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1、1 相干变换与检测方法 7 1相干变换与检测的原理7 2相干信号的相位调制与检测7 3相干光外差检测原理 2 相干变换与检测方法 7 1相干变换与检测的原理7 2相干信号的相位调制与检测7 3相干光外差检测原理 3 7 1相干变换与检测原理 光的干涉就是利用可能相干的两束和多束光波相叠加 它的合成的光强度随着时间或空间有规律的变化干涉测量的作用就是光波的相位关系或频率状态以及它们随时间变化关系以光强度的空间分布或时间变化的形式检测出来 一 光学干涉和干涉测量 4 S1 S2 P 干涉条纹的强度分布 当频率相同的光相干时 干涉条纹不随时间改变 呈现稳定的空间分布 随着相位差的变化 干涉条纹强度的
2、分布表现为有偏置的正弦分布当两束光的频率不同 干涉条纹将以角频率随时间波动 形成外差信号 5 干涉与相位延迟和对比度的关系 条纹光强的直流分量 条纹光强的对比度 6 二 干涉测量中的调制和解调 干涉测量实质上是被测信息对光载波的调制和解调的过程调制技术根据所调制的光载波的特征参量不同 可以分为振幅调制 相位调制 频率调制 偏振调制和光波长调制 解调是指能从被调制的光载波中以与被测参量成正比例的光强度信号或电信号形式检测出被测量 7 干涉仪的等效框图 载波器 解调器 参考光路 调制器 被测参量 单色光源 测量光路 U0 8 迈克尔逊干涉仪 调制器 Lr Ls 激光器 光学隔离器 光电检测器 参考
3、镜 测量镜 9 相干变换与检测方法 7 1相干变换与检测的原理7 2相干信号的相位调制与检测7 3相干光外差检测原理 10 7 2相干信号的相位调制与检测 一 相位调制的干涉系统对于均匀介质 光相位的变化为 引起光程发生变化的参量有 几何距离 位移 角度 速度 温度引起的热膨胀等 引起折射率发生变化的参量有 介质成分 密度 环境温度 介质周围电场 磁场等 当相干光束的频率相同时 若被测量变化使相干光波的相位发生变化 再通过干涉作用把光波相位的变化转变为振幅的变化 单频光波相位调制 相位调制的干涉仪有 迈克尔逊干涉仪 吉曼干涉仪 马赫 泽德干涉仪 萨古纳克干涉仪和法布里 珀罗干涉仪 11 典型光
4、学干涉仪 激光器 固定镜 分束镜2 分束镜1 测量镜 检测器 马赫 泽德干涉仪 激光器 测量镜 传感器 固定镜 d 检测器 法布里 珀罗干涉仪 n 输出分束镜有两束干涉光输出 回馈到激光器的散射光较少 可移动测量镜引入被测位移 平面镜之间相对位移 平面镜内介质折射率 12 二 干涉条纹的测量方法 条纹光强检测法在干涉场中确定的位置上用光电元件直接测量干涉条纹的光强度变化 激光器 光电检测器 参考镜 测量镜 I1 I2 单频光相干时 合成信号的瞬时光强为用的平均值等效该积分值 13 条纹光强检测法 1 光的单色性对相干度的影响2 光源的光束发散角的影响 式中 比例因子 称为两光束的相干度 越大
5、光强随相位的变化越明显 0时 合成光强只有直流成分 与相位无关 14 光电检测器把光信号转变为电信号 光电信号的质量不仅取决于干涉条纹的相干度 而且取决于接收器光阑和条纹宽度D之间的比例关系 在任一位置x x0处 光电检测器的输出Is0为 光电接收器的接收孔径光阑与条纹宽度的关系 x 条纹光强检测法 l h 称作光电转换混频效率 15 当l D 0 1时光电信号交变分量幅度最大 当l D 0时 光电信号只有直流分量 为了增大 可以通过减少l值或者加大条纹宽度D的方法 条纹光强检测法 16 二次相位调制与干涉图分析 波面相位调制迈克尔逊干涉仪 米勒干涉仪 斐索干涉仪 将光束扩束成平面波照射到被测
6、物体上 干涉场是一组二维干涉图 通过对干涉图的分析 可以获得折射率分布和物体变形量 17 二次相位调制与干涉图分析 阶梯波扫描干涉法使用压电陶瓷驱动装置将参考光束的相位进行调制 将参考光束的相位进行人为随时间进行调制 使干涉图上各点处的光学相位变换为相应点时序信号的相位 18 看成 r的函数 可以表示直流分量和基波分量的傅里叶级数形式 阶梯波扫描干涉法 考虑一维情况 干涉面上任意一点x的光强可表示为 令 r在2 周期内每次改变1 n周期 共采样p个周期 即 19 阶梯波扫描干涉法 令 rj对应的干涉强度为 则各系数表示为 上式是干涉场亮度变化周期函数的最佳拟合 则被测物体表面相位信息为 20
7、相干变换与检测方法 7 1相干变换与检测的原理7 2相干信号的相位调制与检测7 3相干光外差检测原理 21 7 3相干光外差检测原理 该方法将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波 在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行混频 探测器输出的是频率为两光波光频差的拍频信号该信号包含有调制信号的振幅 频率和相位 通过检测拍频信号最终调制出被传送的信号 22 一 光学外差检测原理 设入射信号光波的振幅和参考光波的振幅分别为由光电探测器的平方律特性 输出光电流为 23 使只有频差信号处于探测器的通频带范围内 则倍频信号及和频项不能被光电器件接受探测器的输出 其中为双频光波的相位差 上式为光
8、学外差信号表达式 保持本征信号不变的情况下 外差信号的振幅 频率和相位可以表征信号光波的特征参量 也就是外差信号能够无畸变复制调制信号的特征 混频后的频谱 24 以调幅信号为例 设信号光振幅as受调制信号F t 的调制 即将其代入到外差信号表达式中 得到 从中可以看到 信号光波振幅上所载荷的调制信号的双边带转换到外差信号上 25 零差信号 若使本征光频率和信号光频率相同 则零差探测的信号表达式如下 同样 如果调幅信号光 则零差信号 表明零差信号也可以无畸变获得信号的原形 只包含了本征光振幅的影响 26 光外差检测的特点 探测能力强 光波的振幅 相位及频率的变化都会引起光电探测器的输出 因此外差
9、探测不仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号 而且可以检测出相位和频率调制的光信号转换增益高 外差探测时经过光电接收器输出的电流幅值为 27 同样信号光功率下 光外差探测和直接探测得到的信号功率比为G为转换增益相干探测中本征光的功率P0远大于接收到的信号光功率PS 通常是高几个数量级 因此G可高达107 108数量级 光外差检测的特点 28 信噪比高 光外差检测的特点 外差探测可以检测到更小的入射功率 有利于弱光信号的检测 29 滤波性能好形成外差信号 要求信号光和本征信号空间严格对准 而背景光入射方向是杂乱无章的 偏振方向也不确定 不能满足外差空间调准要求 不能形成有效的外差信号 因此该方法可
10、以滤掉背景光 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外差信号的频谱范围 这样杂散光形成的拍频信号也可以被滤掉 30 外差检测的条件 相位条件 假设信号光和本征光是平面波 两者之间夹角 并假定光探测器的光敏平面是边长为d的正方形 假定本征光垂直入射 x 信号光与本征光波前有一失配角 信号为 d 31 入射到光混频器表面的总光场为则光混频器输出的瞬时光电流为其中 32 即失配角 与信号光波长 s成正比 与光混频器的尺寸d成反比波长越长 光电探测器的尺寸越小 则容许的失配角就越大 波长越短 空间准直要求也越苛刻 瞬时中频电流达到最大值 33 外差检测的频率条件 两者具有高度的单色性和频率稳定度如果信
11、号光和本征光的频率相对漂移很大 两者频率之差就可能大大超过中频滤波器的带宽通常两束光取自同一激光器 通过频率偏移取得本征光 信号光通过调制得到 34 光外差探测的偏振条件 要求信号光与本征光的偏振方向一致 这样两束光才能按照光束叠加规律进行合成通常光电器件前放置偏振片 35 二 外差法的调频方法 为了形成外差检测的光频差 采用频率调制方法运动参量调频固定频移直接调频法 36 1 运动参量的频率调制 利用多普勒效应 运动物体能改变入射到其上的光波的频率 即频率为f0的单色光入射到速度为v的运动物体上 被物体散射的光波频率fs会产生多普勒频移 它散射的方向有关 r0f0 v rsfs 对运动参量进
12、行检测时 被测运动参量直接对参考光波的频率进行调制 形成与参考光有一定频差的信号光 这种频率调制方法称为参量调频法 37 多普勒频率调制方式 参考光束方式 检测器 v 激光器 M2 M1 M3 L 经过反射镜M2的光束作为参考光束 透过半反射镜M1的光束被颗粒散射 38 多普勒频率调制方式 对称互差方式 v 激光器 M1 M2 L2 L0 L1 探测器 两束对称的散射光载荷两个对称方向的多普勒频移信号 在光电探测器形成外差信号 39 2 固定频移的频率调制 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的频率偏移塞曼效应旋转波片激光频移采用声光效应激光频移 40 3 直接光频调制 半导体激光器的直接
13、频率调制半导体激光器LD具有良好的工作特性 当注入电流改变时 激光器的振荡频率能直接变化 利用可进行频率调制的激光器产生随时间变化的调频参考光束的频率调制方法 41 调制器 Lr Ls 激光器 光学隔离器 光电检测器 参考镜 测量镜 基于迈克尔逊干涉仪的直接频率光干涉测量 42 光程差为 则两束光波的相位差为注入电流改变 光频改变为 则两相干光的附加相位偏移为光电探测器输出的光电流为 干涉信号的强度会随时间改变 43 三 外差信号的检测 光载波 光调制 外差检测 测频测相 调频外差信号检测示意图 44 一 零差检测 多普勒信号接收 45 一 零差检测 设进入VD1的两束垂直偏振光 进入VD2的
14、两束平行偏振光 则光电探测器上混频得到外差信号 差分输出 46 双频激光干涉仪 M3 激光器 光学隔离器 光电检测器2 参考镜 测量镜 M4 M2 M1 F1 F2 光电检测器1 二 双频干涉 47 三 直接光频率调制的外差检测 在激光器中注入方波对激光器进行调制 使得产生的附加相位周期性变为0或 2 系统可以检测反射镜的振动和位移 对于1kHz的振动 相位检测灵敏度为5 10 5rad Hz 激光器 固定镜 分束镜2 分束镜1 探测器1 探测器2 双频切换干涉法信号解调示意图 马赫 泽德尔干涉仪 48 小结 相干检测的光学基础 光的干涉干涉仪是形成干涉现象的光学装置 它能够在直接测量的光强度上 描绘 出相位信息 迈克尔逊干涉仪 马赫 泽德干涉仪 法布里 珀罗干涉仪相干光外差检测 将调制信号从高频光载波转移到差频信号上光频差获取的方法 运动参量调频 固定频移 直接光频调制外差信号检测方法 双频干涉法 双频切换干涉法 零差检测
