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1、激光外差干涉测试技术激光外差干涉测试技术*1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)Date2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。Date3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，
2、七十年代起有人将 电通讯的外差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。Date4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78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
3、离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫 星之间通信联系已达到实用阶段。Date5一、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 210137.51014Hz，振动周期T为510-14 1.310 -15 s (可见光到中近红外)，而探测器响应时间最短10 -10 s, 它只能响应其平均能量或平均功率。Date6在直接探测中，设光波动的圆频率为， 振幅为A，则光波f(t)写成平均功率Date7fs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,
4、输出信号中 包含 fc fs fL 的差频信号故又称相干探测.光外差检测Date8，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Date9 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Date10 ； : 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12。 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Date11 光学外差探测利用一个频
5、率与被测相干辐射的频率相近 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l Okm . Date12激光外差干涉测试技术 4.1 激光外差干涉测试技术原理 外差干涉技术原理 在干涉场中，放入两个探测器，一个放
6、在基准点(x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号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t，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（扫描探测器（x xi i, , y yi i）基准探测器（基准探测器（x x0 0, , y y0 0）（a a） t t1/1/ t ti i( (x, y, tx, y, t) )（b b）图图4-32 4-32 外差干涉图样和电信号外差干涉图样和电信号
7、Date13激光外差干涉测试技术 4.1 激光外差干涉测试技术原理 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12MHz的频差 2）双纵模He-Ne激光器频差约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 。Date14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
8、时为高 ，而列车迅速离去时则音调 较静止时为低。此外，若声 源静止而观察者运动，或者 声源和观察者都运动，也会 发生收听频率和声源频率不 一致的现象。这种现象称为 多普勒效应。 Date15多普勒效应的应用 美国霍普金斯大学利用多普勒效 应对苏联第一颗人造卫星进行了 跟踪试验，科学家发现，当卫星 在近地点时信号频率就增加，远 地点时信号频率就降低。因为卫 星轨道是已知的，所以接收卫星 信号的接收机不论处于何方，它 的位置都能被测定。Date16光波的多普勒效应光波的多普勒效应 具有波动性的光也会出现这种效应，它 又被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学 家斐索（1819-1896）于1848
9、年独立地对来 自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这 种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波 的不同之 处在于,光波频率的变化使人感觉到 是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去,则光 的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果 恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向 移动，称为蓝移. Date17激光外差干涉测试技术 4.1 激光外差干涉测试技术原理 激光外差干涉仪的光源 3）光学机械移频在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，如 果固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转 变为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，使其产生 2f的频移。圆偏振光再次穿过固
10、定1/4波片后又恢复为线偏振光 ，但频率已发生偏移 。垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光 栅的第n级衍射光产生的 频移，此处f 是光栅的空间频 率，V是光栅移动速度。 4）声光调制器 利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移 动光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移 动光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动 频率f，而与光的波长无关。Date18光外差检测的特性 可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频 率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光 的振幅、频率和相位等全部信息。转换效率高：转换增益可高达，
11、对微弱信号的探测有利 。差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得 到的，只有激光才能实现外差探测。 Date19光外差检测的特性良好的滤波性能取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光； 而直接探测中，所有的杂散光都被接收 信噪比损失小 检测灵敏度高 例如：量子效率为， f为Hz，则外差检测的 灵敏度极限为个光子Date20系统对探测器性能的要求 光外差检测对探测器的要求比直接检测高响应频带宽均匀性好工作温度高 Date214-4 激光外差干涉测试技术 4.1 激光外差干涉测试技术原理 外差干涉技术原理 设测试光路和参考光路的光波频率分别为和+， 则干涉场的瞬时
12、光强为由于光电探测器的频率响由于光电探测器的频率响 应范围远远低于光频应范围远远低于光频 ， 它不能跟随光频变化，所它不能跟随光频变化，所 以式中含有以式中含有2 2 的交变项的交变项 对探测器的对探测器的输出响应无贡输出响应无贡 献献。干涉场中某点（干涉场中某点（x x ，y y）处光强以低处光强以低 频频 随时间呈余弦随时间呈余弦 变化变化 Date224-4 激光外差干涉测试技术 4.2 激光外差干涉测试技术应用 激光外差干涉测长数据处理数据处理双频激光器双频激光器1/41/4波片波片准直系统准直系统可动角可动角 隅棱镜隅棱镜检偏器检偏器v v探测器探测器前置前置 放大器放大器f f2
13、2f f1 1f f1 1f ff f2 2f f1 1f f2 2f f1 1f f图图4-33 4-33 双频激光器外差干涉测长原理图双频激光器外差干涉测长原理图偏振分光镜偏振分光镜f f2 2f f1 1f f2 2（f f1 1f f）Date234-4 激光外差干涉测试技术 4.2 激光外差干涉测试技术应用 激光外差干涉测量微振动f f0 0f f0 0f fs s1 12 23 34 41/21/2波片波片5 510106 67 71/41/4波片波片9 9振动体振动体 图图4-34 4-34 双频激光测量振动光路示意图双频激光测量振动光路示意图8 8f f0 0f fD D方解石
14、棱镜及方解石棱镜及1/41/4波片的作用是波片的作用是 使测量光束的光路既作发射光使测量光束的光路既作发射光 路，又作接收光路。通过路，又作接收光路。通过o o光和光和 e e光在方解石中光路的不同，起光在方解石中光路的不同，起 到到“ “光学定向耦合光学定向耦合” ”作用，使发作用，使发 射与接收的光无损失地通过方射与接收的光无损失地通过方 解石棱镜解石棱镜( (不考虑光吸收损失不考虑光吸收损失) )。 频率频率f fs s信号由声光调制器信号由声光调制器 的信号源直接输入混频的信号源直接输入混频 器与拍频信号混频，把器与拍频信号混频，把 多普勒频移多普勒频移f fD D解调出来解调出来 。
15、 Date244-4 激光外差干涉测试技术 4.2 激光外差干涉测试技术应用 激光外差干涉在精密定位中的应用图4-35 平面镜干涉系统光路图 图4-36 平面镜干涉系统倾斜光路图该干涉仪系统有以下两个特点：该干涉仪系统有以下两个特点： (1)(1)仪器分辨力由于多普勒频差增仪器分辨力由于多普勒频差增 加一倍而增加一倍；加一倍而增加一倍； (2)(2)平面反射镜相对于光轴的任何平面反射镜相对于光轴的任何 偏斜只会使反射回的光束偏移，偏斜只会使反射回的光束偏移， 而不会偏斜。而不会偏斜。 Date25 外差探测不仅可探测振幅和强度调制的光信号， 还可探测频率调制及相位调制的光信号。这是外 差探测的第一个优点。光外差检测的特性 Date26二、光外差探测特性 1、转换增益光探测器输出电流振幅为在直接探测中，输出信号电流的振幅外差转换增益由于在外差探测中，本机振荡光功率PL比信号光功率大几个数量级，所以，外差转换增益可以高达107 10 8 。由此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵
