光外差检测系统
外差检测概要
此电压在负载电阻 R L 上流过的电流为
Vs g d jCd iIF is Z d RL g d jCd 1 RL g d jCd ( RL RS )
1 RL g d
RL
iIF jCd ( RL RS )
SNR po
PS hf IF
2 * * EL ES dA EL EL dA * * * EL EL dA ES ES dA EL EL dA
PS meff eff hf IF
SNR po
(2.2.18)
式中
g d 1 Rd
'
为半导体光电二极管的电导，通常有 Rs g d 1
Rd Rs jCd Rd Rs 1 Rs g d jCd Rs Z d Z Rs 1 jCd Rd g d jCd
1 jC d Rs g d jC d
则光外差信号流过光电二极管的中频电流 i IF 产生的光生电压为
等效电路及等效电压发生器电路见下图
图8.2 光伏探测器恒流源等效电路
图8.3 光伏探测器等效电压发生器电路
(2)先求信号功率
由图8.2知
1 Z' 1 jC d R d 1 1 Rd 1 ( jC d ) Rd
对等式两边取倒数
Z'
Rd 1 1 jCd Rd g d jCd
经带通滤波器后的霰弹噪声和热噪声功率为
2 e
2
2
(2.2.9)
Pno 2eG PS PL PB I d f IF RL 4kTf IF (2.2.10) h
第八章 光外差探测8.1-8.4
在完善的空间准直条件下，信号光电场和本振光 电场分别为
当信号光和本振光重合垂直入射到光混频器上 时，则光混频器输出的瞬时光电流为
相位差项不受短时间平均的影响，倍频项的平均值为零，第1和第2两项 直流项被滤波器滤除
因此，负载电阻上的信号电压为
峰值信号功率
在光零差探测系统中，如果仅限于考虑不可能消 除的散粒噪声和热噪萨，则噪声功卒
3 光外差探测的频率条件 光外差探测除了要求信号光和本振光必须保持 空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性 和频率稳定度。 从物理光学的观点来看，光外差探测(或相干 探测)是两束光波达加后产生干涉的结果。 显然，这种干涉取决于信号光束和本扳光束 的单色性。
光的单色性：是指这种光只包含一种频率或光谱线 极窄的光。
在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中 的噪声基本相同，存在多种可能的噪声源。在此只 考虑不能消除或难以抑制的散粒噪声和热噪声两种。
在带宽为Δ fIF的带通滤波器输出端，电噪声功率 为
式中，PB为背景辐射功率，ID是光混频器的暗 电流。 前一项为信号光、本振光、背景辐射和光混 频器暗电流所引起的散粒噪声项，后一项为 光混频器内阻和前置放大器负载电阻所引起 的热噪声项。
根据信号噪声比定义，中频滤波器输出端的信号 噪声(功率)比为
（10） 当本振光功率PL 足够大时，上式分母中由本振 光引起的散粒噪声远远大于所有其它噪声，则式 变为
这是光外差探测系统所能达到的最大信噪比，一般把这种情况称为 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
从式(10)可导出实现量子噪声限探测的条件为
上述两种情况带宽之比
可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用。
四、有利于微弱光信号的探测
在直接探测中光探测器输出的电功率正比于信号 光平均光功率的平方。 在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比 于信号光和本振光平均光功率的乘积 在一般的实际情况下，入射到光探测器上的信 号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例 如光雷达、光通信等应用)，
光电检测技术光电检测技术试卷(练习题库)(2023版)
光电检测技术光电检测技术试卷(练习题库)1、光电检测系统通常由哪三部分组成？2、光电效应包括哪些？3、外光电效应4、内光电效应5、简述内光电效应的分类？6、光电导效应7、光生伏特效应8、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？9、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？10、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？11、 CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么？12、根据检查原理，光电检测的方法有哪四种？13、光热效应应包括哪三种？14、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？15、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器16、响应度（或称灵敏度）17、亮电流18、光电信号的二值化处理19、亮态前历效应20、热释电效应21、暗态前历效应22、简述雪崩光电二极管的工作原理？23、简述光生伏特效应与光电导效应的区别？24、简述光生伏特效应与光电导效应的联系？25、什么是敏感器？26、简述敏感器与传感器的区别？27、简述敏感器与传感器的联系？28、简述发光二极管的工作原理？29、简述PIN型的光电二极管的结构？30、简述PIN型的光电二极管的工作原理？31、简述PIN型的光电二极管的及特点？32、简述光电检倍增管的结构组成？33、简述光电检倍增管的工作原理？34、简述CCD器件的结构？35、简述CCD器件的工作原理？36、举例说明补偿测量方法的原理？37、举例说明象限探测器的应用。
38、坎德拉（Candela，cd）39、象增强管40、本征光电导效应41、信息载荷于光源的方式信息载荷于透明体的方式、信息载荷于反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷42、光源选择的基本要求有哪些？43、光电倍增管的供电电路分为负__供电与正__供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪44、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？45、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？46、简述三种主要光电效应的基本工作原理？47、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？48、简述光电探测器的选用原则？49、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？50、叙述实现光外差检测必须满足的条件？51、光具有的一个基本性质是（）。
外差(相干)探测系统 2013.4.26
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
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
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
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 )
•
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
光电检测技术与应用-7光电检测系统
2.3 直接检测系统的视场角
视场角表示系统能检测到的空间范 围，是检测系统的性能指标之一。对于检 测系统，被测物看作是在无穷远处，且物 方与像方介质相同。当检测器位于焦平面 上时，其半视场角为：
物镜
u'
检测器
D
d
5-19 f' Ad 直接检测系统视场角 或视场角立体角Ω为： 2 f 从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦
经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度
I e 1 E e 2 L
入射到检测器上的光谱功率
Ee 为：
1 为被测距离L内的大气光谱透过率；
L为目标到光电检测系统的距离
Pe Ee A0 0
I e 1 2 A0 0 L
2
1
Pe
为：
A0为接收光学系统的入射 孔径面积
1为接收光学系统的光谱 透过率
根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的 λ1―λ2的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：
Vs
2
1
A0 Pe RV d 2 L
I e 1 0 RV d
RV为检测器的光谱响应度
3.1 被动检测系统的距离方程
RV
将上式代入2，可得：
式中Ad为检测器面积；Δf为系统的带 宽；D*为检测器的归一化检测度； AoIe=P0是入射到接收光学系统的平均 功率。考虑到系统的调制特性，入射 到探测器上的有效功率为：
距，但对检测器会带来不利影响： ① 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和 面积的平方根成正比。 ② 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方 式下降。 因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。
光电检测 名词解释 西安理工大学 光信
光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。
它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量光电传感器：基于光电效应，将光信号转换成电信号的一种传感器光电传感器分类：直射式、反射式、辐射式光电检测系统：光源->光学系统->被测对象->光学变换->光电传感->变换电路->电信号处理->储存/显示/控制光电检测技术的特点：高精度，高速度，远距离、大量程，非接触式检测，寿命长，数字化和智能化光电检测方法：直接作用法、差动测量法、补偿测量法（指零法）、脉冲测量法发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。
单位：坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制中七个基本单位之一。
光通量Φv：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。
单位：流明［lm］。
光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量，单位：勒克斯［lx］，相当于1平方米面积上接受到1个流明的光通量。
半导体特性：温度敏感，受微量杂质影响显著，受光、热、磁影响显著半导体分类：本征半导体、N型半导体、P型半导体本征半导体：就是没有杂质和缺陷的半导体。
掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。
非平衡载流子：处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
平衡载流子浓度：处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。
这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。
非平衡载流子的产生：光注入；其它方法：电注入、高能粒子辐照等载流子的输运过程：扩散、漂移、复合半导体对光的吸收：吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收：由于光子作用使电子由价带跃迁到导带，本征激发：只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发PN结：将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结光电效应：照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括：外光电效应和内光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子—多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部—多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。
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
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双缝
S1 S2 λ
屏幕
S1 P1 第一亮纹
S2 λ
P1 δ=λ
取P点上方的点P1，从S1S2发出的光到P1点的光程差就不 同，若这个光程差正好等于波长的整数倍，比如δ= S1－ S2=λ，出现第一条亮纹。
双缝
S1 S2 2λ
屏幕
P2 第二亮纹 屏上P1点的上方还可以找
到δ= S1－S2＝2λ的P2点出现第 二条亮纹。
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）
讨论：明和暗为什么相间（依次出现）呢？
S1
S2
d
P2
P
P1 P2
P1
P
P1S2－P1S1= d 光程差
思考：当P1 点外移时光程差怎么
变？
（变大）
S1
P S1
S2 d
P
S2
S1
P
PS1
S2
P
PS2
光程差d=0，S1、S2步调一致，该点振动加强。（明）
S1 S2 d
P1 P
S1
P1
S2
d =λ/2
双缝
S1 S2 3λ
屏幕
P3 第三亮纹
屏 上 P1 点 的 上 方 还 可 以 找 到 δ= S1－S2＝4λ的P2点，δ= S1－S2 ＝ 5λ 的 P3 点 …… 等 处 的 第 四 条 、 第五条……亮纹；在中央明纹P的 下方可找到δ= S1－S2＝λ的P1/点， δ= S1－S2＝2λ的P2/点，δ= S1－S2 ＝3λ的P3/点等处与中央明纹为对 称的第一、第二、第三…，第n条 亮纹。
双缝 屏幕
S1 S2 3λ/2
Q2 第二暗纹
QP 1
第一暗纹 中央亮纹
屏上Q1点的上方还可以找到δ= S1－S2＝3λ/2的Q2点 出现第二条暗纹。同样可以找到第三条暗纹Q3……， 在中央明纹下方也可以找到对称的Q1/、Q2/、Q3/……等 暗纹。
双缝 屏幕
S1 S2
P3 Q3
第三亮纹 第三暗纹
思考2：有没有什么方法可以获 得相干光—频率相同的光呢？
天才的设想
单缝
双缝
巧妙解决了相干光问题
屏幕
光
s1
束
s0
s2
红滤色片 (激光)
托马斯·杨
杨氏双缝实验被评 为十大物理实验之一。
实验演示：
现象：出现明暗相间条纹。
思考3：为什么有的地方亮 一些有些地方暗一些？
用氦氖激光器 演示光的双缝 干涉
叠加（振动）加强的地 方出现亮条纹，振动减 弱的地方出现暗条纹。
双缝
S1 S2
屏幕
P3 第三亮纹 δ=3λ P2 第二亮纹 δ=2λ P1 第一亮纹 δ=λ P 中央亮纹 δ=0
P1 第一亮纹 δ=λ P2 第二亮纹 δ=2λ P3 第三亮纹 δ=3λ
双缝 屏幕
S1
P1
S1
S2 λ/2
S2 λ/2
QP中1 第央一亮暗纹纹
取P点上方的点Q1，与两个狭缝S1、S2路程差δ= S1 －S2＝λ/2，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的 就是波谷，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的一 定是波峰，Q1点激起的振动总是波峰与波谷相遇，振幅 最小，Q1点总是振动减弱的地方，故应出现暗纹。
（和3λ1S）2、的等空路波间程长的差某的为点整0、距数1离倍λ光（、源半2λ波S1、源3（Sλ12和/）2S空、2的间5λ路的/程某2、差点等为距半λ离波光/长2、
长的偶数倍）时，该点为振 的奇数倍时，该点为振动
动加强点。
减弱点。
光程差 δ =kλ（ k=0， 光程差 δ =（2k-1)λ/2
1，2，等）
或外扩N 次，则光程差 变化为 2d＝N
特点
特点： – 具有更高的测试灵敏度和准确度； – 绝大部分的干涉测试都是非接触式的， 不会对被测件带来表面损伤和附加误差； – 在精密测量、精密加工和实时测控的诸 多领域获得广泛应用。
(k=1,2,3,等）
亮纹
暗纹
小结
1、两个独立的光源发出的光不是相干光， 双缝干涉的装置使一束光通过双缝后变为两束 相干光，在光屏上形成稳定的干涉条纹．
2、在双缝干涉实验中，光屏上某点到双 缝的光程差为半波长的偶数倍时，该点出现 亮条纹；光屏上某点到双缝的光程差为半波 长的奇数倍时，该点出现暗条纹．
δ=3λ
QP22
第二亮纹 第二暗纹
δ=2λ
QP11 P
第第一一暗亮纹纹 中央亮纹
δ=λ δ=0
Q1 /
QP23
/ /
第一暗纹 第一亮纹 第二暗纹
δ=λ
QP33 P3
/ /
/
第二亮纹 第三暗纹 第三亮纹
δ=2λ δ=3λ
δ=5λ/2 δ=3λ/2 δ=λ/2 δ=λ/2 δ=3λ/2 δ=5λ/2
总结规律
3、干涉条纹间距与波长的关系 △X随波长λ的ຫໍສະໝຸດ 大而增大相干信号相位调制与检测
利用被测量使得其中一束光线的相位发生变化，再通过干 涉作用把相位变化变换为幅值变化，叫做相位调制。
典型应用 迈克尔逊干涉仪
实验原理图
如果d 逐渐减小，看到
的现象是干涉圆环内缩
（吞）；如果d 逐渐增
大，同理，看到的现象 是干涉圆环外（吐）。 对于中央条纹，当内缩
S1
P1
d
P1S1
S2
P1S2
P1
光程差d= λ/2 ，S1、S2在P1处步调相反，该点振动减弱。(暗）
S1
P2
S1
P2
P S2 d
S2
d =λ
S1
P2
P1S1
d
S2
P2
P1S2
光程差d= λ ，S1、S2在P2处步调一致，该点振动加强。(明）
1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773~1829） 在实验室里成功的观察到 了光的干涉．
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.
光外差检测系统
相干检测：
概述
利用光的相干性对光波所携带的信息信号 进行检测
对光源的要求： 激光 相干检测具有更高的精度和灵敏度
光到底是什么？……………
17世纪明确形成 了两大对立学说
由于波动说没有 数学基础以及牛 顿的威望使得微 粒说一直占上风
牛顿
19世纪初证明了 波动说的正确性
惠更斯
微粒说