光電測試技術(shù)- 激光外差干涉

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1、激光外差干涉測試技術(shù)光電檢測系統(tǒng)分類主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)點探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分)直接檢測系統(tǒng)/光外差檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶方式分)9/7/20212直接檢測的基本原理直接檢測(非相干檢測):都是利用光源發(fā)射的光強攜帶信息,直接把接受到的光強變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化。9/7/20213激光外差干涉測試技術(shù)單頻激光干涉儀的光強信號及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號都是直流量，直流漂移是影響測量準確度的重要原因，信號處理及細分

2、都比較困難。為了提高光學(xué)干涉測量的準確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)。概念：光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由電路和計算機檢出干涉場的相位差。特點：克服單頻干涉儀的漂移問題；細分變得容易；提高了抗干擾性能。9/7/20214光外差探測系統(tǒng)光外差探測在激光通信、雷達、測長、測速、測振、光譜學(xué)等方面都很有用。其探測原理與微波及無線電外差探測原理相似。光外差探測與光直接

3、探測比較，其測量精度要高7~8個數(shù)量級。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴重，破壞了激光的相干性，因而目前遠距離外差探測在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達到實用階段。9/7/20215一、光外差探測原理光外差探測與直接探測相比較有許多優(yōu)點，在直接探測中由于光的振動頻率高達2×1013~7.5×1014Hz，振動周期T為5×10-14~1.3×10-15s(可見光到中近紅外)，而探測器響應(yīng)時間最短10-10s,它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。9/7/20216在直接探測中，設(shè)光波動的圓頻率為ω，振幅為A，

4、則光波f(t)寫成平均功率9/7/20217fs為信號光波，fL為本機振蕩(本振)光波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過分光鏡和可變光闌入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后,輸出信號中包含fc＝fs–fL的差頻信號．故又稱相干探測.光外差檢測9/7/20218，入射到探測器上的總光場為由于光探測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比，所以光探測器的光電流為9/7/20219設(shè)入射到探測器上的信號光場為：本機振蕩光場為：入射到探測器上的總光場為：基本原理9/7/202110；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、

5、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項（和頻項）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項（差頻項）相對光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為的光電流輸出。光探測器輸出的光電流9/7/202111光學(xué)外差探測利用一個頻率與被測相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測元件（通常由光電導(dǎo)材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測輻射混頻而產(chǎn)生差頻。光學(xué)外差探測只受到散粒噪聲的限制，因而探測率比直接探測或零差探測高幾個數(shù)量級。零差探測的本振信號經(jīng)分光器從發(fā)射光源分離出來,與調(diào)制后的接收信號

6、混頻產(chǎn)生外差信號,本振信號的頻率相同,差頻為零,主要優(yōu)點:省去了本振器,比外差探測簡單,可靠;發(fā)射光頻的穩(wěn)定性可以放寬;光頻移速率可經(jīng)接收頻差除以光往返時間測定,距離大于lOkm.9/7/202112激光外差干涉測試技術(shù)4.1激光外差干涉測試技術(shù)原理①外差干涉技術(shù)原理在干涉場中，放入兩個探測器，一個放在基準點(x0,y0)處，稱之為基準探測器，其輸出基準信號i(x0,y0,t)，另一個放在干涉場某探測點(xi,yi)處，稱之為掃描探測器，輸出信號為i(xi,yi,t)。將兩信號相比，測出信號的過零時間差Δt，便可知道二

7、者的光學(xué)位相差由控制系統(tǒng)控制掃描探測器對整個干涉場掃描，就可以測出干涉場各點的位相差。掃描探測器（xi,yi）基準探測器（x0,y0）（a）Δt1/Δνti(x,y,t)（b）圖4-32外差干涉圖樣和電信號9/7/202113激光外差干涉測試技術(shù)4.1激光外差干涉測試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。1）塞曼效應(yīng)He-Ne激光器——可得到1~2MHz的頻差2）雙縱模He-Ne激光器——頻差約600MHz（較大）3）光學(xué)機械移頻當(dāng)干涉儀中的參考鏡以勻速v沿光軸方向移動時，則垂直入射的

8、反射光將產(chǎn)生的頻移為。如果圓偏振光通過一個旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率f的頻移，即。9/7/202114聲波的多普勒效應(yīng)一輛汽車在我們身旁急馳而過，車上喇叭的音調(diào)有一個從高到低的突然變化；站在鐵路旁邊聽列車的汽笛聲也能夠發(fā)現(xiàn)，列車迅速迎面而來時音調(diào)較靜止時為高，而列車迅速離去時則音調(diào)較靜止時為低。此外，若聲源