光电检测技术第八章讲义.pptVIP

掌握内容 相干检测系统 理解内容 形成各光电检测系统的方法 了解内容 各光电系统的运用; §8.1 相干检测的基本原理 §8.2 基本干涉系统及应用 §8.3 同频率相干信号的相位调制与检测方法 §8.4 光外差检测方法与系统 ; 相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息信号进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相位所携带的信息。但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探测光的强度。因此，光的这些特征参量最终都须转换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过干涉测量技术。 ;一、相干检测的基本原理 （一）光学干涉和干涉测量 光干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。 干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的形式检测出来。 ; 以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动 E1(x,y)和E2(x,y)分别为： 两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x,y)可表示为： 式中， 是条纹光强的直流分量； 是条纹的对比度； 是光频差； 相位差。 ;当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有 即 ，此时 当两束光的频率不同，干涉条纹将以 的角频率随时间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大( 较小)的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号，并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本本身的特征参量，形成外差检测技术。 ; 实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率n对光的传播距离ds的线积分，即 对于均匀介质，上式可简化为： 对上式中的变量L和n作全微分可得到相位变化量 ;（二）干涉测量技术中的调制和解调 ;8.2 基本干涉系统及应用 1、典型的双光束干涉系统;2、多光束干涉系统 ;3、光纤干涉仪 ; 当两束相干光束的频率相同时，若被测量变化使相干光波的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称为单频光波的相位调制。 ;一 相位调制与检测的原理 ;二 干涉条纹的检测方法 在相位调制检测系统中，被测参量一般是通过改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的位相调制，由干涉仪解调出来的信息是一幅干涉图样，它以干涉条纹的变化反映被测参量的信息。干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。干涉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有关，因此根据干涉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统象差、光学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和物理量的测量。因此，如何检测干涉条纹就变得十分有意义。干涉条纹检测实际是检测干涉条纹的光强度分布或其随时间的变化。基本的条纹检测法包括条纹光强检测法、条纹比较法和条纹跟踪法。; 1、? 干涉条纹光强检测法 在干涉场中确定的位置上用光电元件直接检测干涉条纹的光强变化称为条纹光强检测法。下图给出了一维干涉测长的实例。为了获得最佳的光电信号，要求有最大的交变信号幅值和信噪比，这需要光学装置和光电检测器确保最佳工作条件，尽可能地提高两束光的相干度和光电转换的混频效率。 ? ; ;2、干涉条纹比较法 如下图所示的干涉仪中，如果采用两束不同频率的相干光源，各自独立地组成干涉光路，使其中一束光频为已知，另一束是未知的，则对应共用测量反射镜的同一位移，两束光各自形成干涉条纹。经光电检测后形成两组独立的电信号，通过电信号频率的比较可以计算出未知光波的波长。这种对应同一位移，比较不同波长的两个光束干涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹比较法。从这种原理出发，设计出了许多精确测量波长的波长计。 ;条纹比较法波长测量原理图 1－半透半反镜 2，3－圆锥角反射镜 ;3、干涉条纹