1、光外差探測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用張瀟依摘要：光外差探測(cè)又稱(chēng)為相干探測(cè)，其探測(cè)原理與微波及無(wú)線電外差探測(cè)原理相似，但是其探測(cè)精度亦比微波高數(shù)量級(jí)。相干探測(cè)與直接探測(cè)相比，其測(cè)量精度高數(shù)量級(jí)，它的靈敏度達(dá)到了量子噪聲限。關(guān)鍵字： 光外差探測(cè)、光子計(jì)數(shù)、量子噪聲限、激光測(cè)距、多普勒測(cè)速1. 引言光外差檢測(cè)在激光通信、雷達(dá)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)振和光譜學(xué)等方面都很有用途。光外差檢測(cè)的靈敏度達(dá)到了量子噪聲限，其N(xiāo)EP值可達(dá)W。可以檢測(cè)單個(gè)光子，進(jìn)行光子計(jì)數(shù)。在光電信息檢測(cè)中，當(dāng)光波頻率很高時(shí)，每個(gè)光子的能量很大，很容易被檢測(cè)出來(lái)，這時(shí)光外差檢測(cè)技術(shù)并不特別有用。相反，由于直接檢測(cè)不需要穩(wěn)定激光頻率，也不需要本振激光器，

2、在光路上不需要精確的準(zhǔn)直，因此，在這種情況下直接檢測(cè)更為可取。在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下，已經(jīng)有了高效率、大功率的光源可利用。但在這個(gè)波段缺少像在可見(jiàn)光波段那樣極高靈敏度的檢測(cè)器。因此，用一般的直接檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測(cè)，光外差檢測(cè)技術(shù)就顯示了它的優(yōu)越性。2. 原理光外差檢測(cè)是有別于直接檢測(cè)的另一種檢測(cè)技術(shù)。光外差檢測(cè)原理方框圖示于圖11。圖中，為信號(hào)光波，為本機(jī)振蕩（本振）光波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過(guò)分光鏡和可變光闌入射到檢測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)。經(jīng)檢測(cè)器變換后，輸出信號(hào)中包含的差頻信號(hào)，故又稱(chēng)相干檢測(cè)。 信號(hào)光束 探測(cè)器 本 振 放大器 光 束 圖11. 外差檢測(cè)原理示

3、意圖 激光器 分光鏡 光電檢測(cè)器 放大器 輸出 轉(zhuǎn)鏡 線柵偏振器 可變光闌 反射鏡 圖12 外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖12是外差檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置，光源是經(jīng)過(guò)穩(wěn)頻的激光器。由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)過(guò)反射的作為本振光波，其頻率為；另一路經(jīng)過(guò)偏心輪反射，并由透鏡聚焦到可變光闌上作為信號(hào)光束。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，光的回波就產(chǎn)生了多普勒頻移，其頻率為。可變光闌用來(lái)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(lái)使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒猓缓髢墒獯怪蓖渡涞綑z測(cè)器上。下面用經(jīng)典理論來(lái)分析兩光束外差后的結(jié)果。設(shè)入射到檢測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)為 ： 本機(jī)振蕩光場(chǎng)為： 那么，入射到檢

4、測(cè)器上 的總光場(chǎng)為： 由于光檢測(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 式中的橫線表示在幾個(gè)光頻周期上的平均。將上式展開(kāi)后， 則有 式中：為光電變換比例常數(shù)；為光子能量；稱(chēng)為差頻。上式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項(xiàng)（和頻項(xiàng)）頻率太高，光混頻器不響應(yīng)。而第四項(xiàng)（差頻項(xiàng)）相對(duì)光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光檢測(cè)器的截止頻率時(shí)，光檢測(cè)器就有頻率為的光電流輸出。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(guò)以為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為 從上式可以看出，中頻信號(hào)電流的振幅，頻率和相位都隨信號(hào)光波的振幅、頻率和相位成比例地變化。在中頻濾波器輸出

5、端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： 式中，為負(fù)載電阻。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： 式中：為信號(hào)光的平均功率；為本振光的平均功率。當(dāng)，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 這是外差檢測(cè)的一種特殊形式，稱(chēng)為零差檢測(cè)。 可以看到，差頻信號(hào)是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混頻得到的。如果頻率、相位不恒定，無(wú)法得到確定的差頻光。這就是為什么只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)的原因。 3 特性（1）.光外差檢測(cè)可獲得全部信息外差檢測(cè)中，光檢測(cè)器輸出的電流不僅與信號(hào)光和本振光的光波振幅成正比，而且輸出電流的頻率與相位還和合成振動(dòng)頻率和相位相等。因此，外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)

6、制的光信號(hào)，還可以檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。這種在光檢測(cè)器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位的全部信息，是直接檢測(cè)所不可能有的。（2）.光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益高光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為 在直接檢測(cè)中，檢測(cè)器輸出的電功率為 在兩種情況下，都假定負(fù)載電阻為。在同樣信號(hào)光功率下，這兩種方法所轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)功率比G為 式中，G稱(chēng)為增益。 由于在外差檢測(cè)中，本機(jī)振蕩光功率比信號(hào)光功率大幾個(gè)數(shù)量積是容易達(dá)到的，所以光外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá)。可以看出，在強(qiáng)光信號(hào)下，外差檢測(cè)并沒(méi)有多少好處；而在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)表現(xiàn)出十分高的轉(zhuǎn)換增益，轉(zhuǎn)換增益可以達(dá)到倍。所以可以說(shuō)，光外差檢測(cè)方式具有天然的

7、檢測(cè)微弱信號(hào)的能力。（3）.良好的濾波性能 如果取差頻信號(hào)寬度為信息處理器的通頻帶，即，那么只有與本機(jī)振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi)的雜光可以進(jìn)入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號(hào)處理器濾掉。因此，外差檢測(cè)系統(tǒng)中不需要加濾光片，其效果甚至比加濾光片的直接檢測(cè)系統(tǒng)還好很多。（4）.信噪比損失小 如果入射到檢測(cè)器上的光場(chǎng)不僅存在信號(hào)光波，還存在背景光波,檢測(cè)器的輸出電流為 輸出信噪比為 上式說(shuō)明，外差檢測(cè)的輸出信噪比等于信號(hào)光波和背景光波振幅的比值，輸入信噪比等于輸出信噪比，因此，輸出信噪比沒(méi)有任損失。（5）.最小可檢測(cè)功率，有利于微弱光信號(hào)的探測(cè)內(nèi)部增益為M的光外差檢測(cè)器的輸出有效信號(hào)功率為 式中：M

8、是檢測(cè)器的內(nèi)增益，對(duì)于光導(dǎo)檢測(cè)器M=01000；對(duì)于光伏監(jiān)測(cè)器M1；對(duì)于光電倍增管M在以上。 在光外差檢測(cè)系統(tǒng)中遇到的噪聲與直接檢測(cè)系統(tǒng)中的噪聲基本相同，存在許多可能的噪聲源。在外差檢測(cè)中，外界輸入檢測(cè)器的噪聲及檢測(cè)器本身的噪聲通常都比較小，并可消除。但有兩中噪聲難以消除，因此，應(yīng)主要考慮不可能可服或難以消除的散粒噪聲和熱噪聲。外差檢測(cè)中輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為 式中：為背景輻射功率；為檢測(cè)器的暗電流；為外差檢測(cè)中頻帶寬。上式表示，外差檢測(cè)系統(tǒng)中的噪聲分別由信號(hào)光、本振光和背景輻射所引起的散粒噪聲，由檢測(cè)器暗電流引起的散粒噪聲以及由檢測(cè)器和電路產(chǎn)生的熱噪聲組成。于是功率信噪比為 當(dāng)本征功率

9、足夠大時(shí)，上式分母中本征散粒噪聲功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所有其他的噪聲，則上式變?yōu)?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(chēng)為光外差檢測(cè)的量子檢測(cè)極限或量子噪聲限。對(duì)于熱噪聲是主要噪聲源的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)量子噪聲限檢測(cè)的條件 即 為了克服由信號(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，增大本振光功率是有利的。但是，也不是越大越好。這是因?yàn)楸菊窆獗旧硪惨鹪肼暋．?dāng)本振光光功率足夠大時(shí)，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲；本振光功率繼續(xù)增大時(shí)，由本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲也隨之增大，從而使光外差檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比降低。所以，在實(shí)際的光外差檢測(cè)系統(tǒng)中要合理選擇本振光功率的大小，以便得

10、到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。 若用最小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）NEP值 這個(gè)值有時(shí)稱(chēng)為光外差檢測(cè)的靈敏度，是光外差檢測(cè)的理論極限。（6）.光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求響應(yīng)頻帶寬；均勻性好；工作溫度高。4 應(yīng)用（1）.干渉測(cè)量技術(shù) 應(yīng)用光的干渉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱(chēng)為干渉測(cè)量技術(shù)。一般干渉測(cè)量主要由光源、干渉系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。根據(jù)測(cè)量對(duì)象及測(cè)量要求的不同而各有不同的組合，并由此形成了各種結(jié)構(gòu)形式的干渉儀。 測(cè)量參量一般是通過(guò)改變干渉儀中傳輸光的光程而引起對(duì)光的相位調(diào)制。由干渉儀解調(diào)出來(lái)的信息是一幅干渉圖樣，它以干渉條紋的變化反映被測(cè)參量的信息。干渉條紋是由于干渉場(chǎng)上

11、光程差相同的地點(diǎn)的軌跡形成。干渉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有關(guān)。因此根據(jù)干渉條紋上述諸因素的變化可以進(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、關(guān)學(xué)材料內(nèi)部缺陷等各種與光程有確定關(guān)系的幾何量和物理量的測(cè)量。（2）.光外差通信 光外差通信基本上都是采用激光器做光源。因?yàn)榧す馄鞯陌l(fā)射波長(zhǎng)為10.6，這一波長(zhǎng)恰好位于大氣窗口之內(nèi)，衰減系數(shù)較小；另外，激光波長(zhǎng)容易實(shí)現(xiàn)外差接收。 如圖13所示為激光外差通信原理框圖，它由發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組成。激光發(fā)射系統(tǒng)由光學(xué)發(fā)射天線、激光器及穩(wěn)頻回路組成。光學(xué)發(fā)射天線用反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)。 視頻信號(hào) 驅(qū)動(dòng)器

12、 11 壓電陶瓷7 2 12 6 激光器1 自動(dòng)頻率 跟蹤放大器 3 7 4 視頻 諧放 探測(cè)器 放大器 混頻器14 接受光 視頻 學(xué)系統(tǒng) 探測(cè)器 放大器 視頻器 放大 器 13 15 16 17 22 本地振蕩 激光器20 光路 電器 21壓電陶瓷 19 18 自動(dòng)頻率 自動(dòng)頻率 跟蹤放大 跟蹤濾波 圖13 激光器外差通信原理框圖激光諧振腔由工作物質(zhì)及兩塊反射鏡組成，其中一塊是全反射鏡，另一塊反射鏡的反射率為98，激光就從這塊反射鏡上輸出。全反射鏡通過(guò)壓電陶瓷與腔體連接，改變壓電陶瓷的軸向長(zhǎng)度就改變了諧振腔長(zhǎng)，從而控制激光波長(zhǎng)。 其穩(wěn)頻原理如下：輸出的激光經(jīng)過(guò)選擇性反射鏡2把一小部分能量反射

13、到標(biāo)準(zhǔn)濾光片3上，此濾光片的濾光曲線如圖14所示。為控制激光頻率，10.6不在峰值處，而在曲線的上升段。當(dāng)波長(zhǎng)偏離10.6時(shí)，輸出光通量 發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)光電檢測(cè)器4（可用熱釋電器件）把此波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信好的變化，經(jīng)諧振放大器5放大后送到頻率跟蹤電路6去控制壓電后陶瓷的伸縮率（壓電陶瓷的伸縮與加在它上面的電壓值成比例）。由濾波曲線可知，當(dāng)發(fā)射波長(zhǎng)增加時(shí)，光通量亦增加，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及諧放輸出的電壓也增大，加在壓電陶瓷器后使腔長(zhǎng)縮短，發(fā)射頻率提高，波長(zhǎng)減短；反之，則波長(zhǎng)加長(zhǎng)。因而將發(fā)送頻率控制在10.6處。 10.6 0 圖14 濾光曲線 被傳送的信息（視頻信號(hào)）被驅(qū)動(dòng)電路11加到電光調(diào)

14、制器上（為提高調(diào)制頻率，調(diào)制器放在激光諧振腔體內(nèi)），被傳送的信息攜載到激光波長(zhǎng)上發(fā)送到空間。 在接收端，由光學(xué)系統(tǒng)（接收天線13）把載有信息的激光能量收集在混頻器14上，同時(shí)本地振蕩激光器20發(fā)出的光也投射在混頻器上。經(jīng)混頻后的光投射在檢測(cè)器上輸出電信號(hào)。此電信號(hào)經(jīng)濾波后只保存了差頻信號(hào)，這一差值通常設(shè)計(jì)在30的中頻段。再經(jīng)中頻放大、鑒頻后 還原出被傳送的視頻信號(hào)。 為得到穩(wěn)定的差頻信號(hào)，本機(jī)振蕩光也需穩(wěn)頻，否則被傳輸信息的失真度加大。穩(wěn)頻過(guò)程與激光發(fā)射穩(wěn)頻過(guò)程類(lèi)似，不過(guò)，穩(wěn)頻控制信號(hào)取自于視頻信號(hào)。當(dāng)激光頻率發(fā)生偏離時(shí)，鑒頻器17輸出信號(hào)也產(chǎn)生了變化，經(jīng)頻率跟蹤濾波器18濾波放大后，控制壓電

15、陶瓷，改變諧振腔腔長(zhǎng)，使激光頻率穩(wěn)定。 檢測(cè)器在接收10.6激光波長(zhǎng)時(shí)，須在液氮77K下制冷工作。 激光通信用于地面時(shí)，由于大氣湍流的影響，通信效果不佳；但用于衛(wèi)星之間及衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)傳遞時(shí)大有發(fā)展前途。（3）.多普勒測(cè)速 該原理利用多普勒效應(yīng)可測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速動(dòng)。 以激光照射運(yùn)動(dòng)著的物體或流體時(shí)，其反射光或散射光將產(chǎn)生多普勒頻移，用它與本振光進(jìn)行混頻可測(cè)得流體的流速，圖15可以具體說(shuō)明多普勒測(cè)流速的原理。 粒子流動(dòng) P M T 光源 放大屏 分束鏡透鏡 聚焦透鏡 信號(hào)電源 圖15 多普勒測(cè)速原理 光束1 光軸 光束2 圖16 高斯光束束腰的干渉場(chǎng)圖中激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，分束鏡

16、把激光分成兩路，這兩束光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡把它們會(huì)聚于焦點(diǎn)。在焦點(diǎn)附近兩束光形成干渉場(chǎng)。流體流經(jīng)這一范圍時(shí)，流體中的微小顆粒對(duì)光進(jìn)行散射，聚焦透鏡把這些散射光聚焦在光電倍增管上，產(chǎn)生包含流速信息得光電信號(hào)。經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娮泳€路處理可測(cè)出流體的流速。 光源通常是單模工作狀態(tài)。它的光強(qiáng)分布考慮為高斯分布。在透鏡后焦點(diǎn)附近高斯光束束腰的波前為平面波，兩光束在束腰的空間范圍相交得到平行的干渉條紋；在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的空間范圍內(nèi)相交得到的干渉條紋為弧形。圖16表示出高斯光束束腰的干渉條紋。 當(dāng)兩光束的夾角為，光波波長(zhǎng)為時(shí)，由圖17可看出干渉條紋的間距為 波面 干渉條紋 光 源 等光程面 平面 去觀察者 (a) (b) (

17、c) 圖17 干渉條紋間距干渉條紋的空間頻率（單位長(zhǎng)度內(nèi)條紋明暗對(duì)數(shù)）為 當(dāng)散射粒子在平行干渉條紋的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，散射的光波強(qiáng)度隨干渉場(chǎng)及流速面變化。若顆粒運(yùn)動(dòng)的速度為v，運(yùn)動(dòng)的方向與條紋垂直的夾角為（見(jiàn)圖16（c），則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為 由此可知，只要檢測(cè)出粒子散射光強(qiáng)的頻率，就可求出粒子的流速v。式中、及為已知。5 結(jié)論 光外差檢測(cè)技術(shù)在激光通信、雷達(dá)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)振和光譜學(xué)等方買(mǎi)都很有用途。這種技術(shù)的靈敏度很高，達(dá)到了量子噪聲極限，可以檢測(cè)單個(gè)光子，進(jìn)行光子計(jì)數(shù)。 【參考文獻(xiàn)】【1】 雷玉堂，王慶有，何加銘，張偉風(fēng)等. 光電檢測(cè)技術(shù).北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1997【2】 安毓英. 光電探測(cè)原理.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，