光电测试技术- 激光外差干涉

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,激光外差干涉测试技术,9/15/2024,1,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),9/15/2024,2,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。,9/15/2024,3,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。,9/15/2024,4,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。,9/15/2024,5,一、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210,13,7.510,14,Hz，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,。,9/15/2024,6,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,9/15/2024,7,fs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 fs fL 的差频信号故又称相干探测.,光外差检测,9/15/2024,8,，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,9/15/2024,9,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,9/15/2024,10,； :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,9/15/2024,11,光学外差探测,利用一个频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 .,9/15/2024,12,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，一个放在基准点(,x,0,y,0,)处，称之为基准探测器，其输出基准信号,i,(,x,0,y,0,t,)，另一个放在干涉场某探测点(,x,i,y,i,)处，称之为扫描探测器，输出信号为,i,(,x,i,y,i,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（,x,i,y,i,）,基准探测器（,x,0,y,0,）,（a）,t,1/,t,i,(,x, y, t,),（b）,图4-32 外差干涉图样和电信号,9/15/2024,13,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 。,9/15/2024,14,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。,9/15/2024,15,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。,9/15/2024,16,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.,9/15/2024,17,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2,f,的频移。圆偏振光再次穿过固定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。,9/15/2024,18,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,，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。,9/15/2024,19,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,9/15/2024,20,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,9/15/2024,21,4-4 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,+,，则干涉场的瞬时光强为,由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频,，它不能跟随光频变化，所以式中含有2,的交变项对探测器的,输出响应无贡献,。,干涉场中某点（,x,，,y,）处光强以低频,随时间呈余弦变化,9/15/2024,22,4-4 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,双频激光器,1/4波片,准直系统,可动角,隅棱镜,检偏器,v,探测器,前置,放大器,f,2,f,1,f,1,f,f,2,f,1,f,2,f,1,f,图4-33 双频激光器外差干涉测长原理图,偏振分光镜,f,2,f,1,f,2,（,f,1,f,）,9/15/2024,23,4-4 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,0,f,0,f,s,1,2,3,4,1/2,波片,5,10,6,7,1/4,波片,9,振动体,图4-34 双频激光测量振动光路示意图,8,f,0,f,D,方解石棱镜及1/4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。通过,o,光和,e,光在方解石中光路的不同，起到“光学定向耦合”作用，使发射与接收的光无损失地通过方解石棱镜(不考虑光吸收损失)。,频率,f,s,信号由声光调制器的信号源直接输入混频器与拍频信号混频，把多普勒频移,f,D,解调出来。,9/15/2024,24,4-4 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：,(1)仪器分辨力由于多普勒频差增加一倍而增加一倍；(2)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，而不会偏斜。,9/15/2024,25,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,9/15/2024,26,二、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P,L,比信号光功率大几个数量级，所以，外差转换增益可以高达,10,7, 10,8,。由此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高,10,7, 10,8,倍。这是外差探侧的,第二个优点,。,9/15/2024,27,2光谱滤波性能,如果取差频信号宽度,c,/,2,=,L,-,s,/,2,为信息处理器的通频带f，那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接探测系统还好得多。,外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差探测的,第三个优点,。,9/15/2024,28,3外差探测信噪比,如果入射到探测器上的光场不仅存在信号光波P,s,，还存在背景光波P,b,，输出信噪比为,说明外差探测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值，输人信噪比等于输出信噪比，输出信躁比没有任何损失。这是外差探测的,第四个优点,。,9/15/2024,29,但是，当本振光功率足够大时，本振光产生的散粒噪声远大于其他噪声。本振光功率继续增大时，由本振光所产生的散粒噪声随之增大，从而使光外差探测系统的倍噪比降低。,所以，在实际的光外差探测系统中要合理选择本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。,4,、 稳定性和可靠性较高,即使被测参量为0，载波信号仍保持稳定的幅度,9/15/2024,30,激光外差干涉测试技术,激光外差干涉测试技术应用,激光外差干涉测长,数据处理,双频激光器,1/4波片,准直系统,可动角,隅棱镜,检偏器,v,探测器,前置,放大器,f,2,f,1,f,1,f,f,2,f,1,f,2,f,1,f,图4-33 双频激光器外差干涉测长原理图,偏振分光镜,f,2,f,1,f,2,（,f,1,f,）,9/15/2024,31,四、光外差探测典型系统,1干涉测量技术,(1)激光干涉测长的基本原理,9/15/2024,32,(2)激光干涉测长仪的光路没置,9/15/2024,33,该光路中，使用,角锥棱镜,代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器而对激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当它绕光学中心转动的角度不大时，它对光程的影响可以忽赂。,角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角,，它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍从基面出射。出射光线与入射光线总保持平行。,9/15/2024,34,9/15/2024,35,(3)干涉信号的方向判别与计数,9/15/2024,36,9/15/2024,37,激光多普勒测速,频率调制：,运动物体的反射或散射光发生多普勒频移而改变光的频率。,光外差检测：,可见光的频率很高（,Hz)，一般光电器件不能响应，也就无法直接检测多普勒频移因此，需要,光外差的方法：,同一光源的两束相干光以一定的条件投射到光电探测器表面进行混频，就能在输出的电信号中得到两束光的差频,9/15/2024,38,多普勒测速的频率调制方法,1 参考光束方式,2 对称互差方式,3 干涉条纹方式,9/15/2024,39,激光多普勒测速的原理,激光束经分光镜分成两束，一束经透镜会聚测点，被该处正以速度,V,运动的微粒向四面八方散射，散射光发生了频移，频率为（,）,。,另一束经滤光片衰减后也由透镜会聚于测点，有一部分穿越测点作为参考光束，频率为,。,进入光阑由透镜会聚到光电倍增管的光电阴极上的有两束频率相近的光，发生干涉。,参考光模式,9/15/2024,40,设：两光束的夹角为,，光波波长为,，则干涉条纹的间距为：,干涉条纹的空间频率为：,若粒子运动的速度为,，运动的方向与条纹垂线的夹角为，则粒子散射光的频率为,：,只要测出散射光的频率，就可以得到粒子的速度。,9/15/2024,41,激光多普勒测速的特点,动态响应快,空间分辨率高,流速测量范围宽,测量精度高,9/15/2024,42,激光多普勒测速的应用,管道内水流流层研究；,流速分布亚音速或超音速气流旋流的测量,大气远距离测量；,风速测量,可燃气体火焰的流体力学研究；,水洞、风洞和海流测量,9/15/2024,43,