基本介紹
- 中文名：零差檢測
- 外文名：Homodyne detection
- 領域：光學、測量
基本原理,零差檢測,外差檢測,實際套用,參見,
基本原理
一般而言，干涉測量術可以分為兩種基本類型：零差檢波和外差檢波。
零差檢測
在零差檢測中，待測電磁波和一個已知的參考信號（經常被稱作本地振盪器）進行混波，而待測信號和參考信號的載頻是相同的，這樣得到的干涉光場可以消除電磁波本身頻率噪聲所帶來的影響。
經典的光學零差檢波裝置如馬赫-曾德爾干涉儀，其待測信號和參考信號來自同一波源。
外差檢測
外差檢測是兩束頻率不同但相近的相干電磁波的干涉，最早在美籍加拿大發明家雷吉納德·費生登的研究中被提到。
待測信號和參考信號的頻率相近而不完全相同，在外差檢測中，兩列波同時入射到一個混頻器件——通常為（光）二極體——此時兩者發生外差干涉。
如果設待測信號的電場為
，參考信號的電場為
，則發生外差干涉後在混頻器件中接收到的光強為
實際套用
光學干涉測量
可見光的干涉測量是干涉測量術中最先發展同時也得到最廣泛套用的類別，早期的實際套用如邁克耳孫測星干涉儀對恆星角直徑的測量，但如何獲取穩定的相干光源始終是限制光學測量發展的重要原因之一。
直至二十世紀六十年代，光學干涉測量技術得到了飛速的發展，這要歸功於雷射這一高強度相干光源的發明，計算機等數字積體電路獲取並處理干涉儀所得數據的能力大大提升，以及單模光纖的套用增長了實驗中的有效光程並仍能保持很低的噪聲。電子技術的發展使人們不必再去觀察干涉儀產生的干涉條紋，而可以對相干光的相位差直接進行測量。這裡列舉了光學干涉測量在多個方面的一些重要套用。
長度測量
長度測量是光學干涉測量最常見的套用之一。如要測量某樣品的絕對長度，最簡明的方法之一是通過干涉對產生的干涉條紋進行計數；若遇到非整數的干涉條紋情形，則可以通過不斷成倍增加相干光的波長來獲得更窄的干涉條紋，直到得到滿意的測量精度為止。常見的方法還包括惠普公司研發的惠普干涉儀，它通過外加一個軸向磁場使氦－氖雷射器工作在兩個相近頻率，從而發出頻率相差2兆赫茲的兩束雷射，再通過偏振分束器使這兩束雷射產生外差干涉。
干涉得到的差頻信號被光檢測器記錄，而待測樣品引起的光程差變化則可以通過計數器表示為光波長的整數倍。惠普干涉儀可以測量在60米左右以內的長度，在附加其他光學器件後還可以用於測量角度、厚度、平直度等場合。此外，還可以通過聲光調製的方法得到差頻信號，並且這種方法能獲得更高的差頻頻率，從而可以從差頻信號中得到更高的計數。
長度測量的另一類情形是測量長度的變化，常見的方法如藉助聲光調製產生的外差干涉，差頻信號所攜帶的相位差會被光檢測器記錄，從而得到長度的變化。在測量像熔凝石英這樣熱膨脹係數很低的材料的熱膨脹係數時，還經常用到一種更精確的方法：將兩面部分透射部分反射的玻璃板置於待測樣品的兩端，從而構成一個法布里－珀羅干涉儀。
使用兩束髮生外差干涉的雷射，並通過反饋將其中一束雷射的頻率鎖定到法布里－珀羅干涉儀的一個透射峰值頻率上。這樣，當樣品發生熱膨脹而改變法布里－珀羅干涉儀的長度時，透射峰值頻率的變化會引起被鎖定的雷射頻率的相應變化，這一變化也會反映到外差信號中從而被探測到。
光學檢測
光學檢測包括對光學元件和光學系統的檢查和測試，諸如利用等厚干涉條紋來測量玻璃板各處的厚度，以及測量照相機鏡頭的調製傳遞函式（MTF）等都屬於這類套用。利用等厚干涉來檢測樣品表面是否平整的最常見方法是斐索干涉儀，它利用準直平行光在樣品表面反射後與入射光發生干涉，從而得到等厚條紋。此外，還可以採用從邁克耳孫干涉儀改進而來的特懷曼－格林干涉儀。特懷曼－格林干涉儀也使用準直平行光源，並由於從邁克耳孫干涉儀改進而來，它可以使兩束相干光的光程非常接近，從而相比於斐索干涉儀它對光源的相干長度要求有所降低。
另一類廣泛套用於檢測光學元件表面、光學系統像差以及測量光學傳遞函式的干涉儀是剪下干涉儀，它將待測樣品出射的波前分成兩個，並使其相互錯開一定距離（這段距離被稱作剪下），兩個波前重疊的部分即產生干涉圖樣。
剪下干涉儀分為切向剪下、法向剪下和旋轉剪下等類型：切向剪下干涉儀通常是一塊平行平面板或略呈角度的劈尖，準直光源入射到平行平面板上就形成了兩束錯開的相干光；而法向剪下干涉儀則類似於斐索干涉儀和特懷曼－格林干涉儀。剪下干涉儀的優點是省去了作為參考的光學表面，結構簡單且兩束相干光的光程基本相等，而缺點則是對干涉圖樣的數值分析比較繁瑣。
參見
- 干涉儀列表
