第9章直接探测和相干探测（zm2014秋)

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1、光电探测与信号处理第9章直接探测和相干探测光学与电子信息学院赵茗副教授zhaoming@hust.edu.cn光电光信号光电电信号探测器EEEE=cos(2πvtt+ϕ)00人眼和探测器Φ∝E20可以响应平均光功率平方律器件EE=+cos(2πϕvt)00光的频率：1014～1015Hz探测器响应频率<1010Hz响应平均光功率响应光的频率···直接探测相干探测光电探测与信号处理•9.1直接探测•9.2相干探测•9.3探测方法的改进*直接探测－－DrirectDetection，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源

2、，只能探测平均光功率（光强）9.1直接探测9119.1.1直接探测的基本原理9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离9.1.3直接探测的应用举例1.直接探测基本物理过程：光波：Eta()=+sin(ωtϕ)光功率：Φ(t)∝a2ssssss12平方律器件：I(光电流)=SΦ(t)=Sas2s人眼和探测器可以响应平均光功率平方律器件：IS=Φ+[1V()]tdss－－光电探测器光场包络的响应光场包络频率<1010Hz光场的频率1014～1015Hz例1.比较光场频率和光强度信号的变化频率设光栅的栅距P＝40μm相对移动的速度V=1c

3、m/s半导体激光器,波长λ=890nmc14光场频率v=?ν==3.37×10Hzλ光强度信号的变化频率f=？Vf==250HzP2.直接探测系统的信噪比以光电二极管为例22Pe(/)ηΦhvsdsSNR==dPiiii2222+++ndnSnBnDnT散粒噪声热噪声信号光电流、背景光电流和器件暗电流22PhP(/)eηΦhvΦsdsSNR==dPiiii2222+++ndnSnBnDnT最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声2ηΦsienS=Δ2ISfSNR=d2hvfΔ－－直接探测的量子极限ηΦsSNRd=－直接探测的量子极

4、限2hvΔf量子极限的另一种表达是：2hvΔfNEP=d－直接探测的噪声等效功率η9.1直接探测9119.1.1直接探测的基本原理9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离9.1.3直接探测的应用举例视场光电探测器Ωd光电探测器的视场角:Ω＝A/f2dd作用距离：详见课本P269推导被动探测系统框图主动探测系统框图9.1直接探测9119.1.1直接探测的基本原理9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离9.1.3直接探测的应用举例特点：信息加载－－辐通量（光强）几何量（长度、位移····）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕···）光学参量

5、（吸收、反射···）电磁量（电流、电场、磁场···）····辐通量（幅度、频率、相位···）例1.光电磁场测量磁场振动方向旋转角度光度光通量幅度磁场－－光通量（幅度）例2.光栅莫尔条纹测位移xΔΦΦ=cos(2π)mPt精度已可达±0.1μm/m位移－－光通量（频率）测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：基准精度测量精度基准稳定方法模拟量幅度10-3～10-410-2～10-3稳定电路晶振，频率10-6～10-810-5～10-7数字锁相环现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！例3.光电测距ϕ==ωωtD2/c00发射光波接

6、收光波距离－－光通量（相位）11CC⎛⎞ΔφCDC=tN=⎜⎟+++=N+ΔΔφ222⎝⎠πf24ffπυυυ激光脉冲测距主波回波距离：D=0.5ct光电探测与信号处理•9.1直接探测•9.2相干探测•9.3探测方法的改进*相干探测－－CoherentDetection－－又称为光外差探测9.2相干探测9219.2.1相干探测的基本原理9.2.2相干探测的条件9.2.3相干探测的应用举例1.相干探测的物理过程原理框图©双频（不同光波长）光波：信号光ωs（异地）参考光ω（本地）r1)相干探测的输出信号叠加有条件吗？参见梁铨廷，《物理

7、光学》，2.4.1光拍相速度群速度合成的光场为：E=2acos(kz−ωt)cos(kz−ωt)mm调制振幅A(低频)载波（高频）222I=A=4acos(kz−ωt)mm2=2a[1+cos2(kz−ωt)]mm合成波类似AM调制包络频率等于两光频差的1/2拍频等于两光频差ω−ωsrω=ω=M(ω)tHm2−ωHωHωω+ωsrω=ω=tc2SDSB(ω)stωω()HHDSBtω−ωccω相对光强222I=A=4acos(kz−ωt)mm2=2a[1+cos2(kz−ωt)]mm绝对光强2AI=课本P266公式9-32参见梁铨

8、廷，《物理光学》，1.4.3辐射能参见梁铨廷，《物理光学》，2.4.1光拍Esss()()ta=+si(in()ωtϕs)信号光EtEtrrr()()=asi(in()ωtt+ϕr)参考光平方律探测器光混频电流信号为：S2I=⋅E(t)+E(t)h