[科普中國]-光外差探測(cè)

光外差探測(cè)是一種光頻相干檢測(cè)，是基于相干的參考光和入射信號(hào)光在光敏面上混頻的原理實(shí)現(xiàn)的。雖然光外差探測(cè)有一定優(yōu)點(diǎn)，但是信號(hào)光與本振光必須滿足一定的條件，才能實(shí)現(xiàn)光外差探測(cè)。

簡介光信號(hào)的探測(cè)分為直接探測(cè)和外差探測(cè)兩種。直接探測(cè)是直接將包括信息的光信號(hào)，利用光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)的探測(cè)方式，響應(yīng)的是信號(hào)的光強(qiáng)信息。直接探測(cè)方式因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠且易于實(shí)現(xiàn)，在光通訊、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、紅外探測(cè)及成像等方面得到了廣泛應(yīng)用。但是，直接探測(cè)只響應(yīng)光波功率的時(shí)變信息而不響應(yīng)光波的相位信息，所以它僅適用于強(qiáng)度調(diào)制的信息檢測(cè)。光外差探測(cè)是一種光頻相干檢測(cè)，是基于相干的參考光和入射信號(hào)光在光敏面上混頻的原理實(shí)現(xiàn)的，故特別適用于光調(diào)頻、調(diào)相類系統(tǒng)。與直接探測(cè)相比，光外差探測(cè)具有高的轉(zhuǎn)換增益、良好的濾波性能、良好的空間和偏振鑒別能力等特點(diǎn)，而且光外差探測(cè)可以響應(yīng)信號(hào)的振幅、頻率和相位信息[i]。因此光外差探測(cè)在弱信號(hào)探側(cè)、光通訊、光雷達(dá)、遙測(cè)傳感技術(shù)及光譜學(xué)領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用前景。然而，光外差探側(cè)的實(shí)現(xiàn)要比直接探測(cè)復(fù)雜得多，這主要是由于光波段的波長很短，相干接收的條件難以滿足。為了在探測(cè)器的光敏面上得到有效的光混頻，光外差探測(cè)除了要求參考光與入射信號(hào)光偏振方向平行，能流矢量保持一致外，還要求兩光波的波陣面必須曲率匹配川。而在實(shí)際的光檢測(cè)系統(tǒng)中，由于信號(hào)光通過諸如大氣、水等不均勻介質(zhì)時(shí)，光波的波陣面會(huì)發(fā)生畸變，使得信號(hào)光與本振參考光波前不匹配，導(dǎo)致光外差檢測(cè)無法進(jìn)行。因此，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)光外差探測(cè)，必須解決畸變信號(hào)光與本振參考光波前曲率實(shí)時(shí)匹配的問題。1

光外差探測(cè)的原理光外差探測(cè)的基本原理是基于兩束光的相干。必須采用相干性好的激光器作光源，在接收信號(hào)光的同時(shí)加入本振光。本振光的頻率與信號(hào)光頻率極為接近，使本振光和信號(hào)光在光電探測(cè)器的光敏面上形成拍頻信號(hào)。只要光電探測(cè)器對(duì)拍頻信號(hào)的響應(yīng)速度足夠高，就能輸出中頻光電流，從而檢測(cè)出信號(hào)光中的調(diào)制信號(hào)，如圖所示。

由于光外差探測(cè)是基于兩束光波在光電探測(cè)器光敏面上的相干效應(yīng)，所以光頻外差探測(cè)也常常稱為光波的相干探測(cè)。

特點(diǎn)與直接探測(cè)相比，光外差探測(cè)具有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）光外差探測(cè)有利于微弱信號(hào)的探測(cè)，靈敏度比直接探測(cè)提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在一定條件下，只要本振光足夠強(qiáng)，即使信號(hào)光功率很小，仍然可以得到所需的中頻輸出電流。

（2）轉(zhuǎn)換增益高。從物理過程的觀點(diǎn)來看，直接探測(cè)是光功率包絡(luò)檢波過程;而外差探測(cè)是把信號(hào)光頻率轉(zhuǎn)換成差頻進(jìn)行探測(cè)，這種轉(zhuǎn)換過程是本振光的作用，它使光外差探測(cè)天然地具有一種“轉(zhuǎn)換增益”。

（3）具有良好的濾波功能。在直接探測(cè)中，為了抑制雜散背景光的干擾，都需要在探測(cè)器前加置窄帶濾光片。在相干探測(cè)中，只有那些與本振光混頻后仍在中頻帶寬之內(nèi)的雜光才能進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，其他雜光噪聲被濾掉。而且，背景光、雜散光與信號(hào)光、本振光不相干不會(huì)產(chǎn)生相干疊加項(xiàng)。

（4）具有良好的空間和偏振鑒別能力。信號(hào)光和本振光必須沿同一方向射向光電探測(cè)器，而且要保持相同的偏振方向，這意味著光外差探測(cè)本身就具備了對(duì)探測(cè)光方向的高度鑒別能力和對(duì)探測(cè)光偏振方向的鑒別能力。

（5）在適當(dāng)選取本振光功率的情況下，可以獲得較高的信噪比。

實(shí)現(xiàn)條件雖然光外差探測(cè)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于實(shí)際的探測(cè)系統(tǒng)來說，信號(hào)光與本振光必須滿足一定的條件，才能實(shí)現(xiàn)光外差探測(cè)，在光外差接收機(jī)中，激光回波信號(hào)與本地振蕩信號(hào)在光電探測(cè)器上進(jìn)行相干混頻，進(jìn)而產(chǎn)生光電流，再通過對(duì)這個(gè)中頻電流信息的解調(diào)和處理，得到有用的信息。外差探測(cè)接收需要滿足的條件如下：

（1）信號(hào)光與本振光必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，這意味著所用激光器應(yīng)該單頻基模運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）信號(hào)光和本振光在光混頻面上必須相互重合，為了提供最大的信噪比，它們的光斑直徑最好相等。因?yàn)椴恢睾系牟糠謱?duì)中頻信號(hào)無貢獻(xiàn)，只貢獻(xiàn)噪聲。

（3）信號(hào)光和本振光的能流矢量必須盡可能的保持一致，即兩光波必須保持空間上的角準(zhǔn)直。

（4）本振光和信號(hào)光在一定允許的角誤差情況下，二者要盡可能保持垂直入射到探測(cè)器的光敏面上。

（5）在角準(zhǔn)直情況下，信號(hào)光和本振光的波前還必須匹配。

（6）信號(hào)光與本振光必須同偏振，因?yàn)樵诠饣祛l面上它們是矢量疊加。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學(xué)