长增加，光通量亦增，输出电压 增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率 提高，波长减短；反之，则波长加长
滤光片的滤光曲线
接收系统:
3、多卜勒测速 1）多卜勒测速原理
He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦 点处光强分布为高斯分布。
焦点处干涉场条纹分布：
干涉条纹间距为：
i
2
1
sin
2
干涉条纹的空间频率为：
f
1
2 sin
2
i
当散射粒子以速度v，与条 纹垂线夹角为方向通过时， 则颗粒散射的光强频率为：
光外差探测系统课件
环境监测是光外差探测系统在环保领域的应用，主要用于气体浓度、温度、压力 等参数的测量。
光外差探测系统具有高灵敏度、高精度、实时性强的特点，对于环境监测和污染 治理具有重要的意义。
06
光外差探测系统发展趋势与展望
高性能探测器研究
1 2 3
高灵敏度 通过优化探测器结构、提高材料质量等方式，提 高探测器的光子吸收效率和响应速度，从而提高 探测器的灵敏度。
数据存储与备份
将采集到的数据存储在可靠的存储介质中，并定 期进行备份，以防数据丢失。
系统调试与优化
系统调试
在实验过程中对系统进行实时监 测和调试，确保系统工作正常并 达到预期的性能指标。
性能优化
根据实验结果和实际需求，对系 统的性能进行优化，如调整探测 器参数、改善信号质量等。
故障排查与维护
在系统出现故障时，及时排查故 障原因并进行修复，确保系统的 稳定性和可靠性。
实验设备布局
根据实验需求合理布置实 验设备，包括激光器、光 外差探测器、信号源等， 确保设备间的连接无误。
环境温湿度控制
保持实验环境的温湿度稳 定，以确保实验结果的准 确性和可靠性。
数据采集与处理
数据采集方式
采用高速数据采集卡或示波器等设备，对探测器 输出的信号进行采集。
数据处理算法
根据实验需求选择合适的数据处理算法，如滤波、 放大、解调等，以提取有用的信号信息。
光谱分析
用于光谱分析中，实现对气体、液体、固体 等物质的高精度光谱测量。
光通信
用于光通信系统中，实现高速、大容量、低 噪声的光信号接收。
激光雷达
用于激光雷达系统中，实现高精度、远距离 的激光测距和成像。
02
光外差探测系统组成
光电检测技术与应用 第六章 光外差探测系统
3、外差检测信噪比 设存在背景光波fB(t)，其功率为PB。则探测器
的输出电流为：
输出信噪比为
I 2 P P P C S B L
2 P P I P A S L S S S I P A 2 P P n B B B L
4、最小可探测功率 内部增益为G的光外差探测器的输出有 效信号功率为: 2 e P G P C 2 SP LR L h
6.3 影响光外差检测灵敏度的因素
2v fS fL 1 c
频差为：
2 v c2 v 2 v f f f f 1 S L L c L c L 6 2 v 2 15 10 6 3 10 Hz 10 . 6 L
若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽 若为10 ，所对应的带宽 Δ f 2为 A
A
f2 f2 f1 c
c
2 1
4
c
c 2 1
2 1
2
2
10 .6 10
18 3 10
9 Hz 10 3 10 2
带宽之比为：
9 3 10 3 f2 f1 10 6 3 10
第六章 光外差探测系统
光外差检测原理
光外差检测特性
影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例
6.1 光外差探测原理
光波f（t）写成:
f t A cos t
平均光功率Pcp为:
1 A 2 2 P A cos td t cp 2 0 2
2
2
外差探测原理
P 2PL C G P P 0 S
e 2 P P 0 S R L h
4.10 光频外差探测的基本原理
令
1
2 sin
S
则
ES t AS cos S t S 1x
入射到光混频器表面的总电场为
Et t ES t EL t
共23页 20
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
于是光混频器输出的瞬时光电流为
2 sin iP t AS cos S t S x AL cos L L dxdy d / 2 d / 2 S
2．光谱滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景 光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的 干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光 阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测 系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严 格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 如果取差频信号宽度ωc / 2π =ωL-ωs /2π为信息处理器 的通频带Δf，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，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光 片的直接探测系统还好得多。
共23页 12
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
对热噪声为主要噪声源的系统，要实现量子噪声限探测，满足
e 2 PL f IF RL 2kT f IF hv
由此得到
2kThv P L e 2 RL
S 若令 1 ，则可求得相干探测的噪声等效功率NEP值为 N IF
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS AL RL cos L S t L S
1
2 sin
S
则
ES t AS cos S t S 1x
入射到光混频器表面的总电场为
Et t ES t EL t
共23页 20
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
于是光混频器输出的瞬时光电流为
2 sin iP t AS cos S t S x AL cos L L dxdy d / 2 d / 2 S
2．光谱滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景 光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的 干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光 阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测 系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严 格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 如果取差频信号宽度ωc / 2π =ωL-ωs /2π为信息处理器 的通频带Δf，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，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光 片的直接探测系统还好得多。
共23页 12
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
对热噪声为主要噪声源的系统，要实现量子噪声限探测，满足
e 2 PL f IF RL 2kT f IF hv
由此得到
2kThv P L e 2 RL
S 若令 1 ，则可求得相干探测的噪声等效功率NEP值为 N IF
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS AL RL cos L S t L S
光电探测原理与技术
光电探测原理与技术
嘿，你问光电探测原理与技术啊？那咱就来唠唠。
光电探测呢，简单来说就是靠光和电的作用来发现和测量东西。
就好像我们的眼睛看东西一样，不过光电探测器更厉害，能看到我们眼睛看不到的东西。
它的原理呢，就是当光照射到一个东西上的时候，这个东西会产生电信号。
这个电信号就可以被探测器捕捉到，然后经过处理，我们就能知道光的强度、颜色啥的信息了。
比如说太阳光照到一个太阳能电池板上，电池板就会产生电流，这就是一种光电探测。
光电探测技术有很多种呢。
有一种叫光电二极管，它就像一个小眼睛，专门盯着光看。
光一照过来，它就马上产生电信号。
还有一种叫光电倍增管，这个可厉害了，能把很微弱的光信号放大很多倍，就像一个放大镜一样。
还有一些技术是用来测量距离的。
比如说激光测距，就是发射一束激光，然后根据激光反射回来的时间来计算距离。
这就像我们对着一个墙喊一声，然后根据听到回声的时间来判断距离一样。
我给你举个例子吧。
有一次我去一个科技馆，看到一个光电探测器在展示。
它可以检测到很微弱的光，然后把光的强度显示在一个屏幕上。
我把手放在探测器前面，光的强度就变了。
我就觉得好神奇啊，这个小小的探测器居然能这么灵敏。
从那以后，我就对光电探测原理与技术更感兴趣了。
所以啊，光电探测原理与技术很神奇，能让我们看到和测量很多以前看不到的东西。
以后肯定会有更多更厉害的光电探测技术出现，让我们的生活变得更美好。
光外差探测原理
光外差探测原理光外差探测的的原理如下图：图中)(t E S 为信号光波，)(t E L 为本振光波，这两束光波在探测器表面形成相干光场。
设入射到探测器上的入射光场为：)cos()(s s s s t w A t E ϕ+=本振光场为：)cos()(l l l l t w A t E ϕ+=式中s A ,l A 分别是信号光场与本振光场的振幅，s w ,l w 分别是信号光场和本振光场的角频率，s ϕ,l ϕ分别是信号光场和本振光场的初相位。
两束光在探测器表面上的叠加后的总光场为：）l l l s s s t w A t w A t E ϕϕ+++=cos()cos()( 由探测器输出的电流为：}])cos[(])cos[((cos )(cos {]cos()cos(2(cos )(cos []cos()cos([)()(2222222222s l s l l s s l l s l s l l l s s s l l s s l s l l l s s s l l l s s s t w w A A t w w A A t w A t w A t w t w A A t w A t w A t w A t w A t E t i ϕϕϕϕϕϕαϕϕϕϕαϕϕαα-+-++++++++=++++++=+++==））））式中的上横线表示在一个周期内求平均值，υηαh e =为比例因子。
上式第一项和第二项是定值1/2。
第三项（和频项）频率太高，探测器不会响应，第四项（差频项）比光频要低得多。
如果设计探测器只通过差频项，则探测器输出电流为：])cos[()(s l s l l s if w w A A t i ϕϕα-+-=。
光外差检测系统
滤光片
M
v
Q
BS
uv
PMT
ei
Q es
进入光阑由透镜会聚到光电倍增 管的光电阴极上的有两束频率相 近的光，发生干涉。
参考光模式
双缝 屏幕
S1
P
S1
S2
δ=0
P 中央亮纹
S2
由于从S1S2发出的光是振动情况完
全相同，又经过相同的路程到达P点，
其中一条光传来的是波峰，另一条
传来的也一定是波峰，其中一
条光传来的是波谷,另一条传来的也一定是波谷,在P点激起的
振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇,振幅A＝A1+A2为 最大,P点总是振动加强的地方,故应出现亮纹,这一条亮纹叫中 央亮纹.
19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性
波动说
光的干涉---预备知识复习
干涉现象是波动独有的特征，如果光真的 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．
思考1：如果我们先假设光是一种 波，那么按照我们所学的波动知 识，光要发生干涉现象需要满足 什么条件？
（频率相同）
光外差检测：可见光的频率很高（１０１４ Hz)，一般光电器件不能响应，也就无法直接 检测多普勒频移．因此，需要光外差的方法：
概念—声波多普勒效应
一辆汽车在我们身旁急 驰而过，车上喇叭的音调有 一个从高到低的突然变化； 站在铁路旁边听列车的汽笛 声也能够发现，列车迅速迎 面而来时音调较静止时为高， 而列车迅速离去时则音调较 静止时为低。此外，若声源 静止而观察者运动，或者声 源和观察者都运动，也会发 生收听频率和声源频率不一 致的现象。这种现象称为多 普勒效应。
讨论：明和暗为什么相间（依次出现）呢？
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第10章 光电外差探测技术与系统
10.1光外差检测原理 10.2光外差检测特性 10.3光外差检测使用的光源 10.4光外差探测典型系统
2016/6/22
光外差检测原理
直接检测
直流量
处理及细 分困难
直流漂移 误差
光外差检 测
交流量
处理及细 分容易
克服直流 漂移误差
光外差检测原理
激光 通信 测速
当本振信号功率PL 足够大时
外差检测的量子检测极限或量子噪声限。
若用等效噪声功率NEP (Noise Equivalent Power) 值表 示，在量子检测极限下，光外差检测的等效噪声功率为
光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限
影响光外差检测灵敏度的因素
测量光和本振光的偏振态
频率稳定度
噪声 测量光波前和本振光波前的空间调准及场 匹配 光源的模态
传输通道的干扰以及电子噪声
光外差检测的空间条件
如果测量光与本振光一个光束的截面上，两束光在各 个面元上的波相差将导致各面元 上的干涉相位是不一致的，用探 测器获取到的是这些不同相的干 涉信号的平均值，这种情况下就 会造成外差信号的对比度降低， 从而影响探测的灵敏度。
β 可以视为与探测器光电转换和滤波电路响应有关的 比例常数
光外差检测原理
测量信号
参考信号
如果被测参量能够对这些参量进行调制而使得测量 信号携带有待测量信息，则通过检测其相应的变化 就可获得被测量的大小 参考光频率等于测量光频率时，则所获得的干涉信 号频率为零，这是外差检测的一种特殊形式，称为 零差检测（Homodyne detection），也是光学干涉 仪最常见的形式。
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
入射测量光EM 和本振光EL 分别表示为：
由于信号光是斜入射的，那么在光敏 面上不同的位置处的波前是不相同的， 即可以认为在光敏面不同位置处的信 号光相位是不同的，其相对于x = 0 处 的附加相位Δϕ 可以表示为
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
探测器光敏面x 位置处的响应电流为
若系统噪声功率谱集中在某个谱段（如低 频段），在外差检测中可以方便地通过改 变测量光与本振光的频差来避开噪声较高 的谱段
最小可检测功率
内部增益为M 的光外差探测器的输出有效信号功率可以表示 为
外差检测中输出的散粒噪声和热噪声功率表示为
散粒噪声
外差检测的功率信噪比表示为：
热噪声
最小可检测功率
10.1光外差检测原理 10.2光外差检测特性 10.3光外差检测使用的光源 10.4光外差探测典型系统
2016/6/22
光外差检测特性
可获得相 位和频率 信息
影响光外 差检测灵 敏度的因 素
特性
微弱信 号探测 能力强
最小可 检测功 率
良好的滤 波性能和 高信噪比
可获得相位和频率信息
外差检测中，由于通过混频将信号带宽从光频 “搬移”到了光探测器可以响应的频段，不仅 可以获取被测光的振幅信息，还能获取频率和 相位信息。因此，在固定的参考信号下，外差 检测不但能够处理振幅和强度调制的光信号， 还可以处理频率调制的光信号，增加了检测方 案的灵活性。
Vs.非相干检测的直接检测法
灵敏度高
输出信噪 比高
精度高
探测目标 的作用距 离远
光外差检测原理
两束光在空间任意点P 的电分量
其中，aM 和aL 分别表示两光束的振幅， ϕM 和ϕL 分别表示两光束在P 点的相位。 则两光束相叠加所得到的光强为：
光外差检测原理
三角变换
光外差检测原理
光强的直流部分 光频量级（1014Hz）
光频量级（1014Hz）
交流部分
信号振幅为aMaL，频率νM − νL 为两 束相干光的频率差，也叫拍频
光外差检测原理
现有的光探测器都无法达到光频的响应速度（通常在 1010Hz 以下），故光谱分量不对探测器产生影响。 故探测器获取的光强信号：
该信号为附有直流偏置的余弦交流量，通过带通滤波 器后滤去直流量，输出电压为：
良好的滤波性能和高信噪比
光外差检测中通过混频将信号带宽从光频 “搬移”到了光探测器可以响应的带宽， 有效信号带宽是测量光与本振光的频率之 差，较光频低5 ∼ 10 个数量级
电滤波器可以具有非常狭窄的带宽，如锁 相放大器可以将带宽控制到1Hz 以下，测 量光以外的其它波长的光由于无法相干或 频差太大而被有效滤除
其中α 为光电变换比例常数。整个光敏面总响应电流为
积分得到
尽量小
β 值小即表示测量光与本振光之间的夹角θ 要足够小，而l 小表明检测 器的光敏面要足够小
偏振态对光外差检测灵敏度的影响
从干涉的角度出发，只有当两光束具有同一个方向的振动 分量时，他们才会发生干涉，若两个偏振光的振动方向是 垂直（正交）的，就无法获得干涉信号。在进行外差检测 时，偏振光经过光学系统的各种元件（如角锥棱镜、分光 镜等）的反射和折射后，其偏振态往往会发生不同的变化， 因而导致信号对比度和灵敏度降低。这时需要使用波片、 偏振片等器件调整光束的偏振态，以求得到最好的信号灵 敏度。
光外差检测的频率条件
为了获得高灵敏度的光外差检测，还要求测量光和本振光 具有高度的单色性和频率稳定度。
光源的单色性越 好意味着光源的 相干长度越长， 越 容易 获 得 有 效 干涉信号
测量光和本振光的频率漂移必须被限制在一 定范围内，否则如果测量光和本振光的频率 相对漂移很大，两者频率之差就有可能很大， 导致后续滤波器、前置放大和中频放大电路 无法正常工作
微弱信号探测能力强
光外差检测输出的有效信号电功率Ph
直接光电检测输出的有效信号电功率Pd
信号功率比G
微弱信号探测能力强
本机振荡光功率PL 比测量光功率PM 大几个数量 级是容易达到的，所以外差检测相对于直接测 量的增益可以高达107 ∼ 108，非常适合用于检测 微弱光信号。而在测量光较强的时候，外差检 测的优势并不突出。
外差 检测
干涉 测长
激光 雷达
测角
光外差检测原理
光外差检测是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的条件下，在光电探测 器上进行光学混频（相乘）。由于光电探测器的响应远远 低于光波频率，其输出是频率为两光波的差频电信号。
振幅 频率 相位
相干检测
光外差检测原理
10.1光外差检测原理 10.2光外差检测特性 10.3光外差检测使用的光源 10.4光外差探测典型系统
2016/6/22
光外差检测原理
直接检测
直流量
处理及细 分困难
直流漂移 误差
光外差检 测
交流量
处理及细 分容易
克服直流 漂移误差
光外差检测原理
激光 通信 测速
当本振信号功率PL 足够大时
外差检测的量子检测极限或量子噪声限。
若用等效噪声功率NEP (Noise Equivalent Power) 值表 示，在量子检测极限下，光外差检测的等效噪声功率为
光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限
影响光外差检测灵敏度的因素
测量光和本振光的偏振态
频率稳定度
噪声 测量光波前和本振光波前的空间调准及场 匹配 光源的模态
传输通道的干扰以及电子噪声
光外差检测的空间条件
如果测量光与本振光一个光束的截面上，两束光在各 个面元上的波相差将导致各面元 上的干涉相位是不一致的，用探 测器获取到的是这些不同相的干 涉信号的平均值，这种情况下就 会造成外差信号的对比度降低， 从而影响探测的灵敏度。
β 可以视为与探测器光电转换和滤波电路响应有关的 比例常数
光外差检测原理
测量信号
参考信号
如果被测参量能够对这些参量进行调制而使得测量 信号携带有待测量信息，则通过检测其相应的变化 就可获得被测量的大小 参考光频率等于测量光频率时，则所获得的干涉信 号频率为零，这是外差检测的一种特殊形式，称为 零差检测（Homodyne detection），也是光学干涉 仪最常见的形式。
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
入射测量光EM 和本振光EL 分别表示为：
由于信号光是斜入射的，那么在光敏 面上不同的位置处的波前是不相同的， 即可以认为在光敏面不同位置处的信 号光相位是不同的，其相对于x = 0 处 的附加相位Δϕ 可以表示为
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
探测器光敏面x 位置处的响应电流为
若系统噪声功率谱集中在某个谱段（如低 频段），在外差检测中可以方便地通过改 变测量光与本振光的频差来避开噪声较高 的谱段
最小可检测功率
内部增益为M 的光外差探测器的输出有效信号功率可以表示 为
外差检测中输出的散粒噪声和热噪声功率表示为
散粒噪声
外差检测的功率信噪比表示为：
热噪声
最小可检测功率
10.1光外差检测原理 10.2光外差检测特性 10.3光外差检测使用的光源 10.4光外差探测典型系统
2016/6/22
光外差检测特性
可获得相 位和频率 信息
影响光外 差检测灵 敏度的因 素
特性
微弱信 号探测 能力强
最小可 检测功 率
良好的滤 波性能和 高信噪比
可获得相位和频率信息
外差检测中，由于通过混频将信号带宽从光频 “搬移”到了光探测器可以响应的频段，不仅 可以获取被测光的振幅信息，还能获取频率和 相位信息。因此，在固定的参考信号下，外差 检测不但能够处理振幅和强度调制的光信号， 还可以处理频率调制的光信号，增加了检测方 案的灵活性。
Vs.非相干检测的直接检测法
灵敏度高
输出信噪 比高
精度高
探测目标 的作用距 离远
光外差检测原理
两束光在空间任意点P 的电分量
其中，aM 和aL 分别表示两光束的振幅， ϕM 和ϕL 分别表示两光束在P 点的相位。 则两光束相叠加所得到的光强为：
光外差检测原理
三角变换
光外差检测原理
光强的直流部分 光频量级（1014Hz）
光频量级（1014Hz）
交流部分
信号振幅为aMaL，频率νM − νL 为两 束相干光的频率差，也叫拍频
光外差检测原理
现有的光探测器都无法达到光频的响应速度（通常在 1010Hz 以下），故光谱分量不对探测器产生影响。 故探测器获取的光强信号：
该信号为附有直流偏置的余弦交流量，通过带通滤波 器后滤去直流量，输出电压为：
良好的滤波性能和高信噪比
光外差检测中通过混频将信号带宽从光频 “搬移”到了光探测器可以响应的带宽， 有效信号带宽是测量光与本振光的频率之 差，较光频低5 ∼ 10 个数量级
电滤波器可以具有非常狭窄的带宽，如锁 相放大器可以将带宽控制到1Hz 以下，测 量光以外的其它波长的光由于无法相干或 频差太大而被有效滤除
其中α 为光电变换比例常数。整个光敏面总响应电流为
积分得到
尽量小
β 值小即表示测量光与本振光之间的夹角θ 要足够小，而l 小表明检测 器的光敏面要足够小
偏振态对光外差检测灵敏度的影响
从干涉的角度出发，只有当两光束具有同一个方向的振动 分量时，他们才会发生干涉，若两个偏振光的振动方向是 垂直（正交）的，就无法获得干涉信号。在进行外差检测 时，偏振光经过光学系统的各种元件（如角锥棱镜、分光 镜等）的反射和折射后，其偏振态往往会发生不同的变化， 因而导致信号对比度和灵敏度降低。这时需要使用波片、 偏振片等器件调整光束的偏振态，以求得到最好的信号灵 敏度。
光外差检测的频率条件
为了获得高灵敏度的光外差检测，还要求测量光和本振光 具有高度的单色性和频率稳定度。
光源的单色性越 好意味着光源的 相干长度越长， 越 容易 获 得 有 效 干涉信号
测量光和本振光的频率漂移必须被限制在一 定范围内，否则如果测量光和本振光的频率 相对漂移很大，两者频率之差就有可能很大， 导致后续滤波器、前置放大和中频放大电路 无法正常工作
微弱信号探测能力强
光外差检测输出的有效信号电功率Ph
直接光电检测输出的有效信号电功率Pd
信号功率比G
微弱信号探测能力强
本机振荡光功率PL 比测量光功率PM 大几个数量 级是容易达到的，所以外差检测相对于直接测 量的增益可以高达107 ∼ 108，非常适合用于检测 微弱光信号。而在测量光较强的时候，外差检 测的优势并不突出。
外差 检测
干涉 测长
激光 雷达
测角
光外差检测原理
光外差检测是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的条件下，在光电探测 器上进行光学混频（相乘）。由于光电探测器的响应远远 低于光波频率，其输出是频率为两光波的差频电信号。
振幅 频率 相位
相干检测
光外差检测原理