Детектирование света

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СВЕТА, нелинейное преобразование оптического излучения видимого и инфракрасного диапазонов частот (10¹⁵-10¹³ Гц) в электрический сигнал в виде последовательности импульсов или колебаний тока радиочастотного диапазона. Этот сигнал несёт информацию о параметрах оптического излучения (интенсивности, фазе, частоте). Детектирование света осуществляют с помощью фотоприёмников (фотодиодов, фоторезисторов, фотоумножителей), для которых характерна нелинейная (квадратичная) зависимость тока от напряжённости Е_с электрического поля световой волны. Детектирование света применяется в системах оптической связи, оптической локации, оптической обработки информации, а также в спектроскопии, интерферометрии, голографии и др. Основными разновидностями детектирования света являются прямое детектирование и гетеродинирование.

Прямое детектирование. При прямом детектировании света на фотокатод приёмника поступает полезный сигнал вместе с фоновым излучением (рис.). Для повышения уровня сигнала относительно фона перед приёмником иногда помещают полосовой оптический фильтр и усилитель. В результате прямого детектирования изменения интенсивности принимаемого излучения, усреднённые по времени t (большем периода оптических колебаний Т) и по площади фотокатода приёмника, преобразуются в изменения мощности выходного электрического сигнала. В силу статистического характера фотоэмиссии с катода возникает дробовой шум (фотонный), который складывается с шумом фонового излучения, шумом тока, генерируемого внутри приёмника, и с тепловым шумом нагрузки. Эти шумы ограничивают чувствительность устройств детектирования света. Для выделения информативного параметра из дробовых и тепловых шумов выходной электрический сигнал с приёмника подаётся на обрабатывающее устройство, например на НЧ-фильтр. Устройства прямого детектирования не чувствительны ни к частоте, ни к фазе, ни к углу падения на фотокатод несущей оптической волны. Информативным параметром при прямом детектировании света является только амплитудная модуляция принимаемой волны. Эффективность устройств детектирования света оценивают величиной отношения сигнал/шум (с/ш). Предельное значение отношения с/ш = πηP_c/(ћω_сΔF), где η - квантовый выход приёмника, Р_с - средняя мощность несущей волны на поверхности фотокатода, ω_с - круговая частота несущей волны, ΔF - полоса пропускания обрабатывающего радиотехнического устройства, ћ - постоянная Планка. Это значение достигается в том случае, когда отсутствует фоновое излучение, а всеми другими шумами, кроме фотонного, можно пренебречь. Величина отношения с/ш, так же как и величина среднего тока на выходе приёмника, не зависит от степени пространственной когерентности принимаемого излучения. При регистрации слабых световых сигналов часто используют метод фотоотсчётов (метод счёта отдельных фотонов).

Гетеродинирование. В устройствах детектирования света, работающих по принципу гетеродинирования, принимаемое оптическое излучение E_c(t) комбинируется на фотокатоде с опорным излучением Е_оп(t). Результирующее поле на фотокатоде Е(t) = E_c(t) + Е_оп(t), а ток I приёмника пропорционален Е₂ и содержит переменную составляющую на разностной частоте. При гетеродинном приёме переменная составляющая выходного сигнала несёт информацию не только об амплитуде принимаемого сигнала, но и о частоте и фазе, если известны частота и фаза опорного излучения. Эффективность гетеродинирования зависит от степени когерентности сигнального и опорного излучений, от степени совмещения их волновых фронтов (от угла между опорной волной и фотокатодом). Для эффективного гетеродинирования необходимо выполнять жёсткое требование на пространственное согласование двух волн на поверхности фотокатода, которое тем выше, чем меньше длина волны излучения. Однако гетеродинирование широко используется, так как даёт возможность выделять очень слабые сигналы. Отношение с/ш гетеродинного устройства определяется выражением: с/ш = πηP_c/[(ћω_сΔF(1 + Р_с/Р_оп)], где Р_оп - средняя мощность опорной волны. При увеличении Р_оп отношение с/ш достигает предельной величины, в 2 раза большей, чем при прямом детектировании. Возможность гетеродинирования света впервые предложена в 1947 году Г. С. Гореликом, экспериментально реализована в 1955 американским физиком А. Т. Форрестером.

Гетеродинирование с помощью лазеров. Высокая степень когерентности, монохроматичность и направленность лазерного излучения позволяют получать высокую эффективность гетеродинирования со сверхвысоким разрешением выходного сигнала (порядка 10¹⁴), что особенно важно в спектроскопии рассеянного излучения. В гетеродинных спектрометрах рассеянное на исследуемом образце лазерное излучение смешивается с опорным, в качестве которого обычно используется либо часть излучения зондирующего лазера, либо излучение другого (гетеродинного) лазера. Относительное разрешение такого спектрометра составляет 10⁸-10¹⁴ в зависимости от телесного угла сбора рассеянного излучения.

В гетеродинных системах лазерной связи и гетеродинных интерферометрах (интерферометрах интенсивности), применяющихся в астрономических наблюдениях, используют ИК-излучение с длиной волны 10 мкм. В этом диапазоне имеется окно прозрачности и меньше искажения, вносимые турбулентной атмосферой.

Если частота регистрируемого излучения совпадает с частотой опорного излучения, то такое детектирование называют гомодинным. Балансное гомодинное детектирование света используют для регистрации неклассического квадратурно-сжатого света (смотри Сжатое состояние электромагнитного поля).

Разрабатываются принципиально новые методы лазерного детектирования света, основанные на использовании связанных электронов. Это делает возможным детектирование слабых оптических сигналов без фотоотсчётов, то есть при подавленных дробовых шумах.

Лит.: Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М., 1981; Устинов Н. Д., Матвеев И. Н., Протопопов В. В. Методы обработки оптических полей в лазерной локации. М., 1983.