光电测试技术-激光外差干涉.ppt

光电检测系统分类 主动系统/被动系统(按信息光源分) 红外系统/可见光系统(按光源波长分) 点探测/面探测系统(按接受系统分) 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) 直接检测系统/光外差检测系统 (按光波对信号的携带方式分) 直接检测的基本原理 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。 激光外差干涉测试技术 单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分都比较困难。 为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。 概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。 特点：克服单频干涉仪的漂移问题； 细分变得容易； 提高了抗干扰性能。 光外差探测系统 基本原理 设入射到探测器上的信号光场为： 本机振荡光场为： 入射到探测器上的总光场为： ； :　量子效率； 　:光子能量； 　: 差频。 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。 当差频 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为 的光电流输出。 光学外差探测利用一个频率与被测相干辐射的频率相近的参考激光辐射在探测元件（通常由光电导材料、光生伏打材料或光电发射材料制成）中与被测辐射混频而产生差频。光学外差探测只受到散粒噪声的限制，因而探测率比直接探测或零差探测高几个数量级。 零差探测的本振信号经分光器从发射光源分离出来,与调制后的接收信号混频产生外差信号, 本振信号的频率相同,差频为零, 主要优点:省去了本振器,比外差探测简单,可靠;发射光频的稳定性可以放宽;光频移速率可经接收频差除以光往返时间测定,距离大于l Okm . 激光外差干涉测试技术 4.1 激光外差干涉测试技术原理 ①外差干涉技术原理 在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0, y0, t)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi, yi, t) 。将两信号相比，测出信号的过零时间差Δt，便可知道二者的光学位相差 激光外差干涉测试技术 4.1 激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差 声波的多普勒效应 　　　一辆汽车在我们身旁急驰而过，车上喇叭的音调有一个从高到低的突然变化；站在铁路旁边听列车的汽笛声也能够发现，列车迅速迎面而来时音调较静止时为高，而列车迅速离去时则音调较静止时为低。此外，若声源静止而观察者运动，或者声源和观察者都运动，也会发生收听频率和声源频率不一致的现象。这种现象称为多普勒效应。 多普勒效应的应用 光波的多普勒效应 光波的多普勒效应 　　　　具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学家斐索（1819-1896）于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之 处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移. 激光外差干涉测试技术 4.1 激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 光外差检测的特性 可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。 转换效率高：转换增益可高达１０７－１０８，对微弱信号的探测有利。 差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。 光外差检测的特性 良好的滤波性能 　取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光；而直接探测中，所有的杂散光都被接收 信噪比损失小 检测灵敏度高 例如：量子效率为１， Δf为１Hz，则外差检测的 灵敏度极限为１个光子 系统对探测器性能的要求 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 响应频带宽 均匀性好 工作温