光外差探测技术及其应用

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1、光外差探测技术及其应用摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高数量级。相干探测与直接探测相比，其测量精度高数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。关键字：光外差探测、光子计数、量子噪声限、激光测距、多普勒测速1.引言光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限，其NEP值可达W。可以检测单个光子，进行光子计数。在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外

2、差检测技术并不特别有用。相反，由于直接检测不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测更为可取。在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。因此，用一般的直接检测方法无法实现接近量子噪声限的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。2.原理光外差检测是有别于直接检测的另一种检测技术。光外差检测原理方框图示于图1－1。图中，为信号光波，为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜和

3、可变光阑入射到检测器表面进行混频，形成相干光场。经检测器变换后，输出信号中包含＝－的差频信号，故又称相干检测。信号光束＋探测器本振放大器光束图1－1.外差检测原理示意图激光器9分光镜光电检测器放大器输出转镜线栅偏振器－可变光阑反射镜图1－2外差检测实验装置图1－2是外差检测的实验装置，光源是经过稳频的激光器。由分束镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为；另一路经过偏心轮反射，并由透镜聚焦到可变光阑上作为信号光束。偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移，

4、其频率为。可变光阑用来限制两光束射向光电检测器的空间方向。线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。下面用经典理论来分析两光束外差后的结果。设入射到检测器上的信号光场为：(1.1)本机振荡光场为：(1.2)那么，入射到检测器上的总光场为：(1.3)由于光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为(1.4)式中的横线表示在几个光频周期上的平均。将上式展开后，则有(1.5)9式中：为光电变换比例常数；为光子能量；称为差频。上式中第一、二项为余弦函数平方的平均

5、值，等于1/2。第三项（和频项）频率太高，光混频器不响应。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。当差频低于光检测器的截止频率时，光检测器就有频率为的光电流输出。如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为(1.6)从上式可以看出，中频信号电流的振幅，频率和相位都随信号光波的振幅、频率和相位成比例地变化。在中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：(1.7)式中，为负载电阻。中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：(1.8)式中：

6、为信号光的平均功率；为本振光的平均功率。当，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为(1.9)这是外差检测的一种特殊形式，称为零差检测。可以看到，差频信号是由具有恒定频率和恒定相位的相干光混频得到的。如果频率、相位不恒定，无法得到确定的差频光。这就是为什么只有激光才能实现外差检测的原因。3．特性（1）.光外差检测可获得全部信息外差检测中，光检测器输出的电流不仅与信号光和本振光的光波振幅成正比，而且输出电流的频率与相位还和合成振动频率和相位相等。因此，外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可以

7、检测频率调制及相位调制的光信号。这种在光检测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位的全部信息，是直接检测所不可能有的。（2）.光外差检测转换增益高光外差检测中频输出有效信号功率为在直接检测中，检测器输出的电功率为在两种情况下，都假定负载电阻为。在同样信号光功率下，这两种方法所转换得到的信号功率比G为(1.10)9式中，G称为增益。由于在外差检测中，本机振荡光功率比信号光功率大几个数量积是容易达到的，所以光外差转换增益可以高达。可以看出，在强光信号下，外差检测并没有多少好处；而在微弱光信号下，外差检测

8、表现出十分高的转换增益，转换增益可以达到倍。所以可以说，光外差检测方式具有天然的检测微弱信号的能力。（3）.良好的滤波性能如果取差频信号宽度为信息处理器的通频带，即，那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差检测系统中不需要加滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好很多。（4）.信噪比损失小如果入射到检测器上的光场不仅存在信号光波，还存在背景光波,检测器的输出电流为输出