第11章_外差檢測(cè)系統(tǒng)

1、第六章第六章 光外差檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)光光外差檢測(cè)與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：外差檢測(cè)與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高測(cè)量精度高7-87-8個(gè)數(shù)量級(jí)；個(gè)數(shù)量級(jí)；靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其NEPNEP值可達(dá)值可達(dá)1010-20 -20 W W。可用于光子計(jì)數(shù)。可用于光子計(jì)數(shù)。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，所激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，所以外差檢測(cè)在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用以外差檢測(cè)在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。階段。外差檢測(cè)在高頻（外差檢測(cè)在高頻（10101616HzHz）光波時(shí)不

2、如直接檢測(cè)有）光波時(shí)不如直接檢測(cè)有用。而在長(zhǎng)波長(zhǎng)（近紅外和中紅外波段），光外差檢測(cè)技用。而在長(zhǎng)波長(zhǎng)（近紅外和中紅外波段），光外差檢測(cè)技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測(cè)。術(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測(cè)。放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混直接檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)器檢測(cè)的光功率為平均光功率直接檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)器檢測(cè)的光功率為平均光功率P Pcpcp：2cos2122202AttdAPcp顯然光波直接檢測(cè)只能測(cè)量其振幅值。顯然光波直接檢測(cè)只能測(cè)量其振幅值。光外差檢測(cè)原理如圖，兩束平光外差檢測(cè)原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變行的相干光，經(jīng)分光鏡和可

3、變光闌入射到檢測(cè)器表面進(jìn)行混光闌入射到檢測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)，經(jīng)檢測(cè)器頻，形成相干光場(chǎng)，經(jīng)檢測(cè)器變換后，輸出信號(hào)包含差頻信變換后，輸出信號(hào)包含差頻信號(hào)，故又稱相干檢測(cè)。號(hào)，故又稱相干檢測(cè)。6.1 6.1 光外差檢測(cè)原理光外差檢測(cè)原理轉(zhuǎn)鏡反射鏡可變光闌線柵偏振器光電檢測(cè)器放大器輸出激光器2COsfLfLsff 分光鏡外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖如圖:光源經(jīng)過穩(wěn)頻光源經(jīng)過穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)反射成兩路：一路經(jīng)反射作為本振光波，頻率作為本振光波，頻率為為fL，另一路經(jīng)偏心，另一路經(jīng)偏心輪反射，經(jīng)聚焦到可輪反射

4、，經(jīng)聚焦到可變光闌上作為信號(hào)光變光闌上作為信號(hào)光束。束。偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs?？勺児怅@用來限制兩光束?？勺児怅@用來限制兩光束射向光電檢測(cè)器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)樯湎蚬怆姍z測(cè)器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒?，然后兩束光垂直投射到檢測(cè)器上。偏振方向相同的相干光，然后兩束光垂直投射到檢測(cè)器上。首先設(shè)入射到檢測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)和本機(jī)振蕩光場(chǎng)分別為：首先設(shè)入射到檢測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)和本機(jī)振蕩光場(chǎng)分別為： sssstAtfcos

5、 LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos那么，入射到檢測(cè)器上的總光場(chǎng)為：光檢測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)的平方成正比，所以光檢測(cè)器的光電流為： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/21/2。第三項(xiàng)。第三項(xiàng)為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為差頻項(xiàng)，頻率低得多，差頻項(xiàng)，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(hào)當(dāng)差頻信號(hào)( (L L- -s s)/2)/2= =C

6、C/2/2低低于光檢測(cè)器的上限截止頻率時(shí)于光檢測(cè)器的上限截止頻率時(shí)，檢測(cè)器就有頻率為，檢測(cè)器就有頻率為C/2的光的光電流輸出。電流輸出。如果把信號(hào)的測(cè)量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以C為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)L-s=0，即信號(hào)光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測(cè)的一種特殊形式，稱為零差探測(cè)。6.2 光外差檢測(cè)特性

7、6.2.1 6.2.1 光外差檢測(cè)可獲得全部信息光外差檢測(cè)可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。在直接檢測(cè)系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益G高高光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPheP22在直接檢測(cè)中，檢測(cè)器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號(hào)功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)更有用?？芍?，在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)更有用。6.2.4 6.2.4 信噪比損失小信噪比損失小6.2.3 6.2.3 良好的濾波性能良好的濾波性能

8、光外差檢測(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為光外差檢測(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為f=ff=fL L-f-fs s，則只有此頻帶內(nèi)，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度=0-15m/s=0-15m/s，對(duì)于，對(duì)于COCO2 2激光信號(hào)，激光信號(hào)， 多普勒頻率多普勒頻率f fs s為：為：cffLs21通頻帶通頻帶f f1 1取為：取為：MHzcccfff

9、fLLLs3221而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為1nm1nm，所對(duì)應(yīng)的帶寬，所對(duì)應(yīng)的帶寬，即通頻帶即通頻帶f f2 2=3000MHz=3000MHz。可見，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用?？梢?，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外差檢測(cè)器的差檢測(cè)器的輸出信輸出信噪噪比等于輸入信噪比比等于輸入信噪比，輸出信噪比沒有損失。，輸出信噪比沒有損失。6.2.5

10、6.2.5 最小可檢測(cè)功率最小可檢測(cè)功率內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件當(dāng)本征功率當(dāng)本征功率P PL L足夠大時(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為內(nèi)部增益為M M的光外差檢測(cè)器輸出有效信號(hào)功率為：的光外差檢測(cè)器輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPMheP22檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器本身的檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器本身的散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲和熱噪聲是影響最大可難以是影響最大可難以消除的。則外差檢測(cè)輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：消除的。則外差檢測(cè)輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比

11、為：功率信噪比為：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測(cè)的極限，一般稱為光外差檢測(cè)的量子檢測(cè)極限量子檢測(cè)極限或或量子噪聲限量子噪聲限。引入引入最小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）最小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）NEP表示，在表示，在量子檢測(cè)量子檢測(cè)極限下，光外差檢測(cè)的極限下，光外差檢測(cè)的NEP值為：值為：fhNEPPs最小在光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限為：fhNEP2這里面需要說明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的這

12、里面需要說明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的理想條件下得到，實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外理想條件下得到，實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外差檢測(cè)，利用差檢測(cè)，利用足夠的本振光足夠的本振光是容易實(shí)現(xiàn)的。是容易實(shí)現(xiàn)的?？傊傊?，檢測(cè)靈敏度高檢測(cè)靈敏度高是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。6.2.5 6.2.5 最小可檢測(cè)功率最小可檢測(cè)功率內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件時(shí)的信號(hào)功率即1SNR為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換增益，增益，增大本振光功率增大本振光功率是有利的。但

13、本振光本身也引起散粒噪聲，本振功是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。fhPSNRsp6.2.6 6.2.6 光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器要求一般比直接檢測(cè)對(duì)檢測(cè)器的要外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器要求一般比直接檢測(cè)對(duì)檢測(cè)器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：響應(yīng)頻帶寬響應(yīng)頻帶寬。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行

14、目標(biāo)檢。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至測(cè)時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆達(dá)上千兆HzHz。均勻性好均勻性好。外差檢測(cè)中檢測(cè)器即為混頻器，在檢測(cè)器光敏。外差檢測(cè)中檢測(cè)器即為混頻器，在檢測(cè)器光敏面上信號(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在面上信號(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測(cè)器的光電性能在整光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測(cè)器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。

15、1.1. 工作溫度高工作溫度高。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無嚴(yán)格要求。如。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無嚴(yán)格要求。如果在室外或空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測(cè)器。如果在室外或空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測(cè)器。如HgCdTeHgCdTe紅外檢測(cè)器件。紅外檢測(cè)器件。6.3 影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測(cè)的空間條件和頻率條件在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測(cè)的空間條件和頻率條件對(duì)靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。對(duì)靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。6.3.1 6.3.1 光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束

16、Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混 sLsLLsCtAAticos 信號(hào)光和本振光的信號(hào)光和本振光的波前波前在光檢測(cè)器光在光檢測(cè)器光敏面上保持敏面上保持相同的相位關(guān)系相同的相位關(guān)系，才得式：，才得式： 實(shí)質(zhì)上，由于光的波長(zhǎng)比光檢測(cè)器面積實(shí)質(zhì)上，由于光的波長(zhǎng)比光檢測(cè)器面積小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)

17、光和本振光的頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)光和本振光的波前是波前是重合重合的。即是說必須保持信號(hào)光和本振光在的。即是說必須保持信號(hào)光和本振光在空間空間上的上的角準(zhǔn)直角準(zhǔn)直。 下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合時(shí)對(duì)光外差檢測(cè)的影響。時(shí)對(duì)光外差檢測(cè)的影響。 設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為，且信號(hào)光束的波陣面，且信號(hào)光束的波陣面平行于光敏面時(shí)，如圖。平行于光敏面時(shí)，如圖。6.3.1 6.3.1 光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）xz信號(hào)本振檢測(cè)器l設(shè)信號(hào)光束和本振

18、光束的光場(chǎng)為：設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場(chǎng)為： LLsstjLLtjsseAtfeAtf,那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不同點(diǎn)同點(diǎn)x處有不同的波前，即不同的處有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：波數(shù)之積。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并認(rèn)為折射率，并認(rèn)為折射率n=1。于是本振光波可表示為：于是本振光波可表示為： xtjAtfLLLLexp則檢測(cè)器上則檢測(cè)器上x點(diǎn)的響應(yīng)電流為點(diǎn)的響應(yīng)電流為dxxtAAdiLscLscos則整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為則整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為6.3.1 6.3.1 光外差檢測(cè)的空

19、間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）22sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll從式中可知，當(dāng)從式中可知，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，即即 時(shí)，中頻電流時(shí)，中頻電流i最大。最大。22sinll即可得外差檢測(cè)的即可得外差檢測(cè)的空間相位條件空間相位條件為：為：sin2LlLsin即：即：lLarcsin顯然：波長(zhǎng)愈短或口徑愈大，要求相位差角顯然：波長(zhǎng)愈短或口徑愈大，要求相位差角愈小，愈難滿足外愈小，愈難滿足外差檢測(cè)的要求。差檢測(cè)的要求。說明紅外光比可見光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)。說明紅外光比可見光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)。例：本振光波長(zhǎng)為例：本振光波長(zhǎng)為1微米，檢測(cè)器光

20、敏面長(zhǎng)度為微米，檢測(cè)器光敏面長(zhǎng)度為1mm，則，則0.32mrad（0.018度）。度）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光器做外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)2.6mrad時(shí)，時(shí)，才能看到清晰的差頻信號(hào)。才能看到清晰的差頻信號(hào)。這個(gè)角度也被稱為失配角。這個(gè)角度也被稱為失配角。放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，必須使信號(hào)光束和本振光束必須使信號(hào)光束和本振光束在空間準(zhǔn)直得很好。在空間準(zhǔn)直得很好。背景雜散光來自各個(gè)方向，背景雜散光來自各個(gè)方向，絕大部分的背景光不與本振絕大部分的背景

21、光不與本振光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信號(hào)。頻信號(hào)。因此外差檢測(cè)在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好因此外差檢測(cè)在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的的空間濾波性能空間濾波性能。但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比較困難。較困難。 從上面討論中可以看出，要使信號(hào)光波和本振光波在光混頻面上有效的空間相干，必須使兩束光盡量平行，因?yàn)檫@個(gè)要求是比較嚴(yán)格的，所以給光外差的實(shí)現(xiàn)帶來一定困難，嚴(yán)重妨礙了它的實(shí)際應(yīng)用。接近這一問題的方法只有是：愛里斑原理法（用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求）。直要求）。 降低空間相干條件的方法降低空間相

22、干條件的方法 先來看一下光學(xué)透鏡天線在接收系統(tǒng)中的作用：先來看一下光學(xué)透鏡天線在接收系統(tǒng)中的作用：fvf透鏡面積Ar探測(cè)器ADdl面積2f 2Ar光學(xué)透鏡天線光學(xué)透鏡天線 當(dāng)光波正入射時(shí)，由物理光學(xué)可知，經(jīng)過面積為當(dāng)光波正入射時(shí)，由物理光學(xué)可知，經(jīng)過面積為Ar的透的透鏡之后，在焦平面處的探測(cè)器上形成衍射光斑。衍射光鏡之后，在焦平面處的探測(cè)器上形成衍射光斑。衍射光斑中最大峰值處所包含的面積斑中最大峰值處所包含的面積2f2/Ar稱為稱為愛里斑面積愛里斑面積。這個(gè)面積決定了接收系統(tǒng)的衍射極限視場(chǎng)，若用立體角這個(gè)面積決定了接收系統(tǒng)的衍射極限視場(chǎng)，若用立體角dl表示，表示， 則有則有 若用平面角表示，若

23、用平面角表示， 則有則有：1dD式中式中Dr是透鏡的直徑尺寸是透鏡的直徑尺寸。 rrdlAfAf22221愛里斑原理示意圖愛里斑原理示意圖: : L1本振光束反射鏡孔徑 Dr焦距 f小孔光闌合束板探測(cè)器Dd透鏡s1信號(hào)光束 用透鏡將信號(hào)光聚焦用透鏡將信號(hào)光聚焦到光混頻器表面。光到光混頻器表面。光混頻器的有效面積就混頻器的有效面積就是愛里斑的面積。是愛里斑的面積。 同時(shí)使本振光也照射同時(shí)使本振光也照射到愛里斑上，即可發(fā)到愛里斑上，即可發(fā)生光混頻。生光混頻。 隨著隨著D/f 比的增加，比的增加，對(duì)失配角的要求越來對(duì)失配角的要求越來越寬。越寬。6.3.2 6.3.2 光外差檢測(cè)的頻率條件光外差檢測(cè)的

24、頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測(cè)，要求信號(hào)光和本振光具有高為獲得靈敏度高的光外差檢測(cè)，要求信號(hào)光和本振光具有高度的度的單色性和頻率穩(wěn)定性單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測(cè)的物理光學(xué)的本質(zhì)是光外差檢測(cè)的物理光學(xué)的本質(zhì)是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果結(jié)果。這種干涉取決于信號(hào)光和本振光束的單色性。因此為。這種干涉取決于信號(hào)光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用獲得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器作作為光外差檢測(cè)光源。為光外差檢測(cè)光源。信號(hào)光和本振光存在著信號(hào)光和本振光存在著頻率漂移頻率漂移，使光外差檢測(cè)系統(tǒng)的性能，使光外差檢測(cè)

25、系統(tǒng)的性能變壞。是因?yàn)轭l率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號(hào)變壞。是因?yàn)轭l率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號(hào)不能正常放大。因此在光外差檢測(cè)中，需要采用專門措施穩(wěn)不能正常放大。因此在光外差檢測(cè)中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號(hào)光和本振光的頻率。定信號(hào)光和本振光的頻率。 1、干涉測(cè)量技術(shù) 應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱為干涉測(cè)量技術(shù)。 干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高（以波長(zhǎng)為單位） 6.4 光外差探測(cè)系統(tǒng)舉例光外差探測(cè)系統(tǒng)舉例 干涉測(cè)量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對(duì)光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為光強(qiáng)的調(diào)制。測(cè)量干涉條紋的變化即可得到被測(cè)

26、參量的信息。 干涉條紋是由于干涉場(chǎng)上光程差相同的場(chǎng)點(diǎn)的軌跡形成。 可進(jìn)行長(zhǎng)度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等幾何量和物理量的測(cè)量。 1、激光光源：穩(wěn)頻He-Ne氣體激光器，頻寬達(dá)103Hz，相干長(zhǎng)度可達(dá)300km。2、干涉系統(tǒng)：邁克爾遜干涉原理，位移-測(cè)量臂；3、光電顯微鏡：給出起始位置。實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)測(cè)長(zhǎng)度或位移的精密瞄準(zhǔn)，使干涉儀的干涉信號(hào)處理部分和被測(cè)量之間實(shí)現(xiàn)同步。4、干涉信號(hào)處理部分：光電控制、信號(hào)放大、判向、細(xì)分及可逆計(jì)數(shù)和顯示記錄等。6.4.1 6.4.1 激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀如圖，主要有幾部分組成：激光器NeHe光電計(jì)數(shù)器

27、顯示記錄裝置邁克爾遜干涉儀可移動(dòng)平臺(tái)待測(cè)物體光電顯微鏡光束光束激光束BS 測(cè)量光束2和參考光束1相互疊加干涉形成干涉信號(hào)。其明暗變化次數(shù)直接對(duì)應(yīng)于測(cè)量鏡的位移 M2沿光束2方向上每移動(dòng)半波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，光束2的光程就改變了一個(gè)波長(zhǎng)，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個(gè)周期的明、暗變化。這個(gè)變化由光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變成一個(gè)電信號(hào)而被光電計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并由顯示和記錄裝置加以顯示和記錄。我們只要記下M2移動(dòng)時(shí)干涉條紋變化的周期數(shù)N就可以得到被測(cè)長(zhǎng)度(即M2移動(dòng)的距離)。被測(cè)長(zhǎng)度L通過運(yùn)算和顯示電路直接顯示出來2 NLL2M1M光束光束激光器器數(shù)計(jì)逆可234567891011121314151611 1、激光器；、激光器；2

28、 2、透鏡；、透鏡；3 3、小孔光闌；、小孔光闌；4 4、透鏡；、透鏡；5 5、反射鏡；、反射鏡；6 6、反射棱鏡；反射棱鏡；7 7、位相板；、位相板；8 8、角錐反射棱鏡；、角錐反射棱鏡；9 9、分束鏡；、分束鏡；1010、角錐反射棱鏡；角錐反射棱鏡；1111、透鏡；、透鏡；1212、光闌；、光闌；1313、光電檢測(cè)器；、光電檢測(cè)器；1414、透鏡；透鏡；1515、光闌；、光闌；1616、光電檢測(cè)器、光電檢測(cè)器光闌3形成一種空間濾波器，減小光源中雜散光的影響。到達(dá)角錐反射棱鏡10的作為干涉儀的參考臂。而角錐反射棱鏡8作為測(cè)量臂。光學(xué)元件7稱為位相板，使通過光路的部分光束產(chǎn)生附加位相移動(dòng)，使光

29、電檢測(cè)器13和16接收到的干涉信號(hào)在位相上相差/2。實(shí)用的激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的簡(jiǎn)化光路實(shí)用的激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的簡(jiǎn)化光路 該光路中，使用該光路中，使用角錐棱鏡角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器而對(duì)激光器帶來的不利一方面避免了反射光束反饋回激光器而對(duì)激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響出射光束的方光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不大時(shí)，它對(duì)光程的影響可向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動(dòng)

30、的角度不大時(shí)，它對(duì)光程的影響可以忽略。缺點(diǎn)是這種成對(duì)使用的角錐棱鏡要求配對(duì)加工，而以忽略。缺點(diǎn)是這種成對(duì)使用的角錐棱鏡要求配對(duì)加工，而且加工精度要求高。且加工精度要求高。 角錐棱鏡的形狀相當(dāng)于立方體切下來的一個(gè)角角錐棱鏡的形狀相當(dāng)于立方體切下來的一個(gè)角，它的三個(gè)，它的三個(gè)內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當(dāng)光從基面入射，可在內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當(dāng)光從基面入射，可在三個(gè)直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光三個(gè)直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。線總保持平行。 反射器反射器 各種反射器如圖所示，有平面反射鏡1、直角棱鏡2、角錐棱鏡3、三種貓眼系統(tǒng)4和

31、固定反射鏡與直角棱鏡的組合5。各種反射器各種反射器 幾種典型的布局幾種典型的布局1使用角錐棱鏡反射器的干涉系統(tǒng) （1）圖（a）結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是反射光束不能反饋回激光器。缺點(diǎn)是這種成對(duì)使用的角錐棱鏡要求配對(duì)加工，而且加工精度要求高。 （2）圖（b）結(jié)構(gòu)只用一個(gè)角錐棱鏡作可動(dòng)鏡，鏡M1和M3還能做成一體，如圖（c）所示。 （3）圖（d）的布局只用一個(gè)角錐棱鏡作動(dòng)鏡，已基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。所以也叫做雙光程干涉儀系統(tǒng)。 2整體式布局 這是一種將多個(gè)光學(xué)元件結(jié)合在一起，構(gòu)成一堅(jiān)固組件的布局結(jié)構(gòu)。如圖所示。特點(diǎn)：系統(tǒng)對(duì)外界的抗干擾性較好。缺點(diǎn)是調(diào)整不方便。該系統(tǒng)不僅多余自由度

32、消除好，靈敏度也提高一倍。 整體式布局系統(tǒng)整體式布局系統(tǒng) 3光學(xué)倍頻的布局（特倫系統(tǒng)） 為了提高干涉儀的靈敏度，可以用光學(xué)倍頻（也稱光程差放大器）的棱鏡系統(tǒng)，如圖所示。M1每移動(dòng)/2k就有一個(gè)干涉條紋的位移。在這種情況下，當(dāng)a作為棱鏡斜邊長(zhǎng)度時(shí)，M2對(duì)M1的位移為a/k（k為正整數(shù)）。 特點(diǎn)：能用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)邏輯做精密測(cè)量，而無須依靠條紋細(xì)分，這種技術(shù)還使干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，可使熱、空氣以及機(jī)械干擾減小。 光學(xué)倍頻系統(tǒng)光學(xué)倍頻系統(tǒng) 由于動(dòng)鏡在導(dǎo)軌上沿光軸移動(dòng)的過程中，存在各種偶然因互的干擾（例如外界振動(dòng)、導(dǎo)軌的平直度誤差以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定等），使動(dòng)鏡產(chǎn)生偶然的反向運(yùn)動(dòng)，這種偶然的反向運(yùn)動(dòng)使

33、計(jì)數(shù)器所顯示的脈沖數(shù)為正反向移動(dòng)的總數(shù)，而不是真正的被測(cè)長(zhǎng)度，因此必然存在測(cè)長(zhǎng)誤差。為了解決這一問題，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并放大整形后，信號(hào)進(jìn)入一方向判別電路，該電路把計(jì)數(shù)脈沖分成加、減二種脈沖，工作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)引起的脈沖為加脈沖、反向移動(dòng)時(shí)引起的脈沖為減脈沖、把這兩種脈沖分開后送入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)原理干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)原理 方向判別電路的原理。先在干涉系統(tǒng)中應(yīng)用移相方法（詳見后述）將干涉條紋分為兩組且彼此位相偏移/2，分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，輸出的兩組光電信號(hào)也彼此有/2的位移偏移，這兩組光電信號(hào)分別經(jīng)放大、整形、倒相，變成四個(gè)位相依次差/2的矩形脈沖，再經(jīng)斯密特電路把波形變換

34、成尖脈沖。 當(dāng)工作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)，脈沖的當(dāng)工作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)，脈沖的排列為排列為1、3、2、4 、1 ；反向移；反向移動(dòng)時(shí)，脈沖排列次序?yàn)閯?dòng)時(shí)，脈沖排列次序?yàn)? 、 4、2、3、 1，如圖所示。在邏輯電路上，如圖所示。在邏輯電路上可根據(jù)脈沖可根據(jù)脈沖1的后面是的后面是1或或4來判別來判別正向加脈沖或反向減脈沖，并分正向加脈沖或反向減脈沖，并分別逆入加脈沖的別逆入加脈沖的“門門”或減脈沖或減脈沖的的“門門”中去，從而可得到總的中去，從而可得到總的加脈沖或減脈沖信號(hào)。加脈沖或減脈沖信號(hào)。辯向電路原理辯向電路原理 判向電路除提高了儀器的抗干擾能力外，還把一個(gè)周期的干涉條紋變化（即亮暗變化一次）變成四個(gè)脈

35、沖輸出信號(hào)。因此在測(cè)長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)條紋變一條時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器顯示4個(gè)脈沖數(shù)，這等于把條紋4細(xì)分了，常稱四倍頻計(jì)數(shù)。此時(shí)每一脈沖代表/8的移動(dòng)量，所測(cè)得的長(zhǎng)度8LN 為了提高光學(xué)干涉測(cè)量的準(zhǔn)確度，七十為了提高光學(xué)干涉測(cè)量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測(cè)量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉測(cè)量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)。干涉技術(shù)。 光外差干涉光外差干涉是指兩相干光束的光波頻率是指兩相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場(chǎng)中干涉產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場(chǎng)中干涉條紋的不斷掃描，條紋的不斷掃描，干涉場(chǎng)中某點(diǎn)處光強(qiáng)以干涉場(chǎng)中某點(diǎn)處光強(qiáng)

36、以低頻低頻隨時(shí)間呈余弦變化隨時(shí)間呈余弦變化 ，經(jīng)光電探測(cè)器經(jīng)光電探測(cè)器將干涉場(chǎng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將干涉場(chǎng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。激光外差干涉測(cè)試技術(shù)激光外差干涉測(cè)試技術(shù) 雙頻激光外差干涉儀雙頻激光外差干涉儀光源光源: 雙頻雙頻He-Ne激光器激光器由于塞曼效應(yīng)由于塞曼效應(yīng)和頻率牽引效和頻率牽引效應(yīng)，使該激光應(yīng)，使該激光器輸出一束有器輸出一束有兩個(gè)不同頻率兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋的左旋和右旋圓偏振光圓偏振光 ，它，它們的頻率差們的頻率差V約為約為15MHz 雙頻激光器雙頻激光器1發(fā)出雙頻激光束發(fā)出雙頻激光束 通過通過14波片波片2變成兩束振動(dòng)方向互相垂直的線偏振變成兩束振動(dòng)方向互相垂直的線

37、偏振光光(v1垂直于紙面，垂直于紙面，v2平行于紙面平行于紙面) ，一小部分被反一小部分被反射到檢偏器射到檢偏器5上，檢偏器的上，檢偏器的透光軸與紙面透光軸與紙面成成450 一部分光束透過分束一部分光束透過分束鏡鏡4沿原方向射向偏振沿原方向射向偏振分束棱鏡分束棱鏡8。偏振方向。偏振方向互相正交的線偏振光互相正交的線偏振光被偏振分束鏡按偏振被偏振分束鏡按偏振方向分光，方向分光， v1被反射被反射至參考角錐棱鏡至參考角錐棱鏡9， v2則透過則透過8到測(cè)量角錐到測(cè)量角錐棱鏡棱鏡10 工作原理工作原理經(jīng)光束擴(kuò)束器經(jīng)光束擴(kuò)束器3適當(dāng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，光束被分束鏡適當(dāng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，光束被分束鏡4分為兩部分分為兩部

38、分根據(jù)馬呂斯定律，根據(jù)馬呂斯定律，兩個(gè)互相垂直的兩個(gè)互相垂直的線偏振光在線偏振光在450方方向上的投影，形向上的投影，形成新的同向線偏成新的同向線偏振光并產(chǎn)生振光并產(chǎn)生“拍拍”，其拍頻，其拍頻就等于兩個(gè)光頻就等于兩個(gè)光頻之差，即之差，即vv1v21.5MHz 由光電接收器由光電接收器6接收后接收后進(jìn)入交流放大器進(jìn)入交流放大器7，放，放大后的信號(hào)作為參考大后的信號(hào)作為參考信號(hào)送給計(jì)算機(jī)信號(hào)送給計(jì)算機(jī) 光束返回后重新通過偏振分束鏡光束返回后重新通過偏振分束鏡10與與v1的返回光會(huì)合，經(jīng)的返回光會(huì)合，經(jīng)反射鏡反射鏡11及透光軸與紙面成及透光軸與紙面成450的檢偏器的檢偏器12后也形成后也形成“拍拍”

39、 ，其拍頻信號(hào)可表示為，其拍頻信號(hào)可表示為若測(cè)量鏡以速度若測(cè)量鏡以速度V運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(移動(dòng)或振動(dòng)移動(dòng)或振動(dòng))，則由于多普勒，則由于多普勒效應(yīng)，從測(cè)量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移效應(yīng)，從測(cè)量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移 正負(fù)號(hào)由動(dòng)鏡移動(dòng)方向決定，當(dāng)動(dòng)鏡正負(fù)號(hào)由動(dòng)鏡移動(dòng)方向決定，當(dāng)動(dòng)鏡向偏振分束器方向移動(dòng)時(shí)，向偏振分束器方向移動(dòng)時(shí)，v為負(fù)為負(fù) 拍頻信號(hào)被光電拍頻信號(hào)被光電13接收后，進(jìn)入交流前置放大器接收后，進(jìn)入交流前置放大器14，最后，最后也被送入計(jì)算機(jī)也被送入計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)工作計(jì)算機(jī)工作（1）計(jì)算機(jī)先將拍頻信號(hào)）計(jì)算機(jī)先將拍頻信號(hào)v0 v 與參考信號(hào)與參考信號(hào)v0進(jìn)行相進(jìn)行相減處理后，就得

40、到所需的測(cè)量信息減處理后，就得到所需的測(cè)量信息v 設(shè)在動(dòng)鏡設(shè)在動(dòng)鏡10移動(dòng)的時(shí)間移動(dòng)的時(shí)間t內(nèi)。由內(nèi)。由v引起的條紋亮暗引起的條紋亮暗變化次數(shù)為變化次數(shù)為N，則有，則有于是于是（2）由）由v換算成換算成L的工作由計(jì)算機(jī)通過軟件自動(dòng)進(jìn)行，最的工作由計(jì)算機(jī)通過軟件自動(dòng)進(jìn)行，最后由顯示器顯示被測(cè)長(zhǎng)度值。后由顯示器顯示被測(cè)長(zhǎng)度值。NdtdtdtLtttD222000優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：前置放大器可采用交流放大器，避免了用直前置放大器可采用交流放大器，避免了用直流放大器時(shí)所遇到的棘手的直流漂移問題流放大器時(shí)所遇到的棘手的直流漂移問題 交流干涉儀抗干擾性能好交流干涉儀抗干擾性能好 測(cè)量范圍大測(cè)量范圍大(可測(cè)大于可測(cè)大于60m的距離的距離) 應(yīng)用應(yīng)用 ：測(cè)長(zhǎng)外，還可用于測(cè)角、測(cè)直線度及測(cè)振等測(cè)長(zhǎng)外，還可用于測(cè)角、測(cè)直線度及測(cè)振等 光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，由光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組成。 發(fā)射系統(tǒng)：6.4.2 6.4.2 光外差通信光外差通信濾光片濾光片穩(wěn)頻原理穩(wěn)頻原理: 發(fā)射波長(zhǎng)增加，光通量亦增，輸出電壓增大，壓電陶瓷使腔長(zhǎng)縮短，發(fā)射頻率提高，波長(zhǎng)減短；反之，則波長(zhǎng)加長(zhǎng) 濾光片的濾光曲線濾光片的濾光曲線 接收系統(tǒng):鑒鑒激光測(cè)速的激光測(cè)速的原理原理是：是測(cè)量通過激光束的示蹤粒子的多是：是測(cè)量通過激光束的示蹤粒