直接探测和相干探测

光－电信号变换 光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
人眼和探测器 可以响应平均光功率
ΦE
2 0
平方律器件
光－电信号变换 光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
光的频率：1014～1015Hz 探测器响应频率<1010Hz
光－电信号变换 光信号
9.2.2 相干探测的条件
满足波前匹配条件：
1．相干探测空间条件 2．相干探测频率条件 3．相干探测偏振条件
1 相干探测空间条件
－－信号光和本振光在空间上的角准直（共轴）
为什么需要角准直？
I hs S 2a s ar cos(t )
探测器接收面上沿x方向各点的相位不同 信号光和本振光的波前在光混频器表面上 没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小 探测器表面各点 探测器表面各点 相位相同时：处处相等 相位不同时：处处不相等
外差探测 S 2a s a r 2 I hs RL 2a s2 a r2 a r2 r 2 G 4 8 2 8 2 2 I ds RL as 4 as s a 2 S s 直接探测 2
2
注意：功率为幅值有效值的平方
2
4 s h f
4 s SNRh h f
外差探测的量子探测极限
仅考虑信号光引起的散粒噪声限制
相干探测：
直接探测：
s SNRd 2h f
4 s SNRh h f h NEPh f 4
NEP d
2h

f
相干探测信噪比高，最小可探测功率更小
2
H
t
H

H H
sDSB t
t
c
s r
2
s r
2
0
SDSB
H m c
c

探测器－－滤波器（中频输出）
I hs S 2a s ar cos(t )
s r s r
光场包络的 频率<1010Hz
例1 比较光场频率和光强度信号的变化频率 设光栅的栅距P＝40μm 相对移动的速度V =1cm/s 半导体激光器,波长λ =890nm
光场频率 v =? 光强度信号的变化频率f = ？
9.1.1直接探测的基本原理
2.直接探测系统的信噪比
1)信噪比定义：
P I s2 RL I s2 SNR I s 或 SNR U s SNR s 2 2 I U 2 2 Pn in un in RL in
光电系统－－相干探测 －－光外差探测
νs
混频器
高频示波器
νr
选通 放大器
观察仪器
△v，104～1010Hz
频谱分析仪 外差接收
无线电－－外差接收
高频载波
混频
本机振荡
中频信号
解调
音频 图像信息
2)调制信号的探测
I hs S 2a s ar cos(t )
as (t ) A0 [1 V (t )] A0 [1 mn cos(n t n )]
应用于测量：
几何量（长度、位移··） ·· 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕·· ·） 光学参量（吸收、反射·· ·） 电磁量（电流、电场、磁场·· ·） ······· ·······
应用于控制：
激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉 ····· ····
9.1.3直接探测的应用举例
特点：信息加载－－辐通量（光强）
原理框图
以一般情况为例：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
Es (t ) as sin(st s )
信号光
Er (t ) ar sin(r t r )
I hs S E S ( t ) Er ( t )
2
参考光
平方律探测器光混频电流信号为：
S a a 2a s ar cos[( s r )t ( s r )]
2 s 2 r


经带通滤波选频
I hs S 2a s ar cos[( s r )t ( s r )]
2eI S f
s SNRd 2h f
外差探测：
仅考虑强的本地光引起的散粒噪声限制，即
2
SNRh
I hs
2 In
S 2a s ar 2 S 2 a s2 ar2 8 S 2 s r 4 S s 4(e h ) s 2 2eS r f 2eS r f 2eS r f ef ef
1.直接探测基本物理过程：
光波：
光功率：
2 s (t ) as
Es (t ) as sin(st s )
平方律器件：
I S s (t )
2 as
人眼和探测器可以响应平均光功率
平方律器件：
－－光电探测器 响应光场包络 光场的频率 1014～1015Hz
I ds S s [1 V (t )]
－－光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜·· ·· ·
－－ －－－《应用光学》
－－电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信
号检测··· ··－－－第十章 ··
－－热力学方法，制冷降低探测器噪声
2) 直接探测的信噪比极限：
以光电二极管为例
Psd (e / hv ) SNRd 2 2 2 2 Pnd inS inB inD inT
d
Er t ar cosr t r x
Ad为探测器的面积，d 为x方向的长度。
d sin 2 a S a r cost s r d 2
2 2 s
最理想情况，只有信号光电流 引起的散粒噪声（忽略吗？）
s SNRd 2hv f
i
2 nS
2eI S f
－－直接探测的量子极限
s SNRd 2hv f
2hvf
－直接探测的量子极限
量子极限的另一种表达是：
NEPd

－直接探测的噪声等效功率
例：η为1，Δf为1Hz，～2hν，已很接近单个光子的
模拟量 稳定电路
晶振， 数字锁相环
现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！
9.1.3直接探测的应用举例
例3. 光电测距 发射光波
－－光电光波测距
0t 0 2D / c
接收光波
距离－－光通量（相位）
第09章 直接探测和相干探测 直接探测：（非相干探测）
装置简单，光源为相干光源或非相干光 源，只能探测光功率（光强）。
平均光电流为幅值的有效值
I hs S 2a s ar 2 S 2a s ar
参见竺子民，《物理光学》，P119
相速度
群速度
参见梁铨廷，《物理光学》，P63
频谱分析
类似DSB 调制
包络频率 等于两光 频差的1/2 拍频等于 两光频差

参考：双边带调制（DSB）
M
t
H s r
能量hν。 实际上，几乎不可能？？？
9.1 直接探测
－－Drirect Detection ，又称为非相干探测
装置简单，光源为相干光源或非相干光源， 只能探测平均光功率（光强）
9.1.1直接探测的基本原理
9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离 9.1.3直接探测的应用举例
9.1.3直接探测的应用举例
Φr>>Φs
G~107－108
相干探测优点之三： 信噪比高
直接探测的信噪比：
P ( e / hv ) sd SNRd 2 2 2 2 Pnd inS inB inD inT
2 2 s
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：
i
2 nS
输出电流信号－－最大
输出电流信号－－减小
本振光束：
Er t ar cos r t r

2
本振光束随x分布的相位差：
s
x sin x
3 2 1
则：
x点的响应电流为：di a S ar cost s r x dx 光敏面总响应电流为：i A a S a r cost s r x dxdy
2 2 s
散粒噪声
热噪声
信号光电流、背景光电流和器件暗电流 最理想情况，只有信号 2 光电流引起的散粒噪声 inS 2eI S f
s SNRd 2hv f
－－直接探测的量子极限
2.直接探测系统的信噪比
2) 直接探测的信噪比极限：
P ( e / hv ) sd SNRd 2 2 2 2 Pnd inS inB inD inT
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
响应平均光功率 直接探测 响应光的频率 ·· · 相干探测
第09章
直接探测和相干探测
光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进
9.1 直接探测
－－Drirect Detection ，又称为非相干探测 装置简单，光源为相干光源或非相干光源， 只能探测平均光功率（光强） 9.1.1直接探测的基本原理 9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离 9.1.3直接探测的应用举例