Детектирование света. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Детектирование света - нелинейное преобразование оптич. излучения видимого и ИК-диапазонов частот (10¹⁵-10¹³ Гц) в электрич. сигнал в виде последовательности одноэлектронных импульсов или колебаний тока радиочастотного диапазона, несущий информацию о параметрах оптич. излучения (интенсивности, частоте, фазе). Д. с. осуществляется с помощью фотоприёмников (фоторезисторов, фотодиодов, фотоумножителей), для к-рых характерна нелинейная (обычно квадратичная) зависимость фототока от напряжённости электрич. поля световой волны E_С. Д. с. применяется в системах оптич. связи, оптич. локации, оптич. обработки информации, а также в спектроскопии, интерферометрии, голографии и т. п. Осн. разновидности Д. с.- прямое детектирование и гетеродинирование. Прямое детектирование. В устройствах прямого детектирования на фотокатод приёмника поступают только полезный оптич. сигнал и фоновое излучение (рис. 1). Для повышения уровня сигнала относительно уровня фона перед приёмником иногда помещают полосовой оптич. фильтр и усилитель. В результате прямого детектирования изменения интенсивности принимаемого излучения, усреднённые по времени за время

(периода оптич. колебаний) и по площади фотокатода приёмника, преобразуются в изменения мощности выходного электрич. сигнала. В силу статистич. характера фотоэмиссии при детектировании возникает шум, характеризуемый неопределённостью числа фотоэлектронов, эмитируемых фотокатодом ("фотонный шум"). Этот шум складывается с шумом фонового излучения и темнового тока, генерируемого внутри приёмника, а также с тепловыми шумами нагрузки. Эти шумы ограничивают чувствительность устройств Д. с. Для выделения информативного параметра из дробовых и тепловых шумов выходной электрич. ток приёмника подаётся на обрабатывающее устройство радиочастотного диапазона, напр. НЧ-фильтр. Устройства прямого детектирования не чувствительны ни к частоте, ни к фазе, ни к углу падения на фотокатод несущей оптич. волны. Информативным параметром при прямом детектировании является только амплитудная модуляция несущей принимаемой волны. В нек-рых системах оптич. связи несущая модулируется по интенсивности высокочастотной поднесущей, к-рая, в свою очередь, модулируется информац. сигналом.

Рис. 1. Схема устройств прямого и гетеродинного детектирования.

Эффективность устройств Д. с. оценивают величиной отношения сигнала к шуму (с/т). Предельное значение отношения

где

- квантовый выход приёмника, Р_с - ср. мощность несущей волны на поверхности фотокатода, w_с - круговая частота несущей волны,

- полоса пропускания радиотехн. обрабатывающего устройства. Это значение достигается в случае т. н. фотонного ограничения, когда отсутствует фоновое излучение, а всеми др. шумами, кроме фотонного шума, можно пренебречь. Величина отношения с/ш, так же как и величина среднего выходного тока приёмника, не зависит от степени пространственной когерентности принимаемого излучения.

Гетеродинирование. В устройствах Д. с., работающих по принципу гетеродинирования, принимаемое оптич. излучение Е_с(t)комбинируется на фотокатоде приёмника с опорным излучением E_oп(t)(рис. 1). В идеализиров. случае обе волны можно считать плоскими монохроматическими :

Здесь

- амплитуды, круговые частоты и нач. фазы соответственно принимаемой (сигнальной) и опорной волны, с - скорость света. Учтено, что сигнальная волна падает нормально к фотокатоду, а опорная волна -под углом

к нему (рис. 2). Фоновое излучение принято пренебрежимо малым.

Результирующее поле на фотокатоде

, а ток I приёмника, усреднённый за время, малое по сравнению с периодом биений

, но большое по сравнению с периодом

, и по площади фотокатода приёмника, пропорционален E² и содержит переменную составляющую на разностной частоте

. В случае, если фотокатод однороден и имеет форму квадрата со стороной а, выражение для фототока имеет вид

Из этого выражения видно, что при гетеродинном приёме переменная составляющая выходного сигнала несёт информацию не только об амплитуде, но также о частоте и фазе принимаемой волны при условии, что амплитуда, частота и фаза опорного излучения известны. Эффективность гетеродинирования существенно зависит от степени когерентности сигнального и опорного излучений, а также от степени совмещения их волновых фронтов, т. к. величина переменной составляющей зависит от угла

. Она максимальна при

и уменьшается до нуля при

, что при характерных значениях w_С=2*10¹⁵ рад/с и а=10^-2 м составляет всего лишь

10^-4 рад

. T. о., для того чтобы добиться эффективного гетеродинирования, необходимо выполнять жёсткое требование на пространственное согласование двух волн на поверхности фотокатода, к-рое тем выше, чем меньше длина волны излучения. Однако, несмотря на это усложнение, гетеродинирование широко используется, т. к. даёт возможность выделять очень слабые оптич. сигналы, даже при наличии внутренних тепловых шумов приёмника, путём повышения интенсивности опорного излучения. (Это следует из того, что амплитуда переменной составляющей пропорциональна произведению амплитуд сигнальной и опорной волн.)

Рис. 2. Сложение сигнальной и опорной волн на фотокатоде приёмника гетеродинного устройства.

Отношение с/ш гетеродинного устройства определяется выражением

где P_оп - ср. мощность опорной волны. При возрастании P_оп отношение с/ш достигает предельной величины, в два раза большей, чем в случае прямого детектирования. При уменьшении P_оп отношение с/ш при

1 достигает значения, к-рое имеет место при прямом детектировании.

Возможность гетеродинирования света впервые обсуждалась в 1947 Г. С. Гореликом, экспериментально реализована в 1955 А. Т. Форрестером (A. Th. Forrester) с сотрудниками, впервые наблюдавшими дублетное расщепление (вследствие эффекта Зеемана) линии ртути

=546,1 нм. В этом опыте наблюдаемое абсолютное спектральное разрешение по частоте было

10¹⁰ Гц (относит. разрешение

10⁵).

Гетеродинирование с помощью лазеров. Большое распространение метод гетеродинирования получил после создания лазеров. Высокая степень когерентности, монохроматичность и направленность лазерного излучения позволяют получать высокую эффективность гетеродинирования со сверхвысоким частотным разрешением выходного сигнала (R~10¹⁴), что особенно важно в лазерной спектроскопии светорассеяния. В гетеродинных спектрометрах рассеянное на исследуемом образце лазерное излучение смешивается с опорным излучением, в качестве к-рого обычно используется либо часть излучения зондирующего лазера, как это показано на рис. 3, либо излучение другого - гетеродинного лазера, привязанного по частоте к зондирующему.

Рис. 3. Схема гетеродинного лазерного спектрометра: 1-3 - диафрагмы; 4, 5 -линзы; 6,7 - глухие зеркала; 8 - объект; 9, 10 - поворотные зеркала; 11 - фотоприёмник.

Разрешение гетеродинных спектрометров определяется рядом факторов, приводящих к уширению частотных компонент в спектре выходного сигнала. Это - конечность телесного угла сбора рассеянного излучения

, определяемого апертурами диафрагм, конечность полосы радиотехн. обрабатывающего устройства, неточность привязки по частоте зондирующего и гетеродинного лазеров и т. д. Из перечисленных факторов основным является первый, т. к. уширение спектральных компонент за счёт остальных факторов может быть сделано <1 Гц. Для малых углов рассеяния уширение, вызванное неопределённостью в угле сбора рассеянного света, составляет величину

, где f - частотное смещение линии рассеянного света,

- угол рассеяния. Напр., в случае рассеяния Мандельштама - Бриллюэна на ультразвуке

Гц, в случае рассеяния на органоидах протоплазмы, движущейся в живой клетке,

Гц. При характерных значениях

10^-2 рад (~30') и

рад (3') соответствующие уширения равны

МГц и

Гц. Они и определяют абс. значения разрешения. Относит, разрешение соответственно равно 10⁸ и 10¹⁴, что недостижимо никакими средствами спектрального анализа на оптич. частотах.

В гетеродинных системах лазерной связи и в гетеродинных интерферометрах (см. Интерферометр интенсивности), применяющихся для астр. наблюдений, обычно используют ИК-излучение с длиной волны 10 мкм. В этом диапазоне по сравнению с видимым уменьшаются искажения, вносимые турбулентной атмосферой, облегчается выполнение условий пространственного согласования волн, и в этой области в атмосфере имеется окно прозрачности. Абс. разрешение в данном случае составляет 0,2 Гц.

Литература по детектированию света

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.