光外差检测条件1课件.pptVIP

第五章 相干探测方法;;直接探测系统（复习）;若光探测器的负载电阻为RL，则光探测器输出的电功率为：;2、直接探测系统的信噪比 众所周知，任何系统都需一个重要指标——信噪比来衡量其质量的好坏，其灵敏度的高低与此密切相关。;讨论： （1）若Ps/PN 1，则 ;3、直接探测系统的探测极限及趋近方法 如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：;（2）当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的信噪比为;（4）当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受信号噪声限制，这时的信噪比为;如果使系统趋近量子极限则意味着信噪比的改善，可行的方法就是在光电探测过程中利用光电探测器的内增益获得光电倍增。 举例：对于光电倍增管，由于倍增因子M的存在，信号功率 增加M2的同时，散粒噪声功率也倍增M2倍，信噪比变为：;;第五章 相干探测方法;5.1相干探测的原理;两个光电场的标量分别为;写成等式并展开，则有;在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为;调幅光波表示为;当调幅信号光与平面本振光相干后，其瞬时中频电流为;相干探测的特点;2. 可获得全部信息 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化不响应。在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅 、频率 和相位 都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。 3. 良好的滤波性能 在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求，于是就不能得到输出。;4. 有利于微弱光信号的探测 在直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均光功率，在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光和本振光平均光功率的乘积。 5.1.2光外差探测SNR和NEP 假定光混频器具有内部增益G，光混频器的中频输出功率为;中频滤波器输出端的信号噪声（功率）比为;对于热噪声为主要噪声源的系统来说，要实现量子噪声限探测，必须满足;二、一般情况下的信号信噪比 The conditions of optical heterodyne detection 空间相位的调准与匹配（空间条件） The adjustment and matching of spatial phase (spatial conditions) 1、要求： 由对外差检测混频效率公式 的讨论可知: 仅当信号光场和本振光场在探测器灵敏面各点处均具有相 同的偏振方向、可比的振幅和相同的位相时，才有最佳混频效 率，此状态称为实现了空间相位匹配。 ;相干探测的的空间条件和频率条件;图8-58 相干探测的空间关系;由于信号光与本振光波前有一失配角 ，所以信号光斜入射到光混频器表面，在光混频器接收面上沿x方向各点的相位是不同的，可将信号光电场写为;于是光混频器输出的瞬时光电流为;由于 ，所以瞬时中频电流的大小与失配角?有关。 显然 时瞬时中频电流达到最大值，此时要求 亦即要求失配角 。即要求失配角 ， 由于实际原因， ?角很难调整到零，为了得到尽可能大的中频输出，总是希望因子 尽可能接近于1，要满足这一条件，只有;2、相干探测的频率条件 为了获得高灵敏度的相干探测，还要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。从物理光学的观点来看，相干探测是两束光波叠加后产生干涉的结果。显然，这种干涉取决于信号光束和本振光束的单色性。所谓光的单色性是指这种光只包含一种频率或光谱线极窄的光。激光的重要特点之一就是具有高度的单色性。 信号光和本振光的频率漂移如不能限制在一定范围内，则相干探测系统的性能就会变坏。这是因为，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，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加以放大。所以，在光相干探测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率，这也是使相干探测方法比直接探测方法更为复杂的一个原因。;;;