光學參量調制變換原理

光學參量調制變換原理第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.4光學參量調制變換原理2.4.1光外差技術2.4.2光學位相調制2.4.3光學頻率調制第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.4光學參量調制變換原理描述光波的所有基本參量都可能受到調制，有時幾個參量同時受到調制。這些參量包括光的強度、相位、頻率、顏色(或頻譜分布)、偏振。這些光學參量最后必須作為光強的變化來探測，因為光探測器只能探測光的強度。第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三光學參量調制技術分為光振幅調制(AM)、相位調制(PM)、頻率調制(FM)、偏振調制(POM)、光波譜調制(SM)。利用光的干涉現(xiàn)象將上述參量轉化為光探測器能敏感的較低頻率的光電載波信號，作用在于把光波的相位關系或頻率關系以及它們隨時間的變化，以光強度空間分布或光強隨時間變化的形式檢測出來，這個作用也稱作相幅變換。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.4.1光外差技術在可見光和近紫外波段，由于光頻很高(例如達到1016Hz)，每個光子的能量很大，較容易探測出單個光子，在這種情況下光外差技術并不特別有用，只要使用直接探測的方法就可以解決。第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三在波長較長的情況下，由于缺乏可見光波段那樣具有極高靈敏度的探測器，用直接探測法無法實現(xiàn)量子噪聲限探測，只有用光外差技術才能使系統(tǒng)工作于量子噪聲限。因此近、中紅外波段應用光外差技術能夠探測極微弱的光信號。由于光外差探測技術具有很多獨特的優(yōu)點，在可見光波段同樣也得到廣泛的應用。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三一、光外差原理在電磁波譜的射頻和微波波段，外差接收技術采用被信息調制的高頻載波在接收端與有一定頻率的本機振蕩信號相混頻，得到頻率為二者之差的中頻信號，這個中頻信號保持了調制信號的特征，通過檢測中頻信號就能最終解調出被傳送的信息。把這種技術引伸到光頻波段，就發(fā)展成多種形式的光外差探測技術。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三光外差探測是將含有被測信息的相干光調制波和作為本機振蕩的光波在滿足波前匹配條件下，在光電探測器上進行光學混頻，探測器的輸出是頻率為二光波頻率差的拍頻信號。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三若信號光場和本振光場分別為：若光波垂直探測器光敏面入射，則其上的總光場分布為：混頻后，探測器光敏面上光通量為：對于工作在響應度為R的線性區(qū)內的探測器輸出信號為：第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三外差探測的特點1）探測靈敏度高直接探測輸出信號：外差探測輸出信號：外差探測信號功率轉換比為：若Φ1=10-10W，Φ0=10-3W，則G=4×107第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2）具有很高的信噪比只考慮散粒噪聲和熱噪聲，外差光電流的均方值為：當本振光功率很大時，即，Φ0>>

Φ1

，本振散粒噪聲遠大于其它噪聲，則噪聲功率均方值為：可求出信噪比及最小可探測功率為：也稱為外差探測的量子探測極限。第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三例子：外差探測比直接探測的NEP小2×10-4倍。討論：1)不是越大越好，Φ0↑則，散粒噪聲↑→SNR↓，因此Φ0要適當選取。2)滿足信號處理的前提下，Δf越小越好。3)外差探測可以獲得光信號的全部信息；而直接探測僅能探測信號光的幅值。4)濾波性能好：空間濾波，光譜濾波。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三二、光外差探測的匹配條件1.光外差探測的空間條件要求信號光和本振光的波前在光探測器光敏面上保持相同的相位關系，即信號光和本振光的波前必須重合，必須保持信號光和本振光在空間上的角準直(或共軸)關系。定義中頻輸出比最大值小10%時的主光線夾角為失配角：第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.光外差探測的頻率條件要求兩束光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。3.光外差探測的偏振匹配為了獲得最大的中頻輸出，要求兩束光的偏振方向平行且保持穩(wěn)定。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.4.2光學位相調制一、基本原理光學相位調制是基于光的干涉原理，它利用二束相干光束的疊加而產(chǎn)生的干涉條紋隨被測量的變化而變化的現(xiàn)象，使被測量載荷在光的相位之上。第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三二、光學干涉儀位相差調制圖2.41邁克爾遜干涉儀第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三圖2.42吉曼干涉儀圖2.43馬赫澤德干涉儀第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.4.3光學頻率調制光學頻率調制是被測物理量載荷在光學差頻上。根據(jù)光頻差的獲得和差頻信號檢測方式不同，大致可以分為三種類型：參量調頻、固定頻移和直接調頻。第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三一、光頻移與差頻檢測外差干涉儀的基本特點是兩干涉光束之間的頻移使得干涉場強度隨時間作正弦變化，其變化頻率是兩束光的頻差。各種外差干涉儀技術的主要區(qū)別在于采用不同的方法來產(chǎn)生和測量兩束相干光之間的頻移。第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三1.產(chǎn)生光學頻移的方法多普勒頻移、塞曼頻移、旋轉1/4波片、移動衍射光柵、聲光布拉格器件等。圖2.44光學頻移第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.差頻檢測方法(1)

參量調頻被測參量直接對參考光的頻率進行調制，形成與參考光有定頻差的信號光，檢測差額信號的頻率可以測定被測參量值。第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三(2)固定頻移使用頻移器件使參考光波相對于信號光形成一固定的頻率偏移，或利用雙頻光源形成有一定頻差的兩束相干光束。被測信號對其中一束光波進行調制，用外差檢測其差頻信號就可以測定被測參量。這種方法有時也稱作光學超外差。第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三(