直接探测与相干探测(华科)

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1、5.45.4直接探测与相干探测直接探测与相干探测1¾光－电信号变换光电光信号电信号探测器EE=+cos(2πvtϕ)00响应平均光功率响应光的频率···直接探测相干探测直接探测和相干探测¾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）探测方法的改进一、直接探测直接探测－－DrirectDetection，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）1.直接探测的基本原理2.直接探测的应用举例1.直接探测的基本原理(1)直接探测基本物理过程：光波：

2、光功率：Eta()=+sin(ωtϕ)Φ(t)∝a2ssssss2平方律器件：I=SΦs(t)∝as人眼和探测器可以响应平均光功率(2)直接探测系统的信噪比1)信噪比定义：22IUPIssRILsSNR=s或SNR=sSNR===IUPiR22i22nnLninun2IRISNR==10lgsL20lgsdB1/22iRi2nL(n)－－电信号功率和电噪声功率之比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标提高系统信噪比的基本途径：－－光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜·····－－－－－《应用

3、光学》－－电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信号检测·······－－－－－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22Pe(/)ηΦhvsdsSNR==dPiiii2222+++ndnSnBnDnT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ienS=Δ2ISfηΦsSNR=－－直接探测的量子极限d2hvfΔηΦsSNRd=－直接探测的量子极限2hvfΔ量子极限的另一种表达是：2hvfΔNEP=d－直接探测的噪声等效功

4、率η例：η为1，Δf为1Hz，～2hν，已很接近单个光子的能量hν。以632.8nm的氦氖激光为例计算光子能量E=J=3.14×10-19J=1.96eV.2.直接探测的应用举例应用于测量：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·········特点：信息加载－－辐通量（光强）几何量（长度、位移····）表面形状参量（工件粗糙

5、度、伤痕···）光学参量（吸收、反射···）电磁量（电流、电场、磁场···）··············辐通量（幅度、频率、相位···）例1.光电磁场测量磁场振动方向旋转角度光通量幅度磁场－－光通量（幅度）例2.光栅莫尔条纹测位移xΔΦΦ=cos(2πt)mPt精度可达±0.1μm/m位移－－光通量（频率）光通量的频率测量光电转速表光栅位移传感器测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：基准精度测量精度基准稳定方法模拟量幅度10-3～10-410-2～10-3稳定电路晶振，频率10-6～10-8

6、10-5～10-7数字锁相环现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！例3.光电测距ϕωω==tD2/c发射光波00接收光波距离－－光通量（相位）二、相干探测与干涉的区别？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）。相干探测：（光学外差探测）装置复杂，零差探测时光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。相干探测－－CoherentDetection－－又称为光外差探测1.相干探测的基本原理2.相干探测的条件3.相干探测的应用举例1.相干探测

7、的基本原理(1)相干探测的物理过程原理框图带通滤波以一般情况为例：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ω（本地）r1)合成的光强得到信号输出Etasss()=+sin(ωtϕs)信号光Etarrr()=+sin(ωtϕr)参考光平方律探测器光混频电流信号为：2I=S⋅E(t)+E(t)hsSr{}22=S⋅a+a+2aacos[(ω−ω)t+(ϕ−ϕ)]srsrsrsr经带通滤波选频I=S⋅2aacos[(ω−ω)

8、t+(ϕ−ϕ)]hsΔωsrsrsr平均光电流为幅值的有效值2aasrI=S⋅=S⋅2aahsΔωsr2参见竺子民，《物理光学》，P119相速度群速度参见梁铨廷，《物理光学》，P6321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22¢参考：双边带调制（DSB）M(ω)tω−ωsrω=H2−ωHωHωtSDSB(ω)ω+ωsrω=ω=c2stωωDSB()HHω−ωsrω=ω=Hmt−ω2ωcωc23探测器－－滤波器（中频输出）I=S⋅2aacos(Δωt+Δϕ)hsΔωs