光外差原理

光外差原理光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法、对于光强度调制信号。

只要选择光电探测器适当，都能无失真地转换为电信号，最后由电路完成检波任务，检出所需信息。

而光波振幅、频率和相位的调制信号因光频太高，不能直接被光电探测器所响应。

采用光外差法，光电探测器可以以输出电信号的形式检出所需信息。

光外差探测法在光通信中是很有发展前途的，目前在实时精密测量方面的应用已有显著成就。

一、实验目的（1） 验证和掌握光外差探测原理；（2） 训练相干探测的实验能力。

二、实验内容（1） 在信息仪平台上调整光路，了解外插法所必须的空间配准条件，也就是参考光束和物光束空间配准与接收口径之间的关系；（2） 用外插法所得到的信号可表示插入透明物体的透过光波的复振幅，也就是振幅与相位的变化。

三、基本原理光外差探测的基本原理是基于两束光的相干。

必须采用相干性好的激光器作光源，在接收信号光时同时加入参考光（本地振荡光）。

参考光的频率与信号光频率极为接近，使参考光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号。

只要光电探测器对拍频信号的响应速度足够高，就能输出电信号检出信号光中的调制信号来，如图1所示即为一例。

图中用一个激光器射出激光，经半透、半反平面镜M 后分成两路。

一路透射光再经半透、半反平面镜M 3后直接投向光电探测器作为参考光；另一路反射光经反射镜M 1偏转90o 方向后投向声光调制器。

声光调制器出射光束，由光阑M 0选出其一级衍射光，它经反射镜M 2偏转后投向半透、半反平面镜M 3成为信号光。

微调M 3使信号光和参考光以几乎重合、平行地投向光电探测器，两束光在光敏面上相干。

如果这两束光偏振方向一致（或偏振方向一致的分量），它们就能形成差频信号。

声光调制器由声频信号提供声频ω1的信号加到声光调制器上。

若调制器是布拉格衍射，则出射的一级衍射光就是声频信号的调制光，其光频率为ω0＋ω1或ω0－ω1（视入射方向而定）。

ω0为入射光频率；ω1可以是单一频率也可以是小范围变化的频率ω1（t ）。

若参考光是平面光波，可用复数表示为A L =kexp[i(ω0+φ0)] （1）式中k 为常数；φ0是初始相位。

若调制器输出的调制光波为平面光波，可用复数表示为A s =a s exp{ i[(ω0+φ0)t+φs ]} （2）图1 光外差原理图式中a s 为信号光振幅；φs 为初始相位。

则在光电探测器光敏面上的混合光场可表示为A ＝A L ＋A s在光敏面上的光强度可表示为*)*)((L s L s A A A A I ++∝ （3）A L *和A s *分别是A L 和A s 的共轭复数；∝表示比例关系。

把式（1）和（2）代入（3）得)]}(cos[2{0122ϕ-ϕ+ω++∝S S S t k a k a I （4）式中第三项就是光电探测器能检出的调制信号，也就是送入调制器中调制入射光波的声频信号。

如果两束光是同样光频率，那末式（4）中第三项就没有频率项，这是光外差的特例，称为零差法。

零差法可以检出调制信号的复振幅，即振幅和相位。

要获得光外差信号，两束光空间配准条件是很严格的，而声光调制器出射的衍射光之间的夹角是很小的，所以，图1所示实验调试较烦，我们只作演示。

本实验主要做零差实验，它是目前实时干涉仪的一种原理。

下面简述其实验原理。

本实验采用如图2所示的泰曼干涉仪作为光源。

它的输出是632.8nm 波长的线偏振光。

经过扩束镜L 1和L 2把光束扩展到口径为4cm 的近似平面光波，被扩束后的光束投射到半反镜M 上，把光束分为两路。

一路经反射镜M 1反射且透过透明物体后代表物光束。

它携带了物体性能的信息；另一路经反射镜M 2反射回来后作为参考光束。

M 2反射镜后面装有压电陶瓷。

利用压电陶瓷的压电效应，对光进行调制。

当压电陶瓷上加有正负直流电压时，陶瓷就会伸长或缩短。

在这里我们加上锯齿波电压，使陶瓷交替伸长和缩短，致使反射镜M 2沿着法向作位移。

其位移的大小与外加电压的振幅成正比，其方向与外加电压的符号相对应。

物光与参考光再次经过半反镜M 以后，在探测器接收表面形成相干场。

在接收面上用A L 表示参考光束的复振幅；A s （x ，y ）表示物平面内某一点（坐标为（x ，y ））的物光束的复振幅（因为两束光的频率认为是一致的，这里就不写频率项了）。

则参考光束的复振幅为])2[i exp(0t T K A L π-ϕ= （5）式中K 为比例系数；φ0为初始相位；T 为M 2位移一个光波长距离所经过的时间。

物光束的复振幅如下式所示)],(i exp[),(y x a y x A S S s ϕ= （6）探测器表面上合成光场的复振幅A （x ，y ）为A （x ，y ）＝A L －A s （x ，y ） （7）合成光场的光强度为)]}2),(cos[2),({),(*),(),(022t T y x y x a y x A y x A y x I S S π+ϕ-ϕ++∝∝y)a(x,K K （8）在探测器位置上如果放一光电探测器列阵，每个探测器输出为余弦波电信号，即公式（8）中的第三项。

它的电信号振幅与物在此点上透过光波的振幅成正比，而此电信号的初始相位φs －φ0就是该点两束光波的相位差。

因为φ0是常数，于是各探测器输出电信号初相位的差异就放映了物体各点透过光波的相位变动。

物体各点的均匀性或者复振幅透过率的分布可由外差信号来表示。

信号波形举例见图3。

如果用单个探测器扫过观察面，或探测器不动，把物体垂直于光路方向移动，也可得到多个点的测量结果（说明一点,这里物光束光路中，光两次通过物体，所得相位差都有2倍关系）。

四、试验装置说明（1）全部装置的零件、部件都放在铸铁做的稳定平台上。

（2）用磁起偏He－Ne激光器作光源。

（3）光学零件和探测器都装在磁性座上，可以在平台上移动，同时又可以锁紧。

当零件放到合适位置时就可锁紧。

（4）光学零件装在二维调整架上，框架可以上下移动和转动，还可用框架上的螺钉微调镜面倾斜和垂直程度。

（5）M2镜片后表面与压电陶瓷已固定好。

把压电陶瓷上的线和驱动电源连接，打开电源开关就输出音频三角波电压，电压幅度可由微调电位计调节（变化范围为：60V～120V），频率也可微调。

压电陶瓷是容性负载，频率低时容易加上较高电压。

（6）光电探测器可选用硅光电二极管，它已和放大器组件结合在一起，当接上＋12V电源时，即可进行探测。

五、实验步骤（1）把He－Ne激光管点燃，把出射光束调到合适高度并且与平台平面平行。

可把标尺板沿光束前后移动看光点是否在标尺板上落在同一高度上。

（2）按照图2放上平面反射镜M1，调整M1的高度使激光束落在平面反射镜的中心。

调整M1的螺钉看反射光是否通入射光处于同一平面。

（3）按照图2放上半反射镜M，检查反射光与入射光是否在同一平面内。

（4）按照图2放上平面反射镜M2，它后面带有压电陶瓷，调整M2的高低使反射镜反射的光束落在M2的中心。

在光电探测器位置上放上观察屏（毛玻璃），转动M1、M2使两路光束在屏上会合成一个点。

如果不重合，微调M2框架上的螺钉（其他镜片已调好应不再动），自至重合为止。

（5）加入扩束镜L1调整它在光束中的位置，使它对入射光束进行扩束。

此时在观察屏上应得到麦克尔遜干涉条纹。

若未出现干涉条纹，再仔细微调M2的倾斜度，直至出现干涉条纹为止。

（6）观察屏换上光电探测器，把光电探测器电源线与＋12V电源接通。

它的输出端合地分别与双线示波器Y1轴和地连接。

（7）把压电陶瓷供电线接上三角波电压，并用示波器Y2轴观察波形。

因压电陶瓷工作电压在60V～120V可变。

示波器Y轴衰减应先放在最大位置。

（8）观察Y1轴有无外差信号输出，记下振幅值。

然后在探测器前面架一个聚光透镜，观察外差信号的振幅有无增加。

作下记录（9）观察＋12V和压电陶瓷电源。

移去光电探测器，在它的位置上换上观察屏。

然后按图2加入扩束镜L2，调节L2位置使干涉仪处于状态。

当由半反镜M返回L2地光束能通过L1扩束镜，且L2前后移动都能这样，就说明L2已与L1轴。

调L2前后位置到观察屏上条纹密度最稀，L2就到达最佳位置。

然后再微调M1或M2的螺钉使光束达到更好地平行（也就是干涉图的中心区域尽量变大）（10）移去观察屏，换上光电探测器。

打开电源观察外差信号波形及幅度，作下记录。

改变压电陶瓷电压，观察外差信号波形。

（11）调整压电陶瓷电压使M2位移一个波长。

在半反镜和M1之间放一块有机玻璃，作为被测物体。

把有机玻璃垂直于光束方向移动，观察各点输出信号，可以得到物体均匀性测量。

当φs－φ0为四个特殊值时的波形如图3所示。

以三角波作基准比较就可知各点相对相位。

六、实验记录及报告要求（1）干涉仪仅加L1扩束镜时，记下探测器输出信号电压幅值。

（2）在前面条件下在探测器前面加聚光镜。

记下输出信号幅值，信号是增大还是减小了，为什么？（3）加入扩束镜L2，在接近平面光场时，记下探测器输出信号电压。

（4）当压电陶瓷电压由60V变到最大值时，记下探测器输出信号波形（测三个值），波形有无变化？为什么？（5）移动透明物体，记下三个点的波形，比较他们通过光波的相位差和振幅变化。

七、思考题（1）本实验中采用PIN硅光电二极管作接收器合适否？为什么？还有哪些光电探测器适用？（2）试从实验中总结出：欲在光外差探测中得到质量好的信号，应注意哪些问题？（3）从光外差探测的数学表达式看，它与锁相放大的表达式有相同的形式。

能否说光外差探测同样具备相关接收的全部优点？。