第五章相干光电检测系统

第五章相干光电检测系统
实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差 又取决于光传输介质的折射率n对光的传播距离ds的线积分， 即
L
2 0 nds
0
对于均匀介质，上式可简化为： 2nL / 0
对上式中的变量L和n作全微分可得到相位变化量
2 (Ln nL) 0
第五章相干光电检测系统
三 同频相干信号的相位调制与检测方法
1 相位调制与检测原理 2 同频相干信号的检测方法
四 光外差检测方法与系统
1 光外差检测原理 2 光外差检测特性 3 光外差检测条件
五 光电直接检测系统举例
1 干涉测量技术 2 光外差通信 3 多普勒测速
第五章相干光电检测系统
一 相干检测的基本原理
相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息 进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光 源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测到 光波振幅、频率和相位所携带的信息。但由于光波的频 率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感受 光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探 测光的强度（注）。因此，光的这些特征参量最终都须 转换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过干 涉测量技术。
1 2 是光频差； (x, y) 1(x, y) 2(x, y) 是相位差。
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①当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有1 2 ， 即 0 ，此时，
I x, y A x, y1 x, ycos x, y
干涉条纹不随时间变化，呈稳定的空间分布。随着相位差 的变化，干涉 条纹强度的变化表现为有偏置的正弦分布。可 以看出，干涉条纹的强度信息和被测量的相关参数相对应，对 干涉条纹进行计数或对条纹形状进行分析处理，可以得到相应 的被测信息。
光电传感与检测技术
第五章 相干检测方法与系统
第五章相干光电检测系统
第五章 相干检测方法与系统
按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将光 电检测系统分为非相干检测系统和相干检测系统。
非相干检测系统
相干检测系统
被测量被携带于光载波的 强度之中或加载于调制光载 波的振幅、频率或者相位变 化之中，这样的系统称为非 相干检测系统。
2
h
当平行反射面镀以高反射膜层，即 R 1 时，4R 1 R2 1 ，可见，
当 sin 2 0时，光强 I 几乎为0；而当满足sin 2 0 条件时， I 达到极大值 I a2 。因此，多光束干涉的光强分布是由宽的暗 带相间的明亮细条纹。 第五章相干光电检测系统
3、光纤干涉仪
光纤迈克尔逊干涉仪
同频干涉 根据产生干涉的光束间频率关系可分为：
外差干涉
第五章相干光电检测系统
1 光学干涉和干涉测量
光学测量中，常需要利用相干光作为信息变换的载体，将 被测信息加载到光载波上，使光载波的特征参量随被测信息变 换。
光干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合 成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。
第五章相干光电检测系统
② 当两束光的频率不同，干涉条纹将以 的角频率随时
间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两 束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将
观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大( 较小)
的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号， 并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位 等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本本身的 特征参量，形成外差检测技术。
被测信息加载于光载波 （只能是相干光源）的振幅、 频率或者相位之中的系统称 为相干检测系统。
第五章相干光电检测系统
第 五 章 相干检测方法与系统 主要内容：
一 相干检测的基本原理
1 光学干涉和干涉测量 2 干涉测量技术中的调制与解调
二 基本干涉系统及应用
1 典型的双光束干涉系统 2 多光束干涉系统 3 光纤干涉仪
第五章相干光电检测系统
二 基本干涉系统及应用
能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要作用是，将光束 分成两个沿不同路径传播的光束，在其中一路中引入被测量，产 生光程差后，再与另一路参考光重新合成为一束光，以便观察干 涉现象。
第五章相干光电检测系统
1、典型的双光束干涉系统
2
r2r1 Fra bibliotek2 d
sin
2 干涉测量技术中的调制和解调
一般干涉测量系统主要由光源、干涉系统、干涉信号接收系统 和信号处理系统组成。从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是 被测信息对光载波调制和解调的过程。各种类型的干涉仪或干涉装 置是光频载波的调制器和解调器。
根据光调制器所调制的光载波的特征参量不同，调制技术可以 分为振幅调制、频率调制、相位调制和偏振调制。
第五章相干光电检测系统
P
r1
S1
Sd
r2
x O
S2
D
干
I
涉
光
条
强
纹
分
布
2
第五章相干光电检测系统
r2 r1
2 d sin
2、多光束干涉系统
A0
i1
A’
G
G’
i2
I1
I1’
I2
I11
I2’
I3
I22
I3’
各透射光波叠加干涉后的干涉强度分布为
n2
I33
I
E
2
a2
1
1
4
R R
2
sin2
光纤马赫曾德干涉仪
光纤萨格纳克干涉仪
光纤杨氏干涉仪
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光纤多光束F-P干涉仪
三 同频率相干信号的相位调制与检测方法
当两束相干光束的频率相同时，若被测量变化使 相干光波的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相 位的变化变换为振幅的变化，这个过程称为单频光波 的相位调制。
干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它 们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的形式 检测出来。
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以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动E1(x,y)和E2(x,y)分 别为：
EE21((xx,,
y) y)
a1 a2
exp{ exp{
j[1t j[2t
1(x, y)]} 2 (x, y)]}
两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布I (x, y)可表示为：
I (x, y) a12 a22 2a1a2 cos[t (x, y)]
A(x, y){1 (x, y) cos[t (x, y)]}
式中， A(x, y) a12 a22 是条纹光强的直流分量； (x, y) 2a1a2 / (a12 a22 ) 是条纹的对比度；