ДЕТЕКТИ́РОВАНИЕ СВЕ́ТА

ДЕТЕКТИ́РОВАНИЕ СВЕ́ТА, не­ли­ней­ное пре­об­ра­зо­ва­ние оп­тич. из­лу­че­ния ви­ди­мо­го и ин­фра­крас­но­го диа­па­зо­нов час­тот (10¹⁵–10¹³ Гц) в элек­трич. сиг­нал в ви­де по­сле­до­ва­тель­но­сти им­пуль­сов или ко­ле­ба­ний то­ка ра­дио­час­тот­но­го диа­па­зо­на. Этот сиг­нал не­сёт ин­фор­ма­цию о па­ра­мет­рах оп­тич. из­лу­че­ния (ин­тен­сив­но­сти, фа­зе, час­то­те). Д. с. осу­ще­ст­в­ля­ют с по­мо­щью фо­то­при­ём­ни­ков (фо­то­дио­дов, фо­то­ре­зи­сто­ров, фо­то­ум­но­жи­те­лей), для ко­то­рых ха­рак­тер­на не­ли­ней­ная (квад­ра­тич­ная) за­ви­си­мость то­ка от на­пря­жён­но­сти $E_c$ элек­трич. по­ля све­то­вой вол­ны. Д. с. при­ме­ня­ет­ся в сис­те­мах оп­тич. свя­зи, оп­тич. ло­ка­ции, оп­тич. об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции, а так­же в спек­тро­ско­пии, ин­тер­фе­ро­мет­рии, го­ло­гра­фии и др. Осн. раз­но­вид­но­стя­ми Д. с. яв­ля­ют­ся пря­мое де­тек­ти­ро­ва­ние и ге­те­ро­ди­ни­ро­ва­ние.

Прямое детектирование

Схема устройств прямого и гетеродинного детектирования света.

При пря­мом Д. с. на фо­то­ка­тод при­ём­ни­ка по­сту­па­ет по­лез­ный сиг­нал вме­сте с фо­но­вым из­лу­че­ни­ем (рис.). Для по­вы­ше­ния уров­ня сиг­на­ла от­но­си­тель­но фо­на пе­ред при­ём­ни­ком ино­гда по­ме­ща­ют по­ло­со­вой оп­тич. фильтр и уси­ли­тель. В ре­зуль­та­те пря­мо­го де­тек­ти­ро­ва­ния из­ме­не­ния ин­тен­сив­но­сти при­ни­мае­мо­го из­лу­че­ния, ус­ред­нён­ные по вре­ме­ни $t$ (боль­шем пе­рио­да оп­тич. ко­ле­ба­ний $T$) и по пло­ща­ди фо­то­ка­то­да при­ём­ни­ка, пре­об­ра­зу­ют­ся в из­ме­не­ния мощ­но­сти вы­ход­но­го элек­т­рич. сиг­на­ла. В си­лу ста­ти­стич. 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 Д. с. Для вы­де­ле­ния ин­фор­ма­тив­но­го па­ра­мет­ра из дро­бо­вых и те­п­ло­вых шу­мов вы­ход­ной элек­трич. сиг­нал с при­ём­ни­ка по­да­ёт­ся на об­ра­ба­ты­ваю­щее уст­рой­ст­во, напр. на 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 Д. с. яв­ля­ет­ся толь­ко ам­пли­туд­ная мо­ду­ля­ция при­ни­мае­мой вол­ны. Эф­фек­тив­ность уст­ройств Д. с. оце­ни­ва­ют ве­ли­чи­ной от­но­ше­ния сиг­нал/шум (с/ш). Пре­дель­ное зна­че­ние от­но­ше­ния с/ш = $\pi \eta P_c/(\hbar\omega_c \Delta F)$, где $\eta$  – кван­то­вый вы­ход при­ём­ни­ка, $P_c$ – ср. мощ­ность не­су­щей вол­ны на по­верх­но­сти фо­то­ка­то­да, $\omega_c$ – кру­го­вая час­то­та не­су­щей вол­ны, $\Delta F$ – по­ло­са про­пус­ка­ния об­ра­ба­ты­ваю­ще­го ра­дио­тех­нич. уст­рой­ст­ва, $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка. Это зна­че­ние дос­тига­ет­ся в том слу­чае, ко­гда от­сут­ст­ву­ет фо­но­вое из­лу­че­ние, а все­ми др. шу­ма­ми, кро­ме фо­тон­но­го, мож­но пре­неб­речь. Ве­ли­чи­на от­но­ше­ния с/ш, так же как и ве­ли­чи­на ср. то­ка на вы­хо­де при­ём­ни­ка, не за­ви­сит от сте­пе­ни про­стран­ст­вен­ной ко­ге­рент­но­сти при­ни­мае­мо­го из­лу­че­ния. При ре­ги­ст­ра­ции сла­бых све­то­вых сиг­на­лов час­то ис­поль­зу­ют ме­тод фо­то­от­счё­тов (ме­тод счё­та отд. фо­то­нов).

Гетеродинирование

В уст­рой­ст­вах Д. с., ра­бо­таю­щих по прин­ци­пу ге­те­ро­ди­ни­ро­ва­ния, при­ни­мае­мое оп­тич. из­лу­че­ние $E_c(t)$ ком­би­ни­ру­ет­ся на фо­то­ка­то­де с опор­ным из­лу­че­ни­ем $E_{оп}(t)$. Ре­зуль­ти­рую­щее по­ле на фо­то­ка­то­де $E(t)=E_c(t)+E_{оп}(t)$, а ток $I$ при­ём­ни­ка про­пор­цио­на­лен $E^2$ 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, т. к. да­ёт возмож­ность вы­де­лять очень сла­бые сиг­на­лы. От­но­ше­ние с/ш ге­те­ро­дин­но­го уст­рой­ст­ва оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем: с/ш= $2 \pi \eta P_c/[ \hbar \omega_c \Delta F(1+P_c/P_{оп})]$, где $P_{оп}$ – ср. мощ­ность опор­ной вол­ны. При уве­ли­че­нии $P_{оп}$ от­но­ше­ние с/ш дос­ти­га­ет пре­дель­ной ве­ли­чи­ны, в 2 раза боль­шей, чем при пря­мом де­тек­ти­ро­ва­нии. Воз­мож­ность ге­те­ро­ди­ни­ро­ва­ния све­та впер­вые пред­ло­же­на в 1947 Г. С. Го­ре­ли­ком, экс­пе­ри­мен­таль­но реа­ли­зо­ва­на в 1955 амер. 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 ас­тро­но­мич. 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 Д. с. ис­поль­зу­ют для ре­ги­ст­ра­ции не­клас­си­че­ско­го квад­ра­тур­но-сжа­то­го све­та (см. Сжа­тое со­стоя­ние элек­тро­маг­нит­но­го по­ля).

Раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся прин­ци­пи­аль­но но­вые ме­то­ды ла­зер­но­го Д. с., ос­но­ван­ные на ис­поль­зо­ва­нии свя­зан­ных элек­тро­нов. Это де­ла­ет воз­мож­ным де­тек­ти­ро­ва­ние сла­бых оп­тич. сиг­на­лов без фо­то­от­счё­тов, т. е. при по­дав­лен­ных дро­бо­вых шу­мах.