第3章-光电检测技术-第2节课件.ppt
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- 光电 检测 技术 课件
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1、C3 光电检测技术理学院理学院 宋旸宋旸LOGO2 2C3 光电检测技术v3.1 光电直接检测技术 v3.2 光电外差检测技术 v3.3 激光干涉测试技术 v3.4 激光衍射测量技术LOGO3光电外差检测技术 23 光电检测技术LOGO43 光电检测技术v 光接收机可分为:功率接收机和外差接收机外差接收机(空间相干接收机)功率接收机(直接检测接收机或非相干接收机)LOGO53.2 光电外差检测技术v3.2.1 光电外差检测的基本原理 v3.2.2 光电外差检测的基本特性 v3.2.3 光电外差检测的应用条件v3.2.4 光电外差检测的应用举例 LOGO63.2.1 光电外差检测的基本原理单频激
2、光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直流量,直流漂移是影响测量准确度的重要原因,信号处理及细分都比较困难。为了提高光学干涉测量的准确度,七十年代起有人将电通讯的外差技术移植到光干涉测量领域,发展了一种新型的光外差干涉技术。概念:光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差,引起干涉场中干涉条纹的不断扫描,经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号,由电路和计算机检出干涉场的相位差。特点:克服单频干涉仪的漂移问题;细分变得容易;提高了抗干扰性能。LOGO73.2.1 光电外差检测的基本原理 两束入射光:偏振方向相同、传播方向平行、重合后垂直入射到光电探测器上,光波场的合成产
3、生了和频、差频光强信号。当差频信号频率在探测器频率响应区域时形成输出电信号。LOGO8设输入信号光 cossssseEt探测器光敏面上的总光电场 sLeee本振信号光 cosLLLLeEtcoscossssLLLEtEt3.2.1 光电外差检测的基本原理 LOGO92ie2222coscoscoscossssLLLsLsLsLsLLsLsEtEtE EtE Et由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频,它不能跟随光频变化,所以式中含有2的交变项对探测器的输出响应无贡献。干涉场中某点(x,y)处光强以低频随时间呈余弦变化 3.2.1 光电外差检测的基本原理 光电探测器输出光电流LOGO10差频输
4、出电流信号22cos2sLsLsLsLEEiE Et22cos2sLsLsEEE Et3.2.1 光电外差检测的基本原理 LOGO11差频探测本质是一种信号变换,将待测信号变换成一种低频信号,并携带了待测信号的所有信息。sLsLcossLsiE Et用中频放大器滤除直流量,剩下交流量3.2.1 光电外差检测的基本原理 差频信号的振幅、频率和相位将随待测光信号的振幅、频率和相位成比例的变化。光外差探测是全息探测LOGO12零拍光外差检测 当信号频率与本振频率相等时 cossLsLiE E探测器输出电流与待测光波的相位和振幅成比例变换。cossLsiE Et若待测光是振幅(Es)调制,则要求相位锁
5、定0,输出电流为最大;若是相位调制,则要求本振光波相位恒定。3.2.1 光电外差检测的基本原理 LOGO13被探测信号光功率 22ssEP 光外差检测输出功率 2222222sLIFLLsLLE EePi RRPP Rh本振光功率 22LLEP(1)光外差探测增益3.2.2 光电外差检测的基本特性 LOGO14光电直接探测输出功率为 220sLePP Rh光外差对应的增益为 02IFLsPPGPP设本振光信号强度为mW级(0.5mW)光外差探测技术的意义在于检测微弱信号 3.2.2 光电外差检测的基本特性(1)光外差探测增益LOGO15接收器光场输入信号光+噪声本底光+本振光iiiesnr对应
6、的输出信号为 222oooiiiiesnsnsn rr第一项是弱信号;(rsi+ni)第二项是调制外差信号;第三项是高频本振信号(直流项)。(2)光外差探测信噪比3.2.2 光电外差检测的基本特性LOGO16经过滤波去直流,并且考虑到iisnr输出有效信号为 2ooiisnr sn输出信噪比为 oioissnn222oiiiiesnsn rr3.2.2 光电外差检测的基本特性(2)光外差探测信噪比LOGO17与直接探测方法比较 2/12/iioiioiisnsSNRsnnsn对于输入信号为小信噪比的情况,外差检测方法具有明显的优越性。3.2.2 光电外差检测的基本特性(2)光外差探测信噪比LO
7、GO18直接探测时用滤波片滤除背景光 1nm对应的光频带宽度为 220.3cf 二氧化碳激光的10.6微米波长3fGHz(3)光外差探测的滤波特性3.2.2 光电外差检测的基本特性LOGO19光外差产生差频信号转换成电信号,频率远远低于探测光的频率。光外差信号对应的频率宽度为 IFSLffff 10/m sCO2激光多普勒效应测物体运动速率221.89IFLLuuffMHzc3GHz光外差探测技术对背景光有良好的滤波性能。3.2.2 光电外差检测的基本特性(3)光外差探测的滤波特性LOGO20考虑到光电探测器的内部增益,散粒噪声、热噪声,光外差探测器的噪声为 224nsbLdIFLIFLePG
8、 ePPPIf RKT f Rh输出信号有效功率为 222IFsLLePGPP Rh(4)光外差探测的极限灵敏度3.2.2 光电外差检测的基本特性LOGO21功率信噪比为 取本振信号强度充分大 224sbLdIFLeG ePPPIKTf Rh222224sLLIFnsbLdIFLIFLeGPP RPhSNRePG ePPPIf RKT f Rh22LIFLeG ePf Rh3.2.2 光电外差检测的基本特性(4)光外差探测的极限灵敏度LOGO22功率信噪比为 222sLLsIFLIFLeGPP RPhSNRehfG ePf Rh在直接探测系统中,取理想探测器获得探测极限灵敏度;在外差探测中取本
9、振信号充分大可达到探测极限灵敏度。2IFhfhfNEPNEP外差直接极限灵敏度 3.2.2 光电外差检测的基本特性(4)光外差探测的极限灵敏度LOGO23频率条件频率条件:信号光、本振光具有相同的模式,激光器为单频基模。空间条件空间条件:光敏面处信号光、本振光光斑相互重合,提高信噪比。不重合的部分增加噪声。信号光、本振光的能流矢量保持同一方向,两束光发散角相同,波前曲率匹配。3.2.3 光电外差检测的应用条件LOGO24(1)空间条件要求信号光与本振光的波前必须重合要保持信号光和本振光在空间上的角准直3.2.3 光电外差检测的应用条件LOGO25信号光束()ssjtssf tA e本振光束()
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