光外差探测技术及其应用.docx

MACROBUTTONMTEditEquationSection2EquationChapter1Section1SEQMTEqn\r\h\*MERGEFORMATSEQMTSec\r1\h\*MERGEFORMATSEQMTChap\r1\h\*MERGEFORMAT光外差探测技术及其应用
张潇依

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
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。
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

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，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：
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本机振荡光场为：
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那么，入射到检测器上的总光场为：
MACROBUTTONMTPlaceRef\*MERGEFORMATSEQMTEqn\h\*MERGEFORMAT(SEQMTSec\c\*Arabic\*MERGEFORMAT1.SEQMTEqn\c\*Arabic\*MERGEFORMAT3)
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
MACROBUTTONMTPlaceRef\*MERGEFORMATSEQMTEqn\h\*MERGEFORMAT(SEQMTSec\c\*Arabic\*MERGEFORMAT1.SEQMTEqn\c\*Arabic\*MERGEFORMAT4)
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

MACROBUTTONMTPlaceRef\*MERGEFORMATSEQMTEqn\h\*MERGEFORMAT(SEQMTSec\c\*Arabic\*MERGEFORMAT1.SEQMTEqn\c\*Arabic\*MERGEFORMAT5)
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