光电检测技术-Ch07教学提纲.ppt

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1、光电检测技术光电检测技术-Ch07-Ch07 Chapter 7:相干变换与检测方法相干变换与检测方法相干变换与检测方法7.1 相干变换与检测的原理7.2 相干信号的相位调制与检测7.3 相干光外差检测原理2 2 Chapter 7:相干变换与检测方法7.1 相干变换与检测原理光的干涉光的干涉就是利用可能相干的两束和多束光波相就是利用可能相干的两束和多束光波相叠加，它的合成的叠加，它的合成的光强度随着时间或空间有规律光强度随着时间或空间有规律的变化的变化 干涉测量的作用就是光波的干涉测量的作用就是光波的相位关系相位关系或或频率状态频率状态以及它们以及它们随时间变化关系随时间变化关系以以光强度光

2、强度的空间分布或的空间分布或时间变化的形式检测出来时间变化的形式检测出来一、光学干涉和干涉测量3 3 Chapter 7:相干变换与检测方法S1S2P干涉条纹的强度分布干涉条纹的强度分布pp 当频率相同的光相干时，干涉条纹不随时间改当频率相同的光相干时，干涉条纹不随时间改当频率相同的光相干时，干涉条纹不随时间改当频率相同的光相干时，干涉条纹不随时间改变，呈现稳定的空间分布；随着相位差的变化，干变，呈现稳定的空间分布；随着相位差的变化，干变，呈现稳定的空间分布；随着相位差的变化，干变，呈现稳定的空间分布；随着相位差的变化，干涉条纹强度的分布表现为有偏置的正弦分布涉条纹强度的分布表现为有偏置的正弦

3、分布涉条纹强度的分布表现为有偏置的正弦分布涉条纹强度的分布表现为有偏置的正弦分布 pp 当两束光的频率不同，干涉条纹将以当两束光的频率不同，干涉条纹将以当两束光的频率不同，干涉条纹将以当两束光的频率不同，干涉条纹将以 角频角频角频角频率随时间波动，形成率随时间波动，形成率随时间波动，形成率随时间波动，形成外差信号外差信号外差信号外差信号4 4 Chapter 7:相干变换与检测方法干涉与相位延迟和对比度的关系条纹光强的直流分量条纹光强的对比度AI5 5 Chapter 7:相干变换与检测方法二、干涉测量中的调制和解调干涉测量实质上是被测信息对光载波的调制和解干涉测量实质上是被测信息对光载波的调

4、制和解调的过程调的过程调制调制技术根据所调制的光载波的特征参量不同，技术根据所调制的光载波的特征参量不同，可以分为可以分为振幅调制振幅调制、相位调制相位调制、频率调制频率调制、偏振偏振调制调制和和光波长调制光波长调制。解调解调是指能从被调制的光载波中以与是指能从被调制的光载波中以与被测参量成被测参量成正比例的光强度信号正比例的光强度信号或电信号形式检测出被测量。或电信号形式检测出被测量。6 6 Chapter 7:相干变换与检测方法干涉仪的等效框图干涉仪的等效框图载波器解调器参考光路调制器被测参量单色光源测量光路U07 7 Chapter 7:相干变换与检测方法迈克尔逊干涉仪 调制器L rLs

5、激光器光学隔离器光电检测器参考镜测量镜8 8 Chapter 7:相干变换与检测方法相干变换与检测方法相干变换与检测方法7.1 相干变换与检测的原理7.2 相干信号的相位调制与检测7.3 相干光外差检测原理9 9 Chapter 7:相干变换与检测方法7.2 相干信号的相位调制与检测一、相位调制的干涉系统对于均匀介质，光相位的变化为对于均匀介质，光相位的变化为引起光程发生变化的参量有：引起光程发生变化的参量有：几何距离、位移、角度、速度、几何距离、位移、角度、速度、温度引起的热膨胀等温度引起的热膨胀等引起折射率发生变化的参量有：引起折射率发生变化的参量有：介质成分、密度、环境温度、介质成分、密

6、度、环境温度、介质周围电场、磁场等介质周围电场、磁场等当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转变为振幅的变化单频光波相位调制。相位调制的干涉仪有：迈克尔逊干涉仪、吉曼干涉仪、马赫-泽德干涉仪、萨古纳克干涉仪和法布里-珀罗干涉仪1010 Chapter 7:相干变换与检测方法典型光学干涉仪激光器固定镜分束镜2分束镜1测量镜检测器马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪激光器测量镜传感器固定镜d检测器法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪nl输出分束镜有两束干涉光输出；l回馈到激光器的散射光较少；l可移动测量镜引入被测位移。l平面镜之间相对位移；l平面镜内介

7、质折射率1111 Chapter 7:相干变换与检测方法二、干涉条纹的测量方法v 条纹光强检测法条纹光强检测法 在在干干涉涉场场中中确确定定的的位位置置上上用用光光电电元元件件直直接接测测量量干干涉涉条条纹纹的的光光强度变化强度变化激光器光电检测器参考镜测量镜I1I2单频光相干时，合成信号的瞬时光强为用 的平均值 等效该积分值1212 Chapter 7:相干变换与检测方法条纹光强检测法1.光的单色性对相干度的影响2.光源的光束发散角的影响式中，比例因子称为两光束的相干度；越大，光强随相位的变化越明显；=0时，合成光强只有直流成分，与相位无关1313 Chapter 7:相干变换与检测方法光电

8、检测器把光信号转变为电信号。光电信号的质量不仅光电检测器把光信号转变为电信号。光电信号的质量不仅取决于干涉条纹的相干度，而且取决于接收器光阑和条纹取决于干涉条纹的相干度，而且取决于接收器光阑和条纹宽度宽度D D之间的比例关系。之间的比例关系。在任一位置在任一位置x x=x x0 0处，光电检测器的输出处，光电检测器的输出I Is0s0为为光电接收器的接收孔径光阑与条纹宽度的关系光电接收器的接收孔径光阑与条纹宽度的关系x条纹光强检测法lh称作光电转换混频效率；1414 Chapter 7:相干变换与检测方法l 当当l/D0,=1时光电信号交变分量幅度最大时光电信号交变分量幅度最大;l 当当l=D

9、,=0时；光电信号只有直流分量。时；光电信号只有直流分量。为了增大为了增大，可以通过减少，可以通过减少l 值或者加值或者加大条纹宽度大条纹宽度D的方法。的方法。条纹光强检测法1515 Chapter 7:相干变换与检测方法二次相位调制与干涉图分析v 波面相位调制波面相位调制迈克尔逊干涉仪、米勒干涉仪、斐索干涉仪迈克尔逊干涉仪、米勒干涉仪、斐索干涉仪将光束扩束成平面波照射到被测物体上，干涉场是一组二维干涉图；通过对干涉图的分析，可以获得折射率分布和物体变形量。1616 Chapter 7:相干变换与检测方法二次相位调制与干涉图分析v 阶梯波扫描干涉法阶梯波扫描干涉法 使用压电陶瓷驱动装置将参使用

10、压电陶瓷驱动装置将参考光束的相位进行调制考光束的相位进行调制将参考光束的相位进行人为随时间进行调制，使干涉图上各点处的光学相位变换为相应点时序信号的相位。1717 Chapter 7:相干变换与检测方法看成看成r的函数，可以表示直流分量和基波分量的傅里叶级数的函数，可以表示直流分量和基波分量的傅里叶级数形式形式阶梯波扫描干涉法考虑一维情况，干涉面上任意一点考虑一维情况，干涉面上任意一点x的光强可表示为的光强可表示为令r在在2周期内每次改变周期内每次改变1/n周期，共采样周期，共采样p个周期，即个周期，即1818 Chapter 7:相干变换与检测方法阶梯波扫描干涉法令rj对应的干涉强度为对应的

11、干涉强度为则各系数表示为：则各系数表示为：上式是干涉场亮度变化周期函数的最佳拟合，上式是干涉场亮度变化周期函数的最佳拟合，则被测物体表面相位信息为则被测物体表面相位信息为1919 Chapter 7:相干变换与检测方法相干变换与检测方法相干变换与检测方法7.1 相干变换与检测的原理7.2 相干信号的相位调制与检测7.3 相干光外差检测原理2020 Chapter 7:相干变换与检测方法7.3 相干光外差检测原理该方法将包含有被测信息的该方法将包含有被测信息的相干光调制波相干光调制波和作为和作为基准的基准的本机振荡光波本机振荡光波，在满足，在满足波前匹配波前匹配条件下在条件下在光电探测器上进行光

12、电探测器上进行混频混频。探测器输出的是频率为。探测器输出的是频率为两光波光频差的两光波光频差的拍频信号拍频信号该信号包含有该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位调制信号的振幅、频率和相位。通。通过检测拍频信号最终调制出被传送的信号。过检测拍频信号最终调制出被传送的信号。2121 Chapter 7:相干变换与检测方法一、光学外差检测原理设入射信号光波的振幅和参考光波的振幅分别为设入射信号光波的振幅和参考光波的振幅分别为由光电探测器的平方律特性，输出光电流为由光电探测器的平方律特性，输出光电流为2222 Chapter 7:相干变换与检测方法使只有频差信号处于探测器的通频带范围内，则倍使只有频差

13、信号处于探测器的通频带范围内，则倍频信号及和频项不能被光电器件接受频信号及和频项不能被光电器件接受 探测器的输出：探测器的输出：其中其中 为双频光波的相位差，上为双频光波的相位差，上式为式为光学外差信号表达式。光学外差信号表达式。保持本征信号不变的情况下，外差信号的振幅、频保持本征信号不变的情况下，外差信号的振幅、频率和相位可以表征信号光波的特征参量，也就是外率和相位可以表征信号光波的特征参量，也就是外差信号能够差信号能够无畸变复制调制信号的特征。无畸变复制调制信号的特征。混频后的频谱2323 Chapter 7:相干变换与检测方法以调幅信号为例设信号光振幅设信号光振幅a as s受调制信号受

14、调制信号F F(t t)的调制，即的调制，即将其代入到外差信号表达式中，得到将其代入到外差信号表达式中，得到从中可以看到，信号光波振幅上所载荷的调制信号的双边带转换到外差信号上。2424 Chapter 7:相干变换与检测方法零差信号若使本征光频率和信号光频率相同，则零差探若使本征光频率和信号光频率相同，则零差探测的信号表达式如下：测的信号表达式如下：同样，如果调幅信号光，则零差信号同样，如果调幅信号光，则零差信号 表明零差信号也可以无畸变获得信号的原形，只包含了本征光振幅的影响2525 Chapter 7:相干变换与检测方法v 光外差检测的特点探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变探测能力强

15、：光波的振幅、相位及频率的变化都会引起光电探测器的输出，因此外差探化都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不仅能够检测出测不仅能够检测出振幅振幅和和强度强度调制的光波信调制的光波信号，而且可以检测出号，而且可以检测出相位相位和和频率频率调制的光信调制的光信号号转换增益高：外差探测时经过光电接收器输转换增益高：外差探测时经过光电接收器输出的电流幅值为出的电流幅值为2626 Chapter 7:相干变换与检测方法 同样信号光功率下，光外差探测和直接探测得到同样信号光功率下，光外差探测和直接探测得到的信号功率比为的信号功率比为 G G为转换增益为转换增益 相干探测中本征光的功率相干探测中本征光的功率

16、P P0 0远大于接收到的信号光远大于接收到的信号光功率功率P PS S，通常是高几个数量级，因此，通常是高几个数量级，因此G G可高达可高达10107 710108 8数量级。数量级。v 光外差检测的特点2727 Chapter 7:相干变换与检测方法 信噪比高v 光外差检测的特点外差探测可以检测到更小的入射外差探测可以检测到更小的入射功率，有利于弱光信号的检测。功率，有利于弱光信号的检测。2828 Chapter 7:相干变换与检测方法滤波性能好形成外差信号，要求信号光和本征信号形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严空间严格对准格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏，而背景光入射方向是

17、杂乱无章的，偏振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求，振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求，不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤掉背景光。掉背景光。同时通过同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外检测通道的通频带刚好覆盖有用的外差信号的频谱范围差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信，这样杂散光形成的拍频信号也可以被滤掉。号也可以被滤掉。2929 Chapter 7:相干变换与检测方法v 外差检测的条件-相位条件假设信号光和本征光是平面波，两假设信号光和本征光是平面波，两者之间夹角者之间夹角 ；并假定光探测器；并假定光探测器的光敏平面是边长为的

18、光敏平面是边长为d d的正方形，假的正方形，假定本征光垂直入射定本征光垂直入射x 信号光与本征光波前有一失配信号光与本征光波前有一失配角角 ，信号为信号为d d3030 Chapter 7:相干变换与检测方法入射到光混频器表面的总光场为入射到光混频器表面的总光场为则光混频器输出的瞬时光电流为则光混频器输出的瞬时光电流为其中其中3131 Chapter 7:相干变换与检测方法实际中失配角很难调整到零，为了尽可能大的中频实际中失配角很难调整到零，为了尽可能大的中频输出，希望因子输出，希望因子 尽可能接近于尽可能接近于1 1，为了满足这一条件为了满足这一条件 pp即即失失配配角角 与与信信号号光光波

19、波长长 s s成成正正比比，与光混频器的尺寸与光混频器的尺寸d d成反比成反比pp波波长长越越长长，光光电电探探测测器器的的尺尺寸寸越越小小，则则容容许许的的失失配配角角就就越越大大；波波长越短，空间准直要求也越苛刻长越短，空间准直要求也越苛刻瞬时中频电流达到最大值瞬时中频电流达到最大值3232 Chapter 7:相干变换与检测方法v 外差检测的频率条件两者具有高度的单色性和频率稳定度两者具有高度的单色性和频率稳定度如果信号光和本征光的频率相对漂移很大，两者如果信号光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差就可能大大超过中频滤波器的带宽频率之差就可能大大超过中频滤波器的带宽通常两束光取自同一

20、激光器，通过频率偏移取得通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得本征光，信号光通过调制得到本征光，信号光通过调制得到3333 Chapter 7:相干变换与检测方法v 光外差探测的偏振条件要求信号光与本征光的偏振方向一致，这样两束光才能按照光束叠加规律进行合成通常光电器件前放置偏振片3434 Chapter 7:相干变换与检测方法二、外差法的调频方法为了形成外差检测的光频差，采用频率调制方法运动参量调频运动参量调频固定频移固定频移直接调频法直接调频法3535 Chapter 7:相干变换与检测方法1.运动参量的频率调制利用多普勒效应利用多普勒效应-运运动物体能改变入射到其动物体能改变入射到其

21、上的光波的上的光波的频率频率，即频，即频率为率为f f0 0的单色光入射到速的单色光入射到速度为度为v v的运动物体上，被的运动物体上，被物体散射的光波频率物体散射的光波频率f fs s会会产生多普勒频移，它散产生多普勒频移，它散射的方向有关。射的方向有关。r r0 0 f f0 0v vr rs s f fs s对对运运动动参参量量进进行行检检测测时时，被被测测运运动动参参量量直直接接对对参参考考光光波波的的频频率率进进行行调调制制，形形成成与与参参考考光光有有一一定定频频差差的的信信号号光光，这这种种频频率率调调制制方方法法称称为参量调频法。为参量调频法。3636 Chapter 7:相干

22、变换与检测方法多普勒频率调制方式参考光束方式参考光束方式检测器v v激光器MM2 2MM1 1MM3 3L L经过反射镜M2的光束作为参考光束；透过半反射镜M1的光束被颗粒散射3737 Chapter 7:相干变换与检测方法多普勒频率调制方式对称互差方式对称互差方式v v激光器MM1 1MM2 2L L2 2L L0 0L L1 1探测器两束对称的散射光载荷两个对称方向的多普勒频移信号，在光电探测器形成外差信号。3838 Chapter 7:相干变换与检测方法2.固定频移的频率调制v使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的频率偏移塞曼效应塞曼效应旋转波片激光频移旋转波片激光频移采用声光效应激

23、光频移采用声光效应激光频移声波声波2ss3939 Chapter 7:相干变换与检测方法3.直接光频调制v半导体激光器的直接频率调制半导体激光器的直接频率调制 半导体激光器半导体激光器LDLD具有良好的工作特性，当注具有良好的工作特性，当注入电流改变时，激光器的振荡频率能直接变化入电流改变时，激光器的振荡频率能直接变化利用可进行频率调制的激光器产生随时间变利用可进行频率调制的激光器产生随时间变化的调频参考光束的频率调制方法化的调频参考光束的频率调制方法4040 Chapter 7:相干变换与检测方法调制器L rLs激光器光学隔离器光电检测器参考镜测量镜基于迈克尔逊干涉仪的直接频率光干涉测量41

24、41 Chapter 7:相干变换与检测方法光程差为光程差为 ，则两束光波的相位差为，则两束光波的相位差为注入电流改变注入电流改变 ，光频改变为，光频改变为 ，则，则两相干光的附加相位偏移为两相干光的附加相位偏移为光电探测器输出的光电流为光电探测器输出的光电流为干涉信号的强度会随时间改变干涉信号的强度会随时间改变4242 Chapter 7:相干变换与检测方法三、外差信号的检测光载波光调制外差检测测频测相调频外差信号检测示意图4343 Chapter 7:相干变换与检测方法（一）零差检测多普勒信号接收4444 Chapter 7:相干变换与检测方法（一）零差检测设进入VD1的两束垂直偏振光 进

25、入VD2的两束平行偏振光则光电探测器上混频得到外差信号差分输出4545 Chapter 7:相干变换与检测方法双频激光干涉仪M3激光器光学隔离器光电检测器2参考镜测量镜M4M2M1F1F2光电检测器1（二）双频干涉4646 Chapter 7:相干变换与检测方法（三）直接光频率调制的外差检测 在在激激光光器器中中注注入入方方波波对对激激光光器器进进行行调调制制，使使得得产产生生的的附附加加相相位位周周期期性性变为变为0 0或或/2/2。系统可以检测反射镜的系统可以检测反射镜的振动和位移。振动和位移。对于对于1 1kHzkHz的振动，相位的振动，相位检测灵敏度为检测灵敏度为510510-5 5r

26、ad/Hzrad/Hz激光器固定镜分束镜2分束镜1探测器1探测器2双频切换干涉法信号解调示意图马赫马赫-泽德尔干涉仪泽德尔干涉仪4747 Chapter 7:相干变换与检测方法小结相干检测的光学基础相干检测的光学基础光的干涉光的干涉干涉仪干涉仪是形成干涉现象的光学装置，它能够在直接测量的是形成干涉现象的光学装置，它能够在直接测量的光强度上光强度上“描绘描绘”出相位信息。出相位信息。vv 迈克尔逊干涉仪、马赫迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、法布里泽德干涉仪、法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪相干光外差检测相干光外差检测将调制信号从高频光载波转移到差频将调制信号从高频光载波转移到差频信号上信号上光频差光频差获取的方法获取的方法：运动参量调频、固定频移、直接光频：运动参量调频、固定频移、直接光频调制调制外差信号外差信号检测方法检测方法：双频干涉法、双频切换干涉法、零差：双频干涉法、双频切换干涉法、零差检测检测4848结束结束