直接探測(cè)和相干探測(cè)

1、課程主要內(nèi)容四大部分：,理論基礎(chǔ),光電信號(hào)變換與處理,光輻射源光電探測(cè)器,光電系統(tǒng)分析設(shè)計(jì),主波,回波,光學(xué)信號(hào)變換,光－電信號(hào)變換,激光脈沖測(cè)距原理示意圖,電學(xué)信號(hào)變換,光電信號(hào)變換與處理,光學(xué)信號(hào)變換,光電信號(hào)變換與處理,光－電信號(hào)變換,電學(xué)信號(hào)變換,,,,,,教材第八章,教材第九章,教材第十章,人眼和探測(cè)器可以響應(yīng)平均光功率,平方律器件,光－電信號(hào)變換,光電探測(cè)器,,,光信號(hào),電信號(hào),光－電信號(hào)變換,光電探測(cè)器,,,

2、光信號(hào),電信號(hào),光的頻率：1014～1015Hz,探測(cè)器響應(yīng)頻率<1010Hz,,光－電信號(hào)變換,光電探測(cè)器,,,光信號(hào),電信號(hào),響應(yīng)平均光功率,直接探測(cè),響應(yīng)光的頻率 ···,相干探測(cè),,,光－電信號(hào)變換,光電探測(cè)器,,,光信號(hào),電信號(hào),入射光與探測(cè)器相互作用的物理過(guò)程,第09章 直接探測(cè)和相干探測(cè),直接探測(cè) （平均光功率）,相干探測(cè) （光的波動(dòng)參數(shù)）,探測(cè)方法的改進(jìn),光－電信號(hào)變換,9.1

3、直接探測(cè),9.1.1直接探測(cè)的基本原理,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,－－Drirect Detection ，又稱為非相干探測(cè),裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測(cè)平均光功率（光強(qiáng)）,9.1.2* 直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離,,1.直接探測(cè)基本物理過(guò)程：,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,,光 波：,光功率：,,,,,,1.直接探測(cè)基本物理過(guò)程：,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,平方律器件：,,光波：,光功率：,,,,,,,1

4、.直接探測(cè)基本物理過(guò)程：,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,平方律器件：,,光波：,,,,,,光場(chǎng)包絡(luò)的頻率<1010Hz,光場(chǎng)的頻率1014～1015Hz,,,1.直接探測(cè)基本物理過(guò)程：,－－光電探測(cè)器響應(yīng)光場(chǎng)包絡(luò),平方律器件：,,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,,,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,設(shè)光柵的柵距P＝40μm相對(duì)移動(dòng)的速度V =1cm/s半導(dǎo)體激光器,波長(zhǎng)λ =890nm,Hz。,例1 比較光場(chǎng)頻率和光強(qiáng)度信號(hào)的變

5、化頻率,,光強(qiáng)度信號(hào)的變化頻率f = ？,光場(chǎng)頻率 v =?,,,,,,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,1)信噪比定義：,,,－－電信號(hào)功率和電噪聲功率之比,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,,,,,,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,,,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,1) 信噪比定義：,電流（電壓）信噪比：,功率信噪比：,,,,,,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,,,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,模擬信號(hào)系統(tǒng)：3～5， 精度高時(shí)10～100,信噪比是衡量光

6、電探測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo),數(shù)字脈沖系統(tǒng)：例如，光通信誤碼率<10-9 要求信噪比～20dB,,,,,,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,,,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：,－－光學(xué)方法，如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡·····

7、 －－ －－－《應(yīng)用光學(xué)》,－－電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大、弱信 號(hào)檢測(cè)·······－－－第十章,－－熱力學(xué)方法，制冷降低探測(cè)器噪聲,,,,,,,,9.1.1直接探測(cè)的基本原理,,－－光學(xué)方法，如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡··,例：紅外探測(cè)系統(tǒng),,,,,信號(hào)光電流、

8、背景光電流和器件暗電流,熱噪聲,散粒噪聲,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,2) 直接探測(cè)的信噪比極限：,以光電二極管為例,,,,,最理想情況，只有信號(hào)光電流引起的散粒噪聲（忽略嗎？）,－－直接探測(cè)的量子極限,,2) 直接探測(cè)的信噪比極限：,,,,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,,,,,－直接探測(cè)的量子極限,量子極限的另一種表達(dá)是：,－直接探測(cè)的噪聲等效功率,例：η為1，Δf為1Hz，～2hν，已很接近單個(gè)光子的能量hν。 實(shí)際上，幾乎不可能？？？,

9、2)直接探測(cè)的信噪比極限：,,,,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,,,,,物理學(xué)中“量子”的定義：,－－直接探測(cè)噪聲等效功率,例：η為1，Δf 為 1Hz， 可探測(cè) ～2hv,,頻率為v的電磁波的能量是一份一份的，一份最小的能量hv稱為量子。,量子極限：,2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,9.1 直接探測(cè),9.1.1直接探測(cè)的基本原理,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,－－Drirect Detection ，又稱為非相干探測(cè),裝置簡(jiǎn)單，光源為相干

10、光源或非相干光源，只能探測(cè)平均光功率（光強(qiáng)）,9.1.2* 直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離,9.1.2* 直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離,視場(chǎng),,Ωd＝Ad / f 2,光電探測(cè)器的視場(chǎng)角:,光電探測(cè)器,,9.1.2* 直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離,作用距離：,,,主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)框圖,被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)框圖,,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,激光制導(dǎo)、飛行物自動(dòng)跟蹤激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺(jué)·····&

11、#183;···,幾何量（長(zhǎng)度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學(xué)參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)···）··········

12、3;···,應(yīng)用于測(cè)量：,應(yīng)用于控制：,特點(diǎn)：信息加載－－輻通量（光強(qiáng)）,幾何量（長(zhǎng)度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學(xué)參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)···）······

13、········,輻通量（幅度、頻率、相位···）,,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,例1. 光電磁場(chǎng)測(cè)量,,磁場(chǎng)－－光通量（幅度）,磁場(chǎng),振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)角度,光通量幅度,,,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,例2. 光柵莫爾條紋測(cè)位移,t,精度已可達(dá)±0.1μm/m,位移－－光通量（頻率）,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,光通

14、量的頻率測(cè)量,,,,光電轉(zhuǎn)速表,光柵位移傳感器,,,,,,測(cè)“幅度”與“頻率”方法，測(cè)量精度的比較：,現(xiàn)代光電測(cè)量中常優(yōu)先考慮采用頻率測(cè)量法！,例3. 光電測(cè)距,－－光電光波測(cè)距,發(fā)射光波,接收光波,距離－－光通量（相位）,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,,,1-線紋 2-光學(xué)系統(tǒng) 3-狹縫 4-光電探測(cè)器,x,,Φ,幾何形位信息,載波光通量,,像分析器（G/O變換器）,光,9.1.3直接探測(cè)

15、的應(yīng)用舉例,,,,Φ,x,,,,,Φ-x關(guān)系曲線稱為定位特性。已知該特性時(shí)，可以由光電探測(cè)方法求的幾何形位信息。,幾何形位信息,載波光通量,,像分析器（G/O變換器）,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,,,Φ,x,,,,,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,定位特性:,怎樣出現(xiàn)這樣的定位特性？,,,,定位特性:,幾何形位信息,載波光通量,像分析器（G/O變換器）,,例4. 像分

16、析器與目標(biāo)的空間定位,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,,,Φ-x定位特性的局限性,1. 零點(diǎn)誤差,2. 非線性誤差,3. 不能判斷偏移方向,實(shí)線－－理想虛線－－實(shí)際,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,,,Φ-x定位特性的局限性,1) 單通道像分析器,2) 掃描調(diào)制式像分析器,3) 差動(dòng)式像分析器,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,,,2)

17、 掃描調(diào)制式像分析器,,,,x = 0,F = 0,,,x,,,,,Φ,,,,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,,,2) 掃描調(diào)制式像分析器,,,x,,,,,Φ,,像振動(dòng),,x = 0,,,,,,,,,,,,,,,,,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,,,2) 掃描調(diào)制式像分析器,,,x,,,,,Φ,,像振動(dòng),,x > 0,,,,,,,,,,,,,,,,,Φ(t),t,,,,,,,,,,例4. 像分析器與目標(biāo)的空間定位,,2) 掃

18、描調(diào)制式像分析器,,,x,,,,,Φ,,像振動(dòng),,x < 0,,,,,,,,,,,,,,,,,Φ(t),t,,,,,,,,2) 掃描調(diào)制式像分析器,,狹縫中心線,0,x,,x=0,x>0,x<0,如何求解x ？ 相敏檢波器,,習(xí)題9-6 討論,,如圖是一個(gè)測(cè)量低速轉(zhuǎn)軸表面跳動(dòng)的光電檢測(cè)裝置示意圖。試畫(huà)出圖中振動(dòng)針孔調(diào)制器的工作特性，說(shuō)明該檢查裝置的工作原理。,,,,工作原理：,,,Uc,Ui,ω,Φ,,Uo,,

19、,,,R,轉(zhuǎn)速Ω,,+ ΔR,,,-ΔR,,,,,+ ΔR´,-ΔR´,,,1.振動(dòng)針孔調(diào)制器的工作特性 （定位特性）,,,ΔR＝0,振動(dòng)針孔,,1.振動(dòng)針孔調(diào)制器的工作特性 （定位特性）,,,ΔR＝0,振動(dòng)針孔,1.振動(dòng)針孔調(diào)制器的工作特性 （定位特性）,,,ΔR>0,振動(dòng)針孔,,,1.振動(dòng)針孔調(diào)制器的工作特

20、性 （定位特性）,,,ΔR>0,振動(dòng)針孔,,1.振動(dòng)針孔調(diào)制器的工作特性 （定位特性）,,,ΔR<0,振動(dòng)針孔,,,1.振動(dòng)針孔調(diào)制器的工作特性 （定位特性）,,,ΔR<0,振動(dòng)針孔,,2.轉(zhuǎn)軸表面跳動(dòng)時(shí)針孔 光通量的波形圖：,,,,Φ,ΔR,,,,,,,Uc,t,,,,,,,Φ,t,,,,,,,t,,,,Φ,,

21、,,,,,,,,t,,,,Φ,,,,,①ΔR=0 零頻、2ω、4 ω、,②ΔR<0 零頻、ω（反相）、2 ω、,③ΔR>0 零頻、ω（同相）、2 ω、,ω,3.鑒相器輸出U0,,①ΔR=0 零頻、2ω、4 ω、 U0= 0,②ΔR<0 零頻、ω（反相）、2 ω、 U0 < 0,③ΔR>0 零頻、ω（同相）、2 ω、

22、 Uo > 0,4.鑒相器輸出波形,,,,,Uo,t,0,,,Uo,t,0,,,,,,,,,,,,,,T,T=2π/Ω,,,Uo,t,0,,,,,,,,,,,,,,T,T=2π/Ω,①ΔR=0,②ΔR<0,③ΔR>0,第九章 直接探測(cè)和相干探測(cè),直接探測(cè) （平均光功率）,相干探測(cè) （光的波動(dòng)參數(shù)）,探測(cè)方法的改進(jìn),光－電信號(hào)變換,第09章 直接探測(cè)和相干探測(cè),直接探測(cè)：（非相干探測(cè)）,相干探測(cè)： （光

23、學(xué)外差探測(cè)）,裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測(cè)光功率（光強(qiáng)）。,裝置復(fù)雜，光源必須為相干光源，間接探測(cè)光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。,9.2 相干探測(cè),9.2.1 相干探測(cè)的基本原理,9.2.2 相干探測(cè)的條件,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,－－Coherent Detection,－－又稱為光外差探測(cè),1. 相干探測(cè)的物理過(guò)程,原理框圖,信號(hào)光ωs （本地、異地）參考光ωr,雙頻光波：,9.2.1 相干探測(cè)的基本

24、原理,,1. 相干探測(cè)的物理過(guò)程,原理框圖,9.2.1 相干探測(cè)的基本原理,,波前匹配條件：,空間條件頻率條件偏振條件,1. 相干探測(cè)的物理過(guò)程,原理框圖,9.2.1 相干探測(cè)的基本原理,,采用平方律探測(cè)器：（只響應(yīng)平均功率）高靈敏度、高頻響應(yīng)、量子效率?PMT，PIN-PD，A_PD,光學(xué)混頻器：,1.相干探測(cè)的物理過(guò)程,1)相干探測(cè)的輸出信號(hào),,,,,,,信號(hào)光,參考光,,,,,和 角,差 角,積,,,,1.相干探測(cè)的物理過(guò)

25、程,1)相干探測(cè)的輸出信號(hào),,,,信號(hào)光,參考光,,,,,平方律探測(cè)器光混頻輸出Ihs為：,,,,,,1014～1015Hz,<1010Hz,1.相干探測(cè)的物理過(guò)程,1)相干探測(cè)的輸出信號(hào),,,探測(cè)器、放大器－－濾波器（中頻輸出）,,,,,1.相干探測(cè)的物理過(guò)程,1)相干探測(cè)的輸出信號(hào),,,探測(cè)器、放大器－－濾波器（中頻輸出）,,,,,相干探測(cè)拍頻信號(hào)輸出 （虛擬波形演示）,,,相干探測(cè)拍頻信號(hào)輸出 （虛擬波形演示）,,,相干探測(cè)

26、拍頻信號(hào)輸出 （虛擬波形演示）,啟動(dòng)虛擬儀器LabVIEW8.6仿真信號(hào),,,相干探測(cè)拍頻信號(hào)輸出 （虛擬波形演示）,啟動(dòng)虛擬儀器LabVIEW8.6仿真信號(hào),1.相干探測(cè)的物理過(guò)程,1)相干探測(cè)的輸出信號(hào),,,探測(cè)器、放大器－－濾波器（中頻輸出）,,,,,相干探測(cè)拍頻信號(hào)輸出,虛擬波形動(dòng)態(tài)演示,,,,,,,信 息,1. 相干探測(cè)的物理過(guò)程,1)相干探測(cè)的輸出信號(hào),,特例：?jiǎn)晤l雙光束干涉（頻差為0）,,,,討論：相干探測(cè)的實(shí)質(zhì),,1

27、.平方律探測(cè)器,2.頻率搬移,1014～1015Hz,<1010Hz,,－－光學(xué)混頻器,1. 相干探測(cè)的物理過(guò)程,光電系統(tǒng)－－相干探測(cè),,,,混頻器,選通放大器,觀察儀器,高頻示波器,頻譜分析儀,外差接收,△v，104～1010Hz,,,νs,νr,,,,,,,,,,無(wú)線電－－外差接收,高頻載波,本機(jī)振蕩,混頻,中頻信號(hào),解調(diào),音頻圖像信息,,,,,,,,,,,,－－光外差探測(cè),,,,1. 相干探測(cè)的物理過(guò)程,2)調(diào)制信號(hào)的探

28、測(cè),,,,,,,相干探測(cè)_拍頻信號(hào)的調(diào)制,2. 相干探測(cè)的基本特性,9.2.1 相干探測(cè)的基本原理,,相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：（與直接探測(cè)對(duì)比）,探測(cè)能力強(qiáng),轉(zhuǎn)換增益高,信噪比高,濾波性好,穩(wěn)定性和可靠性高,相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：,探測(cè)能力強(qiáng),直接探測(cè)－－光的強(qiáng)度：as2,振幅,相位,頻率,,,,2. 相干探測(cè)的基本特性,光波的,相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：,轉(zhuǎn)換增益高,Φr>>Φs G~107－108,外差探測(cè),直接探測(cè),,,,,2. 相

29、干探測(cè)的基本特性,相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：,信噪比高,相干探測(cè)：,直接探測(cè)：,僅考慮信號(hào)光引起的散粒噪聲限制,相干探測(cè)信噪比高？？？ P217,2. 相干探測(cè)的基本特性,,,,,信號(hào)光電流、背景光電流和器件暗電流,熱噪聲,散粒噪聲,僅考慮信號(hào)光電流引起的散粒噪聲：,直接探測(cè)的信噪比：,,2. 相干探測(cè)的基本特性,外差探測(cè)：,直接探測(cè)：,僅考慮信號(hào)光引起的散粒噪聲限制，即,外差探測(cè)與直接探測(cè)更容易滿足條件,相干探測(cè)信噪比高？？？,2. 相

30、干探測(cè)的基本特性,相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：（與直接探測(cè)對(duì)比）,探測(cè)能力強(qiáng),轉(zhuǎn)換增益高,信噪比高,濾波性好（空間濾波和光譜濾波）,穩(wěn)定性和可靠性高,9.2.2 相干探測(cè)的條件,1．相干探測(cè)空間條件,2．相干探測(cè)頻率條件,3．相干探測(cè)偏振條件,滿足波前匹配條件：,1．相干探測(cè)空間條件,－－信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直,失配角：,9.2.2 相干探測(cè)的條件,例：光電探測(cè)器的尺寸d為lmm，當(dāng)λs＝0.63μm時(shí),,1．相干探測(cè)空間條件,為什么需要角準(zhǔn)

31、直？,探測(cè)器接收面上沿x方向各點(diǎn)的相位差不同：,,9.2.2 相干探測(cè)的條件,為什么需要角準(zhǔn)直？,探測(cè)器接收面上沿x方向各點(diǎn)的相位不同,,信號(hào)光和本振光的波前在光混頻器表面上沒(méi)有相同的位相關(guān)系,導(dǎo)致混頻輸出電流信號(hào)減小,,,為什么需要角準(zhǔn)直？,探測(cè)器表面各點(diǎn)相位相同時(shí)：,探測(cè)器表面各點(diǎn)相位不同時(shí)：,輸出信號(hào)－－最大值,輸出信號(hào)－－減小,,,1．相干探測(cè)空間條件,－－信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直：,例：d=1mm，λs＝0.6328

32、μm,失配角：,可以證明：,9.2.2 相干探測(cè)的條件,1．相干探測(cè)空間條件,－－信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直：,例：d=1mm，λs＝0.6328μm,失配角：,可以證明：,空間準(zhǔn)直： －－條件苛刻 －－空間濾波,9.2.2 相干探測(cè)的條件,,2．相干探測(cè)頻率條件,混頻器,選通放大器,觀察儀器,高頻示波器,頻譜分析儀,外差接收,△v，104～1010Hz,,,,,,,,,,,,信號(hào)光和本振光的頻率漂移？？

33、？,,采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源,兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光,專門(mén)措施：,9.2.2相干探測(cè)的條件,3．相干探測(cè)偏振條件,平方律探測(cè)器光混頻輸出Ihs為：,,,“代數(shù)和” ？,,信號(hào)光與本振光的偏振方向一致,加檢偏器－－獲得偏振方向一致,,9.2.2相干探測(cè)的條件,9.2.2 相干探測(cè)的條件,1．相干探測(cè)空間條件,2．相干探測(cè)頻率條件,3．相干探測(cè)偏振條件,P214 滿足波前匹配條件：,,相干探測(cè)與直接探測(cè)相比？？,

34、9.2 相干探測(cè),9.2.1 相干探測(cè)的基本原理,9.2.2 相干探測(cè)的條件,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,－－Coherent Detection,－－又稱為光外差探測(cè),9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,,,,－－相位調(diào)制,－－頻率調(diào)制,干涉測(cè)量,相干通信,精密測(cè)長(zhǎng)、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)振動(dòng)、測(cè)力、測(cè)應(yīng)變、光譜分析，··· ···,外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、光纖通中波分復(fù)用

35、 接收解調(diào)，··· ···,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,2.激光多普勒測(cè)速,3.CO2激光外差通信,1.激光干涉測(cè)量,,,,1.激光干涉測(cè)量,1)單頻激光測(cè)長(zhǎng),,信號(hào)光,參考光,單頻,,,,,,1) 單頻激光測(cè)長(zhǎng),,信號(hào)光,參考光,單頻,,,,位移l,,1.激光干涉測(cè)量,1) 單頻激光測(cè)長(zhǎng),,例：取n=1, 測(cè)量鏡位移時(shí)觀察到探測(cè)器的輸出為：,,,l = ?,1.激

36、光干涉測(cè)量,1) 單頻激光測(cè)長(zhǎng),,信號(hào)光,參考光,,,,位移l,,局限性：－－ 不能判別移動(dòng)方向,,1.激光干涉測(cè)量,1)單頻激光測(cè)長(zhǎng),,光電探測(cè)器4,5相位差為π/2,參考光,信號(hào)光,判別移動(dòng)方向：－－“參照物”,,1.激光干涉測(cè)量,1)單頻激光測(cè)長(zhǎng),,判別移動(dòng)方向：－－“參照物”,,1.激光干涉測(cè)量,正反移動(dòng)方向波形,1) 單頻激光測(cè)長(zhǎng),,信號(hào)光,參考光,,,,缺點(diǎn)：空氣的折射率n與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度、 濕度

37、 及氣壓等因素有關(guān)，影響測(cè)量精度,,2. 雙頻激光測(cè)長(zhǎng),1.激光干涉測(cè)量,2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng),,,,,雙頻激光干涉儀,－雙頻激光,－檢偏器,－濾波片,－信號(hào)光,－參考光,1.激光干涉測(cè)量,2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng),,,,雙頻激光干涉儀,光學(xué)差頻信號(hào),1.激光干涉測(cè)量,2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng),,,,,,,光學(xué)差頻信號(hào):,積分器波數(shù):,位移測(cè)量公式：,－－位移與空氣的折射率n無(wú)關(guān)！??！,1.激光干涉測(cè)量,2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng),,,,雙頻激光干涉儀

38、,頻差為1～50MHz，激光穩(wěn)頻精度為10－8時(shí)，測(cè)長(zhǎng)精度0.1μm,,3. 二維干涉圖測(cè)量,1.激光干涉測(cè)量,3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析,表面形狀分布,二維光強(qiáng)分布,,,,,亮條紋,,,擴(kuò)束,1.激光干涉測(cè)量,3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析,物面凹凸 不平程度,相位分布,基本思路：,,,,,亮條紋,,二維 干涉圖樣,,,,,1.激光干涉測(cè)量,表面形狀分布,二維光強(qiáng)分布,,,,,亮條紋,,,動(dòng)態(tài)檢測(cè)：精度 λ/100,靜

39、態(tài)檢測(cè)：精度 λ/20,,二次相位調(diào)制,3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析,1.激光干涉測(cè)量,一次相位調(diào)制,二次相位調(diào)制,,,3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析,1.激光干涉測(cè)量,使參考光相位人為地隨時(shí)間調(diào)制 二次相位調(diào)制,信號(hào)光相位受到被測(cè)物理量的調(diào)制稱為

40、 一次相位調(diào)制,二次相位調(diào)制的定義,,,3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析,1.激光干涉測(cè)量,,,,,靜止干涉圖樣,亮條紋,,光學(xué)相位分布，計(jì)算機(jī)界面上是一幅靜止的畫(huà)面 ——靜態(tài)檢測(cè),光學(xué)相位分布變換為時(shí)序電信號(hào)相位——?jiǎng)討B(tài)檢測(cè),一次相位調(diào)制：,二次相位調(diào)制：,（照相機(jī)）,（攝像機(jī)）,3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析,1.激光干涉測(cè)量,,,3)二維干涉圖測(cè)量,二次相位調(diào)制的實(shí)現(xiàn)途徑,二次相位調(diào)制,移動(dòng)參考鏡

41、,,,壓電陶瓷：伸長(zhǎng)（縮短）量 Δl = kU －ΔLr,,參考鏡,,,,例：階梯波掃描干涉法,,3)二維干涉圖測(cè)量,階梯波掃描時(shí)的干涉圖：,,,干涉圖樣：,時(shí)序信號(hào)：,,,,t,I,,,,,3)二維干涉圖測(cè)量,階梯波掃描時(shí)的干涉圖：,,,,干涉圖樣：,時(shí)序信號(hào)：,,,t,I,,,,3)二維干涉圖測(cè)量,,,例 階梯波掃描干涉法,物面凹凸 不平程度,相位分布,3)二維干涉圖測(cè)量,基本思路：,,,,,亮條紋,,二維 干

42、涉圖樣,,,,,,,只分析一維的情況,干涉面上任一點(diǎn)x的光強(qiáng)度：,將上式看作是φr的余弦函數(shù),I(x, φr)＝as2(x)+ar2+2as(x)arcosφs(x）cosφr +2as(x)arsinφs(x）sinφr,,,,,,,,求解φs表達(dá)式（1）,3)二維干涉圖測(cè)量,,,,,,,每次改變1/n周期,采樣p個(gè)周期,,,,,

43、令φr在2π周期內(nèi)每次改變1/n周期，共采樣p個(gè)周期，即,求解φs表達(dá)式（2）,3)二維干涉圖測(cè)量,,,,,,,每次光電測(cè)量數(shù)值,求解φs表達(dá)式（3）,,,,,,,3)二維干涉圖測(cè)量,,,,,,,求解φs表達(dá)式（4）,3)二維干涉圖測(cè)量,,,9-73，9-78式物理意義,,i.干涉面上任意一點(diǎn)x的光強(qiáng)分布都可以展開(kāi)為參考光相位φr的時(shí)序調(diào)制，即可將干涉空間圖轉(zhuǎn)換為時(shí)序信號(hào)：,ii.被測(cè)光信息的相位φs(x)可由下式計(jì)算得出，并由此確定

44、面形的凹凸程度：,,3)二維干涉圖測(cè)量,,,如何得到相位分布：,光強(qiáng)空間分布,1024×1024CCD面陣,光強(qiáng)取樣,N X P次測(cè)量,數(shù)據(jù)平均,計(jì)算機(jī)曲線擬合,相位分布,,,,3)二維干涉圖測(cè)量,,,,,干涉圖樣,亮條紋,,－靜態(tài)檢測(cè)（精度 λ/20 ）,－動(dòng)態(tài)檢測(cè)（精度 λ/100 ）,一次相位調(diào)制：,二次相位調(diào)制：,二次相位調(diào)制技術(shù)為干涉測(cè)量開(kāi)辟了實(shí)時(shí)、數(shù)字式和高分辨率的新途徑！??！,1.激光干涉測(cè)量,3)波前

45、相位調(diào)制與二維干涉圖分析,－動(dòng)態(tài)檢測(cè)（精度 λ/100 ）,二次相位調(diào)制：,1.激光干涉測(cè)量,激光陀螺：,基片～0.08nm,膜片～0. 8nm,雙頻平面干涉法,,3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析,1.激光干涉測(cè)量,一種改進(jìn)的泰曼-格林干涉儀,雙頻平面外差干涉測(cè)量系統(tǒng),單頻平面干涉 λ/100雙頻平面干涉 λ/1000,3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,2.激光多普勒測(cè)速*,3.CO2激光外差通信

46、,1.激光干涉測(cè)量,,,,9.2.3 相干探測(cè)應(yīng)用舉例,3. CO2激光外差通信,光通信,光纖通信,大氣光通信,半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè),CO2激光器光波頻率或相位調(diào)制相干探測(cè),,,,,,,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,CO2激光外差通信,,頻率或者相位調(diào)制 相干探測(cè) －－外層空間星際通信,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,光纖通信,,,強(qiáng)度調(diào)制

47、 直接探測(cè) 應(yīng)用·······,相干探測(cè),,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,相干探測(cè)可用于光纖通信中波分復(fù)用 接收解調(diào)···,發(fā)送端,接收端,λ1,λ2,···,λn,強(qiáng)度調(diào)制,強(qiáng)度調(diào)制,強(qiáng)度調(diào)制,···,,復(fù)用,相干接收,···,相干接收,相干接

48、收,λ1,λ2,···,λn,,,,,,,,,,,,,,光纖,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,中國(guó)科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文光纖水聽(tīng)器關(guān)鍵技術(shù)研究倪 明 光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光纖相干檢測(cè)，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào)信息。光纖水聽(tīng)器主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的監(jiān)測(cè)

49、。它既可用于海洋、陸地石油天然氣勘探，也可用于海洋、陸地地震波檢測(cè)以及海洋環(huán)境檢測(cè)，它又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試驗(yàn)的先進(jìn)檢測(cè)手段。,9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例,Michelson干涉光纖水聽(tīng)器,光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光纖相干檢測(cè)，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào)信息。,9.3 探測(cè)方法的改進(jìn)*,9.3.1 平衡探測(cè),,靈敏度提高一倍,,9.

50、3 探測(cè)方法的改進(jìn)*,9.3.2 光前置放大器,,,光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒(méi)有反饋或反饋較小的激光器,,作用：全光通信；直接探測(cè)具有相干探測(cè)的靈敏度,激光,,9－12 圖9－29所示的是一測(cè)定透明物體相位分布的相位顯微鏡，由馬赫－澤德干涉儀組成。圖中的L1和L2是顯微物鏡，被測(cè)物體放置在物鏡焦面上。測(cè)量光的偏振方向與紙面垂直。P1是λ/4波片，P2是偏振片和λ/4波片組合件，后者相對(duì)前者的偏振軸有45o傾斜，組合件以角速度Ω旋轉(zhuǎn)，試說(shuō)

51、明該裝置的工作原理。,,解答1:,,相敏檢波器,,,,Ui,Uc,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,,,,,,,,,,,,,,,,,,a1cos(ωt+Φx),a2cos(ωt),,,,,a1cos((ω-Ω)t+ Φx),,,a2cos(ω+Ω)t,ω+Ω,ω-Ω,a3cos(ωt),,,ω,a3cos(Ωt)cos(ωt),,λ/2,λ/4,,P1,P2,λ/4,Φx,,解答2:,,Ui=K1 a1a2 cos(2Ωt+Φx)=Uim c

52、os(2Ωt+Φx),Uc=Kc (a3)2cos2(Ωt)=……. Kc a3cos2Ωt=Ucm cos2Ωt,U0=(1/2)Uim Ucm cosΦx=KcosΦx,Φx=2πnL/λ,相敏檢波器,,,,Ui,Uc,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,,Φx,,本章小結(jié)：,,1.直接探測(cè)是用探測(cè)器直接測(cè)量光強(qiáng)度（光通量）信息，噪聲等效功率極限,該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)光源的相干性無(wú)要求。 －－像分析器,－－實(shí)際中很難達(dá)到,2.相干探測(cè)是利用信號(hào)光和本征光在