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1、激光外差干涉测试技术光电检测系统分类主动系统/被动系统(按信息光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)点探测/面探测系统(按接受系统分)模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测系统/光外差检测系统(按光波对信号的携带方式分)7/16/20212直接检测的基本原理直接检测(非相干检测):都是利用光源发射的光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。7/16/20213激光外差干涉测试技术单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分都比较困难。为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯的外差
2、技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。特点：克服单频干涉仪的漂移问题；细分变得容易；提高了抗干扰性能。7/16/20214光外差探测系统光外差探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探测与光直接探测比较，其测量精度要高7~8个数量级。激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空
3、间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。7/16/20215一、光外差探测原理光外差探测与直接探测相比较有许多优点，在直接探测中由于光的振动频率高达2×1013~7.5×1014Hz，振动周期T为5×10-14~1.3×10-15s(可见光到中近红外)，而探测器响应时间最短10-10s,它只能响应其平均能量或平均功率。7/16/20216在直接探测中，设光波动的圆频率为ω，振幅为A，则光波f(t)写成平均功率7/16/20217fs为信号光波，fL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探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变换后,输出信号中包含fc＝f
4、s–fL的差频信号．故又称相干探测.光外差检测7/16/20218，入射到探测器上的总光场为由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器的光电流为7/16/20219设入射到探测器上的信号光场为：本机振荡光场为：入射到探测器上的总光场为：基本原理7/16/202110；:量子效率；:光子能量；:差频。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）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为的光电流输出。光探测器输出的光电流7/16/202111光学外差探测利用一个频率与被测相干辐射的频率相
5、近的参考激光辐射在探测元件（通常由光电导材料、光生伏打材料或光电发射材料制成）中与被测辐射混频而产生差频。光学外差探测只受到散粒噪声的限制，因而探测率比直接探测或零差探测高几个数量级。零差探测的本振信号经分光器从发射光源分离出来,与调制后的接收信号混频产生外差信号,本振信号的频率相同,差频为零,主要优点:省去了本振器,比外差探测简单,可靠;发射光频的稳定性可以放宽;光频移速率可经接收频差除以光往返时间测定,距离大于lOkm.7/16/202112激光外差干涉测试技术4.1激光外差干涉测试技术原理①外差干涉技术原理在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0,y0)处，称之为基准探测器，其
6、输出基准信号i(x0,y0,t)，另一个放在干涉场某探测点(xi,yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi,yi,t)。将两信号相比，测出信号的过零时间差Δt，便可知道二者的光学位相差由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以测出干涉场各点的位相差。扫描探测器（xi,yi）基准探测器（x0,y0）（a）Δt1/Δνti(x,y,t)（b）图4-32外差干涉图样和电信号7/16/202113激光外差干涉测试技术4.1激光外差干涉测试技术原理②激光外差干涉仪的光源外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差2）双纵模He-Ne激光
7、器——频差约600MHz（较大）3）光学机械移频当干涉仪中的参考镜以匀速v沿光轴方向移动时，则垂直入射的反射光将产生的频移为。如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于半波片旋转频率f的频移，即。7/16/202114声波的多普勒效应一辆汽车在我们身旁急驰而过，车上喇叭的音调有一个从高到低的突然变化；站在铁路旁边听列车的汽笛声也能够发现，列车迅速迎面而来时音调较静止时为高，而列车迅速离去时则音调
