简述光外差检测的原理
第10章 相干探测
但在实际情况下， 的和频( 但在实际情况下，光频νL、νS 的和频(νL+νS) 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差 频项，亦即中频信号i 频项，亦即中频信号 IF。 这个中频(差额) 这个中频(差额)信号包含了信号光所携带的全部 信息。 信息。
相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能， 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
θ ≠0
dβ << 1 2
λS
πd
数值例： 数值例：d=1mm
λS = 0.63µm, θ << 41′′
λS = 10.6µm, θ << 11′ 36' '
二、相干探测的频率条件
• 相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。这种干涉取 相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。 决于信号光束和本振光束的单色性 单色性。 决于信号光束和本振光束的单色性。要求激光光源具有良 好的单色性（单纵模运转的激光器） 好的单色性（单纵模运转的激光器） 。 • 信号光和本振光的频率漂移会导致相干探测系统的性能变 信号光和本振光的频率漂移会导致相干探测系统的性能变 频率 如果信号光和本振光的频率相对漂移很大， 差。如果信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率 之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此， 之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此，光混频器 之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地放 大。 • 在光相干探侧中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光 在光相干探侧中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光 稳定 频率，这使相干探测方法比直接探测方法更为复杂。 的频率，这使相干探测方法比直接探测方法更为复杂。
外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪原理外差激光干涉仪是一种利用激光干涉原理进行测量的仪器。
它通过比较两束激光的相位差来实现测量的精确性和稳定性。
在这篇文章中，我将详细解释外差激光干涉仪的原理，并介绍其在实际应用中的一些特点和优势。
外差激光干涉仪的原理基于激光的干涉现象。
干涉是指两束波的相加形成干涉条纹的现象。
在激光干涉仪中，一束激光通过分束器被分成两束光，分别称为参考光和测量光。
这两束光分别经过参考光路和测量光路，然后再通过干涉仪进行干涉。
干涉的结果就是在干涉屏或探测器上产生干涉条纹。
在外差激光干涉仪中，参考光和测量光的相位差是通过一个延迟线或光纤引入的。
延迟线或光纤的长度可以调节，从而改变两束光的相位差。
当相位差为零时，两束光相干叠加，产生最亮的干涉条纹；当相位差为π时，两束光相消干涉，产生暗纹。
通过改变延迟线或光纤的长度，我们可以得到一系列的干涉条纹。
外差激光干涉仪中使用的激光是单色激光，即波长相同、频率相同的激光。
这样可以确保干涉条纹的稳定性和清晰度。
为了进一步提高精确性，激光光路中通常会使用一些光学元件，如波片、偏振器等来控制光的传输方向和强度。
外差激光干涉仪的一个显著特点是它可以实现非接触式测量。
比如，在机械加工中，我们可以通过测量工件表面的形状变化或振动情况来判断工件的质量。
利用外差激光干涉仪，我们可以将测量光直接照射到工件表面，观察干涉条纹的变化，从而得到表面形状和振动的信息。
这种非接触式测量可以避免与工件之间的物理接触，从而保护工件的表面免受损坏。
外差激光干涉仪的另一个优点是其高精度和高分辨率。
由于激光是单色相干光，它的波长稳定性非常高。
干涉仪中的干涉条纹可以通过探测器转换为电信号，并经过放大和处理后得到数字信号。
这些数字信号可以被计算机进行处理和分析，从而得到非常精确和准确的测量结果。
外差激光干涉仪在工业领域和科学研究中具有广泛的应用，如测量物体长度、表面形貌、振动频率等。
与其他测量方法相比，外差激光干涉仪还具有一些其它的优势。
光电检测技术与应用
光电传感器是基于光电效应将光电信号转换为电信号的一种传感器光学系统的基本模型光发射机-> 光学信道一>光接收机光学系统通常分为：主动式，被动式。
主动式：光发射机主要由光源和调制器构成。
被动式：光发射机为被检测物体的热辐射。
光学信道：主要由大气，空间，水下和光纤。
光接收机是用于收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波的信息。
光接收机分为：功率（直接）检测器，外差接收机。
光电检测技术特点：1. 高精度：是各种检测技术中精度最高的一种：激光测距法测地球与月亮的距离分辨率达1m2. 高速度：光是各种物质中传播速度最快的。
3. 远距离，程量：光是最便于远距离传播的介质4. 非接触性：光照到被测物体上可以认为是没有测量力，因此无摩擦。
5. 寿命长：光波是永不磨损的。
6. 具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。
光电传感器：1•直射型2反射型3辐射型光电检测的基本方法有：1•直接作用法.2.差动测量法3补偿测量法4•脉冲测量法直接作用法：收被测物理控制的光通量，经光电转换后有检测机构直接得到所求被测物理量。
差动测量法：利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比克反应被测量的大小。
光电检测技术的发展趋势：1. 发展纳米，亚纳米高精度的光电测量新技术。
2. 发展小型的，快速的微型光，机，电检测系统。
3. 非接触，快速在线测量。
4. 发展闭环控制的光电检测系统。
5. 向微空间或大空间三维技术发展。
6. 向人们无法触及的领域发展。
7. 发展光电跟踪与光电扫描技术。
在物质受到辐射光的照射后，材料的电学性质发生了变化的现象称为光电效应光电效应分为：外光电效应和内光电效应光电导效应是一种内光电效应。
光电导效应也分为本征型和非本征型两类光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的|弛豫现象|:光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定能的时间。
弛豫现象也叫惰性。
光生伏特效应：与光照相联系的是|少数载流子|的行为。
相干光通信
相干光通信一、相干光通信的基本工作原理在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。
所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不像自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。
在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。
当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。
相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。
前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。
后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。
相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。
我们知道无线电技术中相干通信具有接收灵敏度高的优点，相干光通信技术同样具有这个特点，采用该技术的接收灵敏度可比直接检测技术高18dB。
早期，研究相干光通信时要求采用保偏光纤作传输介质，因为光信号在常规光纤线路中传输时其相位和偏振面会随机变化，要保持光信号的相位、偏振面不变就需要采用保偏光纤。
但是后来发现，光信号在常规光纤中传输时，其相位和偏振面的变化是慢变化，可以通过接收机内用偏振控制器来纠正，因此仍然可以用常规光纤进行相干通信，这个发现使相干光通信的前景呈现光明。
相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频。
混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。
由于该差频信号的变化规律与信号光波的变化规律相同，而不像直检波通信方式那样，检测电流只反映光波的强度，因而，可以实现幅度、频率、相位和偏振等各种调制方式。
光外差检测的条件(精)
将得到的差频分别为 1 L和 2 L 的中频信号送到平方律
器件再次混频，产生频率为 1 2 的差频信号并经放大器放大
后输出。由于 1 和 2 的信号与 L 无关，且 1和 2 可由 同一激光器产生，故本振光频率的不稳定性不会影响差频项。
2、中频电流公式
设：偏振方向相同、传输方向互相平行且重合的三束光垂直 入射到探测器的光敏面上，其光场可分别表示为
2、两光场不重合对信噪比的影响 设：探测器光敏面为边长为d 的正方形；信号光场和本振光场
均为平面波，其中，本振光垂直入射到光敏面；二波前夹角 ，
如图所示
注意到信号光同一波前上各为 v x ，则在光敏面上不同点处形成 波前的相位差，此时，信号光场可写为 s E s ( x, t ) E s 0 cos( s t s x) (2.2.29) vx
展开上式 ，并舍弃合频项， 得
2 2 Es 0 EL 0 di p Es 0 EL 0 cos[(L s )t k x x]dx 2
将余弦项展开后，从
d 2
到
d 2
积分，
2 2 sin( k x d 2) Es 0 E L 0 i p d Es 0 E L0 cos( L s )t 2 kxd 2 再舍弃直流项，得中频输出电流为
2 2 2 {E10 E20 EL 0 2 E10 EL 0 cos[(1 L )t (1 L )] 2
2E20 EL0 cos[(2 L )t (2 L )]
2E10 E20 cos[(1 2 )t (1 2 )]}
s d
此时
iIF 0
第3章 直接探测和外差
第3章 直接探测和外差探测原理
从图3.2 - 1可看出， 目标辐射通量相对值在0.8以 上的波长区域约在2.7~5 μm的范围内， 而背景辐射通 量相对值在0.2以下的波长约在2.6~4.5 μm的范围内。 于是， 把滤光片的短波截止波长选在大于2.7 μm处， 长波截止波长选在小于4.5 μm处。 因为在大于4.5 μm 和小于2.7 μm的范围内， 目标辐射通量在减小， 背景 辐射通量急剧上升。 最后选定滤光片的截止波长为2.8 μm(短)和4.3 μm(长)。
第3章 直接探测和外差探测原理
b 探测器
a 调制盘 物镜
图 3.2 - 2 无场镜探测光学系统
第3章 直接探测和外差探测原理
1. 场镜 如果在调制盘及探测器之间插入一个汇聚能力很 强的透镜， 如图3.2 - 3所示, 那么这样探测器面积可以 做得很小。
第3章 直接探测和外差探测原理
场镜除使探测器面积减小外， 还能使其上的照度 均匀， 避免假目标的干扰。 因为如果光源的光强不均 匀， 则入射到其上的照度亦是不均匀的， 可能引起虚 假目标的指示。
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1 直接探测系统的性能分析
通过前两章的学习， 我们已经清楚地知道， 光电 探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转 换为相应的光电流。 即
i(t) e P(t)
hv
第3章 直接探测和外差探测原理
光电流i(t)是光电探测器对入射光功率P(t)的响应， 当然光电流随时间的变化也就反映了光功率随时间的 变化。 因此， 只要待传递的信息表现为光功率的变化， 利用光电探测器的这种直接光电转换功能就能实现信 息的解调。 这种探测方式通常称为直接探测。 直接探 测系统的方框图如图3.0 - 1所示。 因为光电流实际上 是相应于光功率的包络变化， 所以直接探测方式也常 常叫做包络探测。
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)
空间外差光谱仪原理
空间外差光谱仪原理《空间外差光谱仪原理》1. 引言嘿，你有没有想过，科学家们是怎么在遥远的外太空准确地分析那些星球的大气成分，或者在地球上检测到极其微小的物质成分变化的呢？这里面就有一个很厉害的仪器在发挥作用，那就是空间外差光谱仪。
今天呢，咱们就来好好聊聊空间外差光谱仪的原理，从它最基本的概念，到它是怎么工作的，再到它在实际中的各种应用，还有那些容易被误解的地方，咱们都来唠一唠。
2. 核心原理2.1基本概念与理论背景空间外差光谱仪的理论基础可是有不少门道的。
它的概念其实是来源于光谱学和干涉技术。
光谱学嘛，简单来说就是研究光的组成成分的学科，就像把一束混合的光拆开，看看里面都有哪些颜色的光一样。
而干涉技术呢，就是利用两束光叠加的时候会产生一些特殊的现象，比如说有的地方亮，有的地方暗这种干涉条纹。
空间外差光谱仪的发展历程也是经过了许多科学家不断探索的。
最开始，科学家们想要更精确地分析光的频谱，传统的光谱仪在某些方面不能满足需求，于是就逐渐发展出了空间外差光谱仪这种更先进的仪器。
2.2运行机制与过程分析那空间外差光谱仪是怎么工作的呢？咱们可以把它想象成一个超级精密的光的分拣工厂。
首先，光进入到仪器里，就像原材料进入工厂。
然后呢，仪器会把这束光分成两束，这两束光就像是两个小工人，它们会沿着不同的路径走。
其中一束光会经过一个特殊的装置，这个装置会让光的频率发生一点变化，就好像给这个小工人穿上了不同的鞋子，走路的速度就有点不一样了。
接着呢，这两束光又会重新合并到一起，这时候就会产生干涉现象。
说白了，干涉现象就像是水波叠加一样。
如果两束波的波峰和波峰叠加，就会变得更高，如果波峰和波谷叠加，就会互相抵消。
光的干涉也是类似的道理。
由于之前那两束光有了频率的差异，它们叠加之后就会形成一种特殊的干涉图案，而这个干涉图案就包含了原来光的频谱信息。
就好比这个干涉图案是一把钥匙，通过分析这把钥匙，我们就能知道原来那束光里到底有哪些频率成分了。
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简述光外差检测的原理
光外差检测是一种光学检测方法，利用两束光的干涉来检测样品的光学特性。
其原理基于干涉的原理，即当两束光相互干涉时，它们的振幅和相位会相应地叠加。
光外差检测的原理类似于常见的干涉仪原理，但它在干涉光的辐射和检测上有一定的差异。
首先，光外差检测需要两束光，分别称为“信号光”和“参考光”。
信号光是经过样品后的光线，而参考光是未经过样品的光线。
其次，这两束光线需要经过光学调制器。
光学调制器可以对两束光的幅度和相位进行调节，以实现干涉条件。
光外差检测的步骤如下：
1. 通过光源产生两束光，信号光和参考光。
2. 信号光通过样品，与样品发生相互作用后传播出来。
3. 参考光未经过样品，直接传播出来。
4. 信号光与参考光在光学调制器处重合，通过调节光学调制器的幅度和相位，
使得两束光在某个点或一些点上干涉。
5. 干涉后的光经过一个光探测器进行检测并转换为电信号。
6. 收集和分析电信号，通过计算得到样品的光学特性。
光外差检测的原理可以用以下几个方面解释：
1. 干涉效应：两束光重合后，它们的振幅和相位会发生干涉现象。
具体来说，相位差为0或整数倍的情况下，它们的振幅叠加，而相位差为半波长的情况下，它们的振幅相互抵消，形成干涉极大和干涉极小。
2. 光学调制器：光学调制器可以调节信号光和参考光的幅度和相位。
通过调整光学调制器，可以使得两束光在某个点或一些点上干涉，从而实现对样品的检测。
3. 光探测器：光探测器可以将干涉后的光转换为电信号。
光探测器通常采用光电二极管、光电倍增管或光敏电阻等器件，能够将光信号转换为电信号。
通过以上原理和步骤，光外差检测可以应用在许多领域，例如生物医学、环境监测、材料科学等。
它可以用来监测样品的光学特性，如吸收、反射、透射、色散等，且具有灵敏度高、分辨率好、实时性强等优点。
需要注意的是，光外差检测也存在一些问题和限制。
由于干涉效应的存在，光外差检测对样品的尺寸和形态要求较高，需要与样品表面有一定的接触或临近，对样品形态和尺寸有一定的限制。
另外，相位调制和光学调制器的性能也会影响检测结果的准确性和可靠性。
因此，在进行光外差检测时需要仔细选择合适的检测方案和仪器设备。
总的来说，光外差检测的原理是基于干涉效应的。
通过调节光学调制器使信号光和参考光在某个点或一些点上干涉，通过光探测器将干涉后的光转换为电信号，最终计算得到样品的光学特性。
光外差检测具有许多优点，可以应用于各种领域的光学检测中。