80相干检测解析
光的干涉与相干性分析
光的干涉与相干性分析光的干涉是光学中一个重要而又神奇的现象，通过光的干涉实验可以揭示光的波动性质以及光的相干性。
干涉实验是通过将来自同一光源的两束光线重叠在一起，观察它们相互干涉的现象来进行的。
一、干涉现象的解释在光的干涉实验中，我们经常会用到干涉条纹。
当两束相干光线重叠时，根据叠加原理可知，在干涉条纹上光的亮度会发生变化。
这是由于光波的叠加和干涉导致的，对于构成干涉条纹的两束光来说，当它们达到相干条件时，即频率和波长相同、相位差恒定时，它们会相互加强或抵消，从而形成亮暗相间的条纹。
二、相干性的评价在光的干涉实验中，相干性是一个关键的概念。
相干性描述了两束波动的频率和相位之间的关系。
相干光是指两束波动的频率和相位相近的光线，它们的干涉现象会产生明显的干涉条纹。
反之，如果两束波动的频率和相位有明显差异，它们的干涉现象会变得不明显或根本不存在。
相干性可以通过相干时间和相干长度来评价。
相干时间是指两束波动的相位差在一个时间范围内保持恒定的时间长度。
相干长度是指两束波动的相位差在某一距离范围内保持恒定的长度。
在实际应用中，我们常常使用干涉仪器如干涉滤光片、干涉准直器等来评价光线的相干性，通过测量干涉条纹的清晰程度和可见范围来判断两束波动是否相干。
三、干涉的应用光的干涉现象在科学研究和实际应用中有着广泛的应用。
最典型的应用就是干涉测量。
通过测量干涉条纹的位置变化或行程差，可以获得物体的形状、厚度、折射率等信息。
例如，干涉仪在工业界的精密测量和全息术、干涉比色法在化学分析中的应用等，都是光的干涉原理应用的例子。
干涉还被广泛应用于光学薄膜的设计和制备中。
由于干涉条纹的特殊性质，我们可以通过调整光波的相位差来控制和改变反射和透射光的强度和颜色。
这为光学器件的设计和制造提供了新的思路和方法。
此外，干涉还在光学成像和光学信号处理等领域拥有广泛的应用。
例如，在光学干涉显微镜中，通过观察干涉条纹的微小变化可以得到高分辨率的图像，从而实现显微观察。
光学相干层析技术
光学相干层析技术光学相干层析技术（Optical Coherence Tomography，OCT）是一种高分辨、无创、非侵入性的光学成像技术，主要用于生物医学和材料科学领域。
该技术通过测量光波的干涉，能够生成高分辨的三维组织结构图像，对组织的微观结构进行观察和分析。
以下是光学相干层析技术的主要原理和特点：原理：1.干涉原理：光学相干层析技术基于干涉原理，利用光波的干涉现象来获取样本内部结构的信息。
2.光源：一般使用窄带光源，如激光。
3.分束器：将光源发出的光分成两束，一束用于照射样本，另一束用作参考光。
4.光学延迟：样本内部的不同深度处反射回来的光与参考光发生干涉，形成干涉图案。
5.探测器：使用光谱探测器记录干涉信号。
特点：1.高分辨率：光学相干层析技术具有高分辨率，可达到微米级别，使得可以观察到生物组织和细胞的微观结构。
2.无创性：对于生物样本，OCT是一种无创性的成像技术，不需要对样本进行切割或注射对比剂。
3.实时成像：OTC具有实时成像的能力，适用于动态变化的生物过程的观察，如眼部结构的实时监测。
4.三维成像：通过对不同深度的光反射信号的采集，OCT可以生成三维组织结构图像，提供更全面的信息。
5.广泛应用：在医学上，OCT广泛应用于眼科学，用于视网膜和角膜等结构的成像；在材料科学中，用于观察材料内部的微观结构。
应用领域：1.眼科学：视网膜、角膜等眼部组织的高分辨成像。
2.心血管学：血管结构的成像，用于冠脉疾病的诊断。
3.皮肤学：皮肤组织的结构成像，用于皮肤病变的检测。
4.生物医学研究：对小动物器官和细胞的高分辨成像。
5.材料科学：对材料内部结构的观察，用于材料性能的研究。
总体而言，光学相干层析技术在医学和材料科学领域有着广泛的应用前景，为微观结构的研究提供了一种高效、精确的手段。
07.相干光通信系统解析
7.1 相干检测基本原理
接收端的光匹配器是为了达到光混频器最大可能 的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振 光波相匹配。光隔离器的作用是避免反射光反馈 回信号光源或本振光源而引起光源频谱发生展宽， 甚至是多纵模工作。 相干光通信根据本振光信号频率与接收到的信号 光频率是否相等，可分为外差检测相干光通信和 零差检测相干光通信。前者经光电检波器获得的 是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换 成基带信号。
7.4 相干光通信的关键技术
外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输 特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物 理现象而提出的。外光调制器主要包括三种：利 用电光效应制成的电光调制器、利用声光效应制 成的声光调制器和利用磁光效应制成的磁光调制 器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振 幅、频率和相位的调制。目前，对外光调制器的 研究比较广泛，如利用扩散LiNbO3马赫干涉仪或 定向耦合式的调制器可实现ASK调制，利用量子 阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现 PSK调制等。
上式中有三项的频率在2S左右，通常超 出光电二极管的响应范围，因此没有检波 输出。这样，上式简化为
7.1 相干检测基本原理
注意到，该式第一项为信号光强度，其余 两项都是本振光出现后的强度。第三项表 示信号光与本振光之间的差拍效应，其振 幅与信号光场成正比，差拍的相位与信号 的相位变化成线性关系。因此，接收信号 中的振幅和相位都存在在差拍场的强度中。 通常，本振光比信号光强得多，上式可简 化为
7.2 相干光通信系统的组成
经过理论计算，在完全匹配的情况下，所 输出的中频信号电流幅度可用下式表达：
式中，A为常系数；R为光电检测器的响 应度；Ps为接收光信号的平均光功率；P1 为本振光信号的平均光功率。
第八章 外差(相干)探测系统
y
KL K Ly Ks
K Lx
y
θ θ
O
x l z
O
D
x
图8.3– 1
坐标关系
注意到在探测器面上x=0， 则有 es=Es cosωst eL=EL cos(ωLt+KL sinθ·y) 在(0,y)点上的中频电流 iIF (0,y,t)=α·EsEL cos(ωIFt+KL·y·sinθ) =α·E E =α Es·EL cos(ωIFt+KL·y·θ) y θ) (8.3 - 6) (8.3 - 4) (8.3 - 5)
∆f =
C
λ
∆λ = 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∆f， 即
ωs − ωL ∆ f IF = 2π
= fs − fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽， 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。 的滤波性能。
这里c是光速。
ω IF
c
(8.3 - 16)
总的中频电流为
iIF (t ) =
α
D∫
D/2
−D / 2
iIF (0, x, y )dy
∆ K IF Dθ sin 2 = α Es E L cos ω IF t ⋅ ∆ K IF ⋅ Dθ 2
(8.3 - 17)
y
K
s
K
L
θ
Kcos θ
O l
θ
Ksin θ
D
x
图 8.3 - 2 两束光平行但不垂直于探测器
考虑到sinθ≈θ， y点产生的中频电流iIF (0，y，t)可 以写为 iIF (0,y,t)=αEsEL cos(ωIFt+∆KIFy sinθ) 式中 (8.3 - 15)
直接探测与相干探测
原理图
带通滤 波
一般情况：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
信号光 Es (t) as sin(st s )
参考光 Er (t) ar sin(rt r )
平方律探测器光混频电流信号为：
•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 。
A1路
A路
A2路
移相 ＋/2
B1路
B路
B2路
46
A路
•判向计数：
B路
A1路 A2路 B1路 B2路
A1路 A2路 B1路 B2路
47
•正向移动：
正 向 ： 1 3 2 4
位移长度为：
LN
8
•反向移动：
反 向 ： 1 4 2 3
1.激光器 2.透镜 3.小孔光阑 4.透镜 5.反射镜 6.反射棱镜 7.位相板8. 角锥反射棱镜9．分束镜10.角锥反射棱镜 11.透镜 12. 光阑 13.光电探
测器 14. 透镜 15.光阑 16.光电探测器
45
•3）干涉信号的方向判别与计数
•误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向 移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数， 测量结果是正反移动的总和。
(e
/
hv)2
2 s
in2S in2B in2D in2T
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： in2S 2eISf
SNRd
s 2h
f
外差探测：
xl80激光干涉仪原理
• 将一个反光镜牢固地接上分光镜，形成一个固定长度的基准臂。 而另一个反光镜可以相对于分光镜移动，形成可变长度的测量臂。
雷尼绍激光干涉仪测试原理
根据光的叠加和干 涉原理, 凡光程差 等于波长整数倍的 位置, 振动加强, 产 生明条纹(如图2 ( a) 所示); 凡光程差等于半波 长奇数倍的位置, 振动减弱, 产生 暗条纹(如图2 ( b) 所示)。
线性干涉原理运动测量如果测量光路长度改变角锥反射镜c移动干涉光束的相对相位将改变由此产生的相长干涉和相消干涉的循环将导致叠加光束强度的明暗周期变化角锥反射镜每移动316nm因为此移动会造成633nm的光路长度变化就会出现一个光强变nm的测量干涉测量法的原理一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上形成固定长度参考光束
辨率 (1 nm) 的测量
干涉测量法的原理
• 一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。 另一个角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量光束。
• 从激光头射出的激光光束 (1) 具有单一频率，标称波长为0.633 μm，长期波长稳定性（真空中）优于0.05 ppm。当此光束到达 偏振分光镜时，被分成两束光— 反射光束 (2) 和透射光束 (3) 。 这两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后反射回分光镜中， 在嵌于激光头中的探测器中形成干涉光束。
• 如果两光程差不变化，探测器将在相长干涉和相消干涉的两端之 间的某个位置观察到一个稳定的信号。
• 尽管目前的干涉仪更为精密，但测量距离精度达到±0.5 ppm或 更高时仍采用上述基本原理。如果两光程差发生变化，每次光路 变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变 化。这些变化（条纹）被数出来，用于计算两光程差的变化。测 量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半。
光通信技术中的相干检测和信号处理方法探索
光通信技术中的相干检测和信号处理方法探索光通信技术作为现代信息传输的重要手段，具有带宽大、速度快、抗干扰能力强等特点，在各个领域得到广泛应用。
而光通信技术的关键问题之一就是如何进行相干检测和信号处理，以提高传输速度和数据质量。
本文将探索光通信技术中的相干检测方法和信号处理方法，为光通信技术的发展提供参考。
光通信技术中的相干检测方法是指通过测量光信号的相位和振幅，以获取信号的相干性信息。
相干检测技术可以区分不同的光信号，提高传输速率和容量。
其中，最常用的相干检测方法包括直接检测法、自洽检测法和混频检测法。
直接检测法是最简单的相干检测方法，它通过直接探测光信号的光强，来判断信号的状态。
然而，直接检测法的缺点是无法获取信号的相位信息，限制了其在高速传输中的应用。
为了解决这个问题，自洽检测法被提出。
自洽检测法通过将光信号与参考信号混合，然后在混频结果中提取出信号的相位信息。
而混频检测法则是将光信号与频率可控的参考信号混频，通过测量不同频率下的混频结果，从而获取光信号的相位和同相干信息。
除了相干检测方法，光通信技术中的信号处理方法也起到重要作用。
信号处理方法主要包括均衡器、前向误差纠正、调制格式转换和解调等。
均衡器是一种用于抵消光纤传输中引起的色散和非线性效应的技术。
色散和非线性效应在光信号传输过程中会导致信号失真和时间扩展，降低传输质量。
均衡器通过引入对抗色散和非线性效应的信号，来恢复信号的完整性和质量。
在高速传输过程中，前向误差纠正技术也起到至关重要的作用。
前向误差纠正技术通过在发送端添加冗余的编码，以及在接收端通过解码恢复原始信息，从而提高传输的可靠性和容错能力。
这种技术广泛应用于光通信领域，可以有效减少传输中的误码率。
此外，调制格式转换和解调也是光通信中常用的信号处理方法。
调制格式转换可以将光信号从一种调制格式转换为另一种调制格式，以适应不同的传输需求。
解调技术则用于将接收到的光信号转换为可理解的信息。
物理实验中常见的光学相干测量技术及应用解析
物理实验中常见的光学相干测量技术及应用解析引言：光学相干测量技术是一种利用光学干涉原理进行测量的方法，广泛应用于物理实验中。
它通过测量光的相位差，实现对物体尺寸、表面形貌、物体运动等参数的测量。
本文将介绍一些常见的光学相干测量技术以及它们的应用。
一、自由空间干涉仪自由空间干涉仪是一种基于干涉模式的测量技术。
它利用光的干涉现象来测量物体的位移或表面形貌。
通过将光束分成两支，经过不同路径后再汇聚，通过干涉现象形成干涉条纹，从而可计算出物体的位移或形状。
自由空间干涉仪除了常用于测量平面表面的形貌外，还可以应用于测量曲面形貌。
通过改变光路，使得受测物体与参考面的干涉次数变化，就可以测量物体的曲率半径。
这种技术在制造工业中常用于光学元件的加工和检测。
二、激光干涉测量技术激光干涉测量技术是一种利用激光光源进行测量的方法。
它利用激光光源产生的一束相干光，通过干涉来测量物体的形貌或位移。
激光干涉测量技术包括Michelson干涉仪、Twyman-Green干涉仪等。
Michelson干涉仪利用光的干涉原理，通过改变反射镜的位置，实现对物体位移的测量。
Twyman-Green干涉仪则通过将测试光与参考光在物体表面反射后重新聚焦进行干涉，从而测量物体的形状。
激光干涉技术在工程领域中有着广泛的应用，例如在机械工程中，可以利用激光干涉技术对物体的位移进行精确测量，应用于机械零件的安装和定位；在微力测量方面，利用激光干涉技术可以测量微小的位移和微力，应用于纳米科学研究等领域。
三、光学相位共轭技术光学相位共轭技术是一种通过形成物体在测量光束路径上的反射体，在测量光束与参考光束叠加后进行干涉测量的方法。
这种技术利用了物体表面的反射特性，可以测量物体表面的形貌，同时能够抵消多次反射导致的光程差误差。
光学相位共轭技术在医学领域中有着广泛的应用，例如激光眼科手术中的角膜矫正技术。
利用光学相位共轭技术，可以实现对眼睛的角膜形貌进行高精度的测量和修正，从而达到矫正视力的目的。
- 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)。
式中，A(x,y)＝a21+a22是条纹的光强直流分量， γ(x,y)＝2a1a2/(a21+a22)是条纹的对比度， Δω＝ω1-ω2是光频差， φ(x,y)＝φ1(x,y)-φ2(x,y)是相位差。
南京理工大学 何勇
相干检测
当二光束光频相同即单频光相干时，有 ω1＝ω2或Δω＝0，此时干涉条纹不随时 间改变，呈稳定的空间分布，上式变成
南京理工大学 何勇
相干检测
干涉仪是光学调制器和解调器的组合 a) 原理示意图 b) 等效方框图
南京理工大学 何勇
相干检测
以最常见的迈克尔逊干涉仪来说明干涉仪是光学调制器和解调器的组合。
干涉仪中的单色光源是相干光载波的信号发生器，它产生振幅为a0，频率为ν0， 初相位为φ0的光载波信号，用U0(a0,ν0,φ0)表示，载波信号分两路引入干涉仪。 在参考光路中光载波作为基准保持其原有的参量。在测量光路中，U0(a0,ν0,φ0) 受到被测信号的调制。如果被测信号是位移δ(x)，则引起光频载波的相位变化 Δφ，称作相位调制，形成Us(a0,ν0,φ0±Δφ)的调相信号。若被测信号是运动 速度υ(t)，则引起光频载波的频率偏移Δν，称作频率调制，产生 Us(a0,ν0±Δν,φ0)的调频信号。 已调制的光频波在干涉面上和来自参考光路的参考光波重新合成，形成具有稳
南京理工大学 何勇
相干检测
当两光束频率不同时，由于光频率约1015Hz，而目前光电检 测器件的频率响应不超过1010Hz，因此对频率相差较大的二束相 干光，将观察不到干涉的交流分量，但频差较小的二束双频光相 干，检测器可检测到干涉条纹以Δω的角频率在波动，形成了光 学拍频信号。这就是外差干涉现象。采用电信号处理器可以直接 测量光拍信号的各种参量，从而能以极高的灵敏度测量出相干光 束本身的特征参量，形成了新型的外差检测技术。
南京理工大学 何勇
光学干涉和相干光信息分类 外差探测 相干光的相位调制和检测 相干光的频率调制和检测Βιβλιοθήκη 相干检测南京理工大学 何勇
光学干涉和相干光信息分类
1．光学干涉和干涉测量
相干检测
利用相干光作信息传输或检测，需要将被测信息载荷到光载波上，使光载 波的特征参量随被测信息变化。但是由于光波波动频率很高，到目前为止各 类光探测器尚不能直接感知光波本身的振幅、相位、频率、偏振的变化。所 以在大多数情况下要利用光的干涉现象将这些特征参量转化为光强度的变化 或转化为光探测器能敏感的较低频率的光电载波信号。因此各类型的光干涉 现象是利用光波传输信息的基础。所谓光干涉是指可能相干的二束或多束光 波相重叠，它们的合成光波随时间的相位关系表现出不同的光强度空间分布 或时序变化的现象。干涉测量的基本作用在于把光波的相位关系或频率状态 以及它们随时间的变化以光强度空间分布或光强度随时间变化的形式检测出 来，这个作用有时称作相幅变换。
I(x,y)＝A(x,y){1+γ(x,y)cos[φ(x,y)]}
表明单一频率双光束干涉时，随着相 位差的变化，干涉条纹强度的分布表 现为有偏置的正弦分布如下图a所示。 以此为基础的干涉测量形成了干涉条 纹检测技术。图b为多光束干涉时的 条纹光强分布
单频光束干涉条纹的强度分布 a) 双光束干涉 b) 多光束干涉
南京理工大学 何勇
相干检测
2．干涉测量中的调制和解调
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光频载波的调 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。所谓光调制是将一个携带信息的信号叠加到光载波上。能完成这一 调制作用的装置称作光调制器。光调制器能使光载波的特征参量如振幅、 相位、频率、偏振、波谱分布等随被测信号的变化而改变。相对应的光调 制技术分为光振幅调制（AM）、相位调制（PM）、频率调制（FM）、 偏振调制（POM）和光波谱调制（SM）。解调是调制的相反过程，它能 从被调制的光载波中以与被测参量成比例的光强信号或电信号形式检测出 被测参量。解调器可以是光学的、电子的或光电混合的。
南京理工大学 何勇
绪论
南京理工大学 何勇
相干检测
各种干涉现象都是以光波为基础的信号变换过程。作为实际的载体，光波载荷 了被测信息，它的特征参量与被处理的长度、距离、角度、面形、微位移、运动 方向和速度、传输介质物理属性等信息存在着严格的内在联系，表现出随时间和 空间变化的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最 终解算出被测几何参量和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光 学和光电子技术的发展，光电干涉技术以其潜在的生命力在信息科学中崭露头角， 取得了长足的进展。本章将介绍几种物理变换的光电方法，着重讨论相干光信息 的调制和检测技术。
南京理工大学 何勇
相干检测
以双光束干涉为例，设二相干波面波振幅U1(x,y)和U2(x,y)分别为 U1(x,y)＝a1exp{-j[ω1t+φ1(x,y)]} U2(x,y)＝a2exp{-j[ω2t+φ2(x,y)]} 式中，a1、a2为光波的振幅，ω1、ω2为角频率，φ1、φ2为初始相位。 当它们合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x,y)可表示成 I(x,y)＝a21+a22+2a1a2cos[Δωt+φ(x,y)]
南京理工大学 何勇
相干检测
条纹干涉强度取决于相干光的相位差
Δφ＝(2π/λ)(LΔn+nΔL) 表明光传播介质折射率和光程长度的变化都将导致相干光相位的变化，从而 引起干涉强度的改变。这一性质被用于改变光载波的特征参量，以形成各种 光学信息。实际上有许多参量能造成光程差的改变，例如几何距离、位移、 速度、温度引起的热膨胀等会引起传播距离的改变；介质的成份、密度、影 响密度的温度、压力以及电场、磁场、介质的电光和磁光效应、应力引起的 光弹效应等都能引起折射率的变化。从物体表面反射光波的波面分布可以确 定物体的形状。因此，从这个意义上讲光学干涉技术是一种能检测非光学参 量的传感技术。能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要机能是将光束分 割成两个不同的支路，由外屏引入光程差后再重新合成借以观测干涉现象