光外差探测技术及其应用

摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高103~104数量级。相干探测与直接探测[1]相比，其测量精度高107~108数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。

关键字： 光外差探测、光子计数、量子噪声限[2]、激光测距、多普勒[6]测速 1.

引言

光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限[2]，其NEP[3]值可达1020W。可以检测单个光子，进行光子计数。

在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外差检测技术并不特别有用。相反，由于直接检测[1]不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测[1]更为可取。在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。因此，用一般的直接检测[1]方法无法实现接近量子噪声限[2]的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。 2.

原理

光外差检测是有别于直接检测[1]的另一种检测技术。光外差检测原理方框图示于图1－1。图中，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[4]和可变光阑[4]入射到检测器表面进行混频，形成相干光场。经检测器变换后，输出信号中包含fc＝fs－fL的差频信号，故又称相干检测。

信号光束fs fs ＋fl 探测器 fl 本 振 放大器 光 束 图1－1. 外差检测原理示意图

co2激光器

1

fs 分光镜 光电检测器 放大器 输出 转镜 fl 线栅偏振器 fs －fl 可变光阑 反射镜

图1－2 外差检测实验装置

图1－2是外差检测的实验装置，光源是经过稳频的CO2激光器[5]。由分束镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为fL；另一路经过偏心轮[4]反射，并由透镜[4]聚焦到可变光阑[4]上作为信号光束。偏心轮[4]转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移[6]，其频率为fs。可变光阑[4]用来限制两光束射向光电检测器[7]的空间方向。线栅偏振镜[4]用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。

下面用经典理论来分析两光束外差后的结果。设入射到检测器上的信号光场为 ：

fs(t)AScos(wsts) (1.1)

本机振荡光场为：

fL(t)ALcos(wLtL) (1.2) 那么，入射到检测器上 的总光场为：

f(t)Ascos(wsts)ALcos(wLtL) (1.3) 由于光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为

[4] ip(t)f2(t)[fs(t)fL(T)]2 (1.4) 式中的横线表示在几个光频周期上的平均。将上式展开后， 则有 ip(t)f2(t)[fs(t)fL(T)]2

{AS2cos2(wsts)AL2cos2(wLtL)

ASALcos[(wLws)t(sL)]ASALcos[(wLws)t(LS)]} (1.5) 式中：e/hv为光电变换比例常数；hv为光子能量；wcwLws称为差频。上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项（和频项）

2

频率太高，光混频器不响应。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多[6]。当差频(wLws)/2wc/2低于光检测器的截止频率时，光检测器就有

频率为wc/2的光电流输出。

如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以wc为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为

ic(t)AsALcos[(wLws)t(Ls)] (1.6)

从上式可以看出，中频信号电流的振幅AsAL，频率(wLws)和相位(Ls)都随信号光波的振幅、频率和相位成比例地变化。在中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：

VcAsALRLcos[(wLws)t(Ls)] (1.7) 式中，RL为负载电阻。中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：

Vc2ePc2PsPLRL (1.8)

RLhv[6]22式中：P。 cAS/2为信号光的平均功率；PLAL/2为本振光的平均功率

当wLws，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为

ic(t)ASALcos(Ls) (1.9) 这是外差检测的一种特殊形式，称为零差检测。

可以看到，差频信号是由具有恒定频率和恒定相位的相干光混频得到的。如果频率、相位不恒定，无法得到确定的差频光。这就是为什么只有激光才能实现外差检测的原因。 3．

特性

2（1）.光外差检测可获得全部信息

外差检测中，光检测器输出的电流不仅与信号光和本振光的光波振幅成正比，而且输出电流的频率与相位还和合成振动频率和相位相等。因此，外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可以检测频率调制及相位调制的光信号。这种在光检测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位的全部信息，是直接检测所不可能有的[8]。 （2）.光外差检测转换增益高

光外差检测中频输出有效信号功率为

e Pc2()2PSPLRL

hv在直接检测中，检测器输出的电功率为

e P0()2PS2RL

hv在两种情况下，都假定负载电阻为RL。在同样信号光功率PS下，这两种方法所转换得到的信号功率比G为

P2P GCL (1.10)

P0PS式中，G称为增益。

3

由于在外差检测中，本机振荡光功率PL比信号光功率大几个数量积是容易达到的，所以光外差转换增益可以高达107~108。可以看出，在强光信号下，外差检测并没有多少好处；而在微弱光信号下，外差检测表现出十分高的转换增益，转换增益可以达到107~108倍。所以可以说，光外差检测方式具有天然的检测微弱信号的能力。 （3）.良好的滤波性能

如果取差频信号宽度(wLws)/2为信息处理器的通频带f，即

f(wLws)/2fLfs，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，外差检测系统中不需要加滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好很多。 （4）.信噪比损失小

如果入射到检测器上的光场不仅存在信号光波fs(t)，还存在背景光波fB(t),检测器的输出电流为

IC2(PSPB)PL 输出信噪比为

IS2PSPLIn2PBPLPSAs (1.11) PBAB上式说明，外差检测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值，输入信噪比等于输出信噪比，因此，输出信噪比没有任损失。 （5）.最小可检测功率，有利于微弱光信号的探测

内部增益为M的光外差检测器的输出有效信号功率为

e PC2(M)2PSPLRL (1.12)

hv式中：M是检测器的内增益，对于光导检测器M=0~1000；对于光伏监测器M＝1；对于光电倍增管M在106以上。

在光外差检测系统中遇到的噪声与直接检测系统中的噪声基本相同，存在许多可能的噪声源。在外差检测中，外界输入检测器的噪声及检测器本身的噪声通常都比较小，并可消除。但有两中噪声难以消除，因此，应主要考虑不可能可服或难以消除的散粒噪声和热噪声。外差检测中输出的散粒噪声和热噪声表示为

ePn2M2e[(PsPBPL)Id]fRL4kTf (1.13)

hv式中：PB为背景辐射功率；Id为检测器的暗电流；f为外差检测中频带宽。上式表示，外差检测系统中的噪声分别由信号光、本振光和背景辐射所引起的散粒噪声，由检测器暗电流引起的散粒噪声以及由检测器和电路产生的热噪声组成。于是功率信噪比为

e(M)2PSPLRLhv (SNR)P

eM2e[(PSPBPL)Id]fRL2kTfhv当本征功率PL足够大时，上式分母中本征散粒噪声功率远远超过所有其他的噪声，则上式变为

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(1.14) hvf这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限。对于热噪声是主要噪声源的系统来说，可以导出实现量子噪声限检测的条件

e2RLPLf2kTf hv2kThv即 PL2 (1.15)

eRL 为了克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，增大本振光功率是有利的。但是，也不是越大越好。这是因为本振光本身也要引起噪声。当本振光光功率足够大时，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也随之增大，从而使光外差检测系统的信噪比降低。所以，在实际的光外差检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。 若用最小可检测功率（等效噪声功率）NEP值

hvf NEP (1.16)

(SNR)PPS这个值有时称为光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限[9]。 （6）.光外差检测系统对检测器性能的要求

响应频带宽；均匀性好；工作温度高。 4．

应用

（1）.干渉测量技术

应用光的干渉效应进行测量的方法称为干渉测量技术。一般干渉测量主要由光源、干渉系统、信号接收系统和信号处理系统组成。根据测量对象及测量要求的不同而各有不同的组合，并由此形成了各种结构形式的干渉仪。

测量参量一般是通过改变干渉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制。由干渉仪解调出来的信息是一幅干渉图样，它以干渉条纹的变化反映被测参量的信息。干渉条纹是由于干渉场上光程差相同的地点的轨迹形成。干渉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有关。因此根据干渉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、关学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和物理量的测量[10]。 （2）.光外差通信

光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源。因为CO2激光器的发射波长为10.6m，这一波长恰好位于大气窗口[9]之内，衰减系数较小；另外，CO2激光波长容易实现外差接收。

如图1－3所示为CO2激光外差通信原理框图，它由发射系统及接收系统两大部分组成。CO2激光发射系统由光学发射天线、CO2激光器及稳频回路组成。光学发射天线用反射式望远系统。

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视频信号 驱动器 11 压电陶瓷7 2 12 6 CO2激光器1 自动频率 跟踪放大器 3 7 4 视频 谐放 探测器 放大器

混频器14 接受光 视频 学系统 探测器 放大器 视频器 放大 器 13 15 16 17 22 本地振荡 激光器20 光路 电器 21 压电陶瓷 19 18 自动频率 自动频率 跟踪放大 跟踪滤波

图1－3 CO2激光器外差通信原理框图

激光谐振腔由工作物质及两块反射镜组成，其中一块是全反射镜，另一块反射镜的反射率为98％，激光就从这块反射镜上输出。全反射镜通过压电陶瓷与腔体连接，改变压电陶瓷的轴向长度就改变了谐振腔长，从而控制CO2激光波长。

其稳频原理如下：输出的激光经过选择性反射镜2把一小部分能量反射到标准滤光片3上，此滤光片的滤光曲线如图1－4所示。为控制激光频率，

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10.6m不在峰值处，而在曲线的上升段。当波长偏离10.6m时，输出光通量 发生相应的变化，经光电检测器4（可用热释电器件）把此波长的变化转换成相应的电信好的变化，经谐振放大器5放大后送到频率跟踪电路6去控制压电后陶瓷的伸缩率（压电陶瓷的伸缩与加在它上面的电压值成比例）。由滤波曲线可知，当发射波长增加时，光通量亦增加，经光电转换及谐放输出的电压也增大，加在压电陶瓷器后使腔长缩短，发射频率提高，波长减短；反之，则波长加长。因而将发送频率控制在10.6m处。 

10.6 0 L2

图1－4 滤光曲线

被传送的信息（视频信号）被驱动电路11加到CdS电光调制器上（为提高调制频率，调制器放在激光谐振腔体内），被传送的信息携载到CO2激光波长上发送到空间。

在接收端，由光学系统（接收天线13）把载有信息的CO2激光能量收集在混频器14上，同时本地振荡CO2激光器20发出的光也投射在混频器上。经混频后的光投射在HgCdTe检测器上输出电信号。此电信号经滤波后只保存了差频信号，这一差值通常设计在30MHz的中频段。再经中频放大、鉴频后 还原出被传送的视频信号。

为得到稳定的差频信号，本机振荡光也需稳频，否则被传输信息的失真度加大。稳频过程与激光发射稳频过程类似，不过，稳频控制信号取自于视频信号。当激光频率发生偏离时，鉴频器17输出信号也产生了变化，经频率跟踪滤波器18滤波放大后，控制压电陶瓷，改变谐振腔腔长，使激光频率稳定。 HgCdTe检测器在接收10.6m激光波长时，须在液氮77K下制冷工作。 CO2激光通信用于地面时，由于大气湍流的影响，通信效果不佳；但用于卫星之间及卫星与地面站之间的数据传递时大有发展前途[10]。 （3）.多普勒测速

该原理利用多普勒效应[6]可测量物体的运动速动。

以激光照射运动着的物体或流体时，其反射光或散射光将产生多普勒频移，用它与本振光进行混频可测得流体的流速，图1－5可以具体说明多普勒测流速的原理。

粒子流动

P M T

光源 放大屏

分束镜透镜L1 聚焦透镜L2 信号电源 7

图1－5 多普勒测速原理

光束1

光轴 光束2

图1－6 高斯光束束腰的干渉场

图中HeNe激光器是经稳频后的单模激光，分束镜把激光分成两路，这两束光经过会聚透镜L1把它们会聚于焦点。在焦点附近两束光形成干渉场。流体流经这一范围时，流体中的微小颗粒对光进行散射，聚焦透镜L2把这些散射光聚焦在光电倍增管上，产生包含流速信息得光电信号。经适当的电子线路处理可测出流体的流速。

光源通常是单模工作状态。它的光强分布考虑为高斯分布。在透镜L1后焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在束腰的空间范围相交得到平行的干渉条纹；在远离焦点的空间范围内相交得到的干渉条纹为弧形。图1－6表示出高斯光束束腰的干渉条纹。

当两光束的夹角为，光波波长为时，由图1－7可看出干渉条纹的间距

1为 i (1.17)

2sin2 波面

B1 干渉条纹 A2 光 i 

源 等光程面 A1 v 平面 去观察者

(a) (b) (c)

图1－7 干渉条纹间距

干渉条纹的空间频率（单位长度内条纹明暗对数）为

1 fi2sin2 (1.18)

 8

当散射粒子在平行干渉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干渉场及流速面变化。若颗粒运动的速度为v，运动的方向与条纹垂直的夹角为（见图1－6（c）），则颗粒散射的光强频率为

2 ffvcosvsincos (1.19)

2由此可知，只要检测出粒子散射光强的频率，就可求出粒子的流速v。式中、及为已知。 5．

结论

光外差检测技术在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方买都很有用途。这种技术的灵敏度很高，达到了量子噪声极限，可以检测单个光子，进行光子计数。

【参考文献】

【1】 雷玉堂，王庆有，何加铭，张伟风等. 光电检测技术. 北京：中国计量出版社，1997

【2】 安毓英. 光电探测原理. 西安：西安电子科技大学出版社，2004

【3】 鲍超. 信息检测技术 杭州：浙江大学出版社，2002

【4】 江月松 . 光电技术与实验. 北京：北京理工大学出版社，2000

【5】 王庆有，篮天，胡颖，张存林，马宏，王勤等. 光电技术 北京：电子工业出版社，2005

【6】 刘振玉. 光电技术 北京：北京理工大学出版社，1990

【7】 范志刚. 光电测试技术 北京：电子工业 出版社，2004

【8】 秦积荣 光电检测原理及应用 中、下册. 北京：国防工业出版社

【9】 郑光昭。 光信息科学与技术 北京：电子工业出版社，2002

【10】浦昭邦. 光电测试技术 北京：机械工业出版社，2005

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