2.3光外差檢測的條件一、空間相位的調(diào)準(zhǔn)與匹配（空間條件）1、要求：由對外差檢測混頻效率公式(2.2.19)的討論可知:僅當(dāng)信號光場和本振光場在探測器靈敏面各點處均具有相同的偏振方向、可比的振幅和相同的位相時，才有最佳混頻效率，此狀態(tài)稱為實現(xiàn)了空間相位匹配。這一要求意味著信號光與本振光的波前應(yīng)重合，在空間上實現(xiàn)角準(zhǔn)直。2.3光外差檢測的條件12、兩光場不重合對信噪比的影響

設(shè)：探測器光敏面為邊長為d的正方形；信號光場和本振光場均為平面波，其中，本振光垂直入射到光敏面；二波前夾角，

如圖所示

2、兩光場不重合對信噪比的影響2注意到信號光同一波前上各點到達(dá)光敏面的時間不同，設(shè)其在x方向的速度分量為，則在光敏面上不同點處形成波前的相位差，此時，信號光場可寫為(2.2.29)式中是信號光波矢在x方向的分量。

注意到信號光同一波前上各點到達(dá)光敏面的時間不同3將其代入(2.2.29)得(2.2.30)設(shè):本振光場為(2.2.31)則入射到光敏面上的總光場為依探測器的平方律特性,在探測器表面x方向增量上產(chǎn)生的微分電流為

光外差檢測的條件ppt課件4

展開上式，并舍棄合頻項，得

將余弦項展開后，從到積分，

再舍棄直流項，得中頻輸出電流為

(2.2.32)

5分析:由上式知

(1)僅當(dāng)時,最大此時必有:,也就是和。(2)當(dāng)時,.此時有

即和

一般當(dāng)時,已經(jīng)很小，可不考慮.僅考慮即可.令n=1,上式變成此時分析:由上式知6（3）若允許比時的降低10%，則有

相應(yīng)的允許失配角為

表明：允許的失配角與信號光波長成正比，與探測器邊長d成反比。由此可推斷，紅外波段比可見光波段容易實現(xiàn)外差檢測。3、解決準(zhǔn)直困難問題的方法：采用埃里斑系統(tǒng)（自學(xué)，p153）

（3）若允許比時的7二、外差檢測的頻率條件

1、單色性：光外差檢測是兩束光波迭加產(chǎn)生干涉的結(jié)果，其干涉程度取決于兩束光的單色性，既兩束光應(yīng)具有單一的頻率，或足夠窄并互相交迭的光譜，激光器則需單縱模運(yùn)行。

2、頻率穩(wěn)定性：信號光與本振光的頻率漂移會使外差性能變壞，若頻移超出中頻帶寬，系統(tǒng)就不能正常工作，故光源需附有穩(wěn)頻措施。三、大氣湍流對光外差檢測的影響二、外差檢測的頻率條件82.4三頻外差檢測引言:外差檢測的弱點：（1）技術(shù)復(fù)雜，需采用各種措施保證信號光束與本振光束滿足空間匹配條件。（2）對運(yùn)動目標(biāo)的檢測，由于存在多普勒頻移，會引起中頻漂移，為此，系統(tǒng)帶寬必須做得很大，結(jié)果會降低檢測信噪比。

2.4三頻外差檢測9一、三頻外差檢測原理1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作過程：互相平行并完全重合的兩列信號光波及本振光垂直入射到光探測器上，其頻率分別為、和，經(jīng)光探測器混頻后，將得到的差頻分別為和的中頻信號送到平方律器件再次混頻，產(chǎn)生頻率為的差頻信號并經(jīng)放大器放大一、三頻外差檢測原理10后輸出。由于和的信號與無關(guān)，且和可由同一激光器產(chǎn)生，故本振光頻率的不穩(wěn)定性不會影響差頻項。2、中頻電流公式設(shè)：偏振方向相同、傳輸方向互相平行且重合的三束光垂直入射到探測器的光敏面上，其光場可分別表示為（2.2.37）則總?cè)肷涔鈭鰹楹筝敵?。由于和的信號與11光探測器輸出電流為(2.2.38)其中的合頻項對時間積分為零，差頻項因變化緩慢當(dāng)常數(shù)處理得以保留。由于本振光很強(qiáng),有,,上式可簡化為(2.2.39)

光探測器輸出電流為12(2.2.38)式中第三項為高階小量略掉,于是,中頻電流為(2.2.40)

這兩個中頻信號經(jīng)平方律器件混頻得差頻信號為(2.2.41)(2.2.38)式中第三項為高階小量略掉,于是,中頻電流13二、信噪比及最小可探測光功率1、當(dāng)本振光足夠強(qiáng)時，可認(rèn)為系統(tǒng)噪聲的主要成分為本振光電流的霰彈噪聲，有(2.2.42)式中,為帶通濾波器帶寬則第一個濾波器輸出端信噪比為(2.2.43)

二、信噪比及最小可探測光功率14

該差頻信號經(jīng)平方律器件后，再經(jīng)帶寬為B的濾波器濾波,理論上可證其輸出信噪比滿足下面的關(guān)系(見R.J.凱斯主編，董培芝等譯《光探測器與紅外探測器》，科學(xué)出版社，1984，332頁)(2.2.44)輸出信噪比的近似平均值為(2.2.45)在很大的極限情況下，上式變?yōu)?2.2.46)表明:選擇可使

152、最小可探測光功率讓，從方程(2.2.45),得到記；，代入上式并移項，得

解方程得:取正得：即：

2、最小可探測光功率16此結(jié)果代入(2.2.43),得

(2.2.47)注意到,及有移項得注意到，有表明:三頻外差檢測靈敏度遠(yuǎn)高于普通外差檢測靈敏度。此結(jié)果代入(2.2.43)172.5外差檢測與直接檢測性能比較(可自己歸納)一、一般比較直接檢測:僅響應(yīng)入射光的輻射功率，檢測靈敏度低，裝置相對簡單，適用于強(qiáng)光檢測。外差檢測：響應(yīng)入射光的輻射功率、頻率、相位，既適用于強(qiáng)光檢測，也適用于弱光檢測，輸出信噪比和靈敏度均較高，裝置復(fù)雜。2.5外差檢測與直接檢測性能比較(可自己歸納)18二、光電轉(zhuǎn)換功率增益直接檢測輸出信號功率依（2.1.3）為

外差檢測輸出信號功率依（2.2.9）為(不考慮探測器自身增益)若二者輸入光功率及負(fù)載電阻均相同,則外差檢測相對于直接檢測的光電轉(zhuǎn)換增益為外差檢測中量級；量級；

代入上式，知：倍。

二、光電轉(zhuǎn)換功率增益19

三、信噪改善比SNIR1、直接檢測系統(tǒng)信噪比依（2.1.5）為對弱光檢測有

對強(qiáng)光檢測有則信噪改善比為最小可探測光功率為三、信噪改善比SNIR202、外差檢測系統(tǒng)信噪比（僅考慮本振光霰彈噪聲）