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光外差探测技术及其应用 摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高数量级。相干探测与直接探测相比，其测量精度高数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。 关键字： 光外差探测、光子计数、量子噪声限、激光测距、多普勒测速 引言 光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限，其NEP值可达W。可以检测单个光子，进行光子计数。 在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外差检测技术并不特别有用。相反，由于直接检测不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测更为可取。在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。因此，用一般的直接检测方法无法实现接近量子噪声限的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。 原理 光外差检测是有别于直接检测的另一种检测技术。光外差检测原理方框图示于图1－1。图中，为信号光波，为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑入射到检测器表面进行混频，形成相干光场。经检测器变换后，输出信号中包含＝－的差频信号，故又称相干检测。 信号光束 ＋ 探测器 本 振 放大器 光 束 图1－1. 外差检测原理示意图 激光器 分光镜 光电检测器 放大器 输出 转镜 线栅偏振器 － 可变光阑 反射镜 图1－2 外差检测实验装置 图1－2是外差检测的实验装置，光源是经过稳频的激光器。由分束镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为；另一路经过偏心轮反射，并由透镜聚焦到可变光阑上作为信号光束。偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移，其频率为。可变光阑用来限制两光束射向光电检测器的空间方向。线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 下面用经典理论来分析两光束外差后的结果。设入射到检测器上的信号光场为 ： 本机振荡光场为： 那么，入射到检测器上 的总光场为： 由于光检测器的响应