Гетеродинный прием оптического излучения
Проведем несложные арифметические операции и выделим в первую скобку постоянные составляющие фототоков сигнала и гетеродина, а во вторую скобку — токи с суммарными оптическими частотами: Если значение /. «/» то можно ожидать большого усиления, однако из-за сильной засветки фотоприемника излучением гетеродина возникает сильный радиационный шум, определяемый формулой Шоттки: Где q — заряд… Читать ещё >
Гетеродинный прием оптического излучения (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Рассмотренные типы приемников излучения способны реагировать на излучение любой степени когерентности. Это объясняется физическими процессами, лежащими в основе приема излучения: поглощение фотонов и генерация свободных носителей одинаковы как для когерентного, так и для некогерентного излучения. Этот метод регистрации оптического излучения получил название прямого детектирования излучения. Детектор реагирует не на напряженность электрического поля волны, а на поток фотонов или мощность волны. Такие детекторы получили название квадратичных. Для регистрации когерентного излучения был разработан метод гетерминирования, предложенный в 1947 году Г. С. Гореликом. Этот метод был позаимствован из радиотехники.
Идея метода заключается в смешении двух гармонических сигналов, различающихся по частоте или по фазе, и дальнейшем прямом детектировании с помощью обычного квадратичного детектора. При смешении возникает разностная частота, которая и анализируется, в результате чего выделяется мощность колебаний с разностной частотой, а также мощность, эквивалентная шуму (МЭШ).
Мощность шума в полосе с частотой Д/ при спектральной плотности шума Sm определяется выражением 
где 1т — шумовой ток.
Спектральная плотность мощности шума определяется формулой Шоттки для дробового шума: 
где 7 — среднее значение тока.
Тогда мощность шума в полосе частот Д/ определяется как.
В этом выражении среднее значение тока представляет собой сумму тока сигнала /< мощности Рс и тока фона мощностью.
Пусть сигнал представляет собой когерентное колебание вида Ес = ?, o‘COs (a></), а генерируемый генератором колебаний сигнал Е, = Ел cos ((d/).
При этом мощность генератора сигналов в соответствии с известной теоремой Пойтинга будет:
а мощность гетеродина соответственно:
где с — скорость света.
Фототоки, генерируемые от сигнала и гетеродина, определим как:
где q — заряд электрона, г — потери на отражение и неполное поглощение, А — площадь фоточувствительного элемента, Р / Av — число падающих фотонов.
В результате суперпозиции двух колебаний Ес и Е. имеем величину полного тока в виде:
Проведем несложные арифметические операции и выделим в первую скобку постоянные составляющие фототоков сигнала и гетеродина, а во вторую скобку — токи с суммарными оптическими частотами:
t, cos2a)/ + 2у]1с/г cos (a)t. + (о,)/]. (6.7).
КО = [/. + /,] + 2^cos ((oc -,)/ + [/с cos 2 о>/ +.
Анализ этого выражения показывает, что на вторую скобку фотоприемники не реагируют, поскольку сумма оптических частот лежит вне предела чувствительности любых фотоприемников. В итоге квадратичный фотоприемник на основе гетеродина будет реагировать на величину:
Значение [/с + /,] является константой для данного фотоприемного устройства, а значение фототока с разностной частотой определяется как:
Средняя мощность этого тока пропорциональна или.
Анализ этой формулы позволяет заключить, что входная мощность оптического излучения линейно связана с мощностью сигнала разностной частоты.
Мощность сигнала разностной частоты может точно воспроизводить распределение интенсивности спектральной линии сигнала.
Если значение /. " /" то можно ожидать большого усиления, однако из-за сильной засветки фотоприемника излучением гетеродина возникает сильный радиационный шум, определяемый формулой Шоттки: 
Если мощность фототока с разностной частотой приравнять к мощности радиационного шума гетеродина, то 
р
С учетом, что Ic = qr-L- получаем: hv
Из этого следует, что гетеродинный приемник с квантовой эффективностью равной единице способен зарегистрировать один фотон в частной полосе I Гц. Гетеродннный прием является весьма эффективным и чувствительным методом при условии согласования волновых фронтов сигнала и гетеродина.
Метод гетеродинирования позволяет выделить слабые оптические сигналы при наличии внутренних тепловых шумов приемника излучения.
Гетеродинный метод широко используется в лазерной интерферометрии, голографии, путем смешения пучков нескольких лазеров или деления пучка лазерного излучения на два — опорный и несущий. В этом случае частоты одинаковы, но при суперпозиции колебаний используется разность фаз.
При использовании пучка одного лазера гетеродинный прием называется гамодинным.