鐳射探測

　　鐳射信號通過探測器轉換成電信號的過程。通常用光電型探測器或光熱型探測器探測鐳射信號。鐳射探測在鐳射接收以及鐳射測距、通信、跟蹤、制導、雷達等研究和應用中具有重要的作用。

　　鐳射探測的方法有直接探測和外差探測兩類。直接探測的方法比較簡單實用，普遍用於可見光和近紅外波段。外差探測方法能提高信噪比和對微弱信號的探測能力，但設備比較複雜，且要求信號有很好的相幹性，主要用於中、遠紅外波段，如探測10.6微米的鐳射。

　　直接探測　激光信號經光學系統耦合到探測器上，探測器把激光信號轉換成電信號，再根據各種應用的要求進行不同的信息處理（圖1）。

　　在直接探測中，探測器不能區別信號光與背景光。為瞭壓低背景噪聲和提高信噪比，必須采取濾光措施。可用視場光闌進行空間濾光，用幹涉濾光片進行光譜濾光，利用時間門抑制信號到達前後的背景光。

　　光電型探測器是直接探測中的重要元件，常用的有光電倍增管、光電二極管和雪崩光電二極管等。①光電倍增管:具有內增益大等優點。它是紫外、可見光和1.1微米以內的近紅外范圍最常用的探測器。光電倍增管在近紅外波段的靈敏度已有很大提高，時間特性也有瞭很大改善，輸出脈沖上升時間可短到120皮秒，渡越時間的抖動可達20皮秒。因此，在上述波段內，高靈敏度、高精度的激光探測都選用光電倍增管。②光電二極管：矽、鍺光電二極管也越來越多地用於可見光和紅外波段。這兩種探測器結構簡單、體積小、價格低，適用於較強信號的探測。③雪崩光電二極管：是具有內增益的光電二極管，輸出電流較光電二極管大，倍增因子M值對溫度很敏感，使用中根據溫度或噪聲控制M值，使其保持穩定狀態。

　　單光電子探測也是一種直接探測，具有很高的靈敏度。當被探測信號極微弱時，光電倍增管的陰極面上將按泊松分佈釋放出個別光電子。這時，激光信號雖然湮沒在倍增管的噪聲中，但可用單光電子探測技術檢測出信號。

　　單光電子探測可用於對已知運動規律的目標（如月球、人造衛星）進行測距，還可用於測弱光的光強。在極其微弱的連續光照射下，光電倍增管的陰極間斷地釋放出光電子，這些光電子經內增益後形成輸出脈沖。光強越弱，單位時間內的脈沖數越少。因此，可以用單光電子計數器測出脈沖數目，從而測出光強。例如，在激光喇曼光譜中就可采用這種方法。

　　外差探測　外差探測的原理與無線電波段的外差探測相似。來自被探測目標的輻射即信號光束，與本機振蕩光束同時入射到光探測器上。兩條光束在光探測器上疊加。若光探測器的反應速度足夠高，就能檢出其差頻信號。差頻信號經中頻放大器放大，用頻譜分析儀或其他終端機指示，完成光的外差探測（圖2）。

　　在外差探測中，探測器除瞭具有直接探測的功能外，還能獲得光信號的相位、頻率、目標速度等信息。外差探測因增加瞭一束強的本機振蕩光束，而能提高光探測的轉換增益。此外，中頻放大器隻放大差頻信號，放大器的帶寬可以做得比較窄，從而增大光探測器輸出的信噪比。由於這些原因，外差探測的靈敏度比直接探測的靈敏度高7～8個數量級。

　　外差探測系統主要由光學天線、本機振蕩器、光混頻器、中頻放大器、窄帶帶通濾波器和終端機組成。

　　光混頻器是外差探測系統的關鍵部件，大多數選用光子型探測器，也可選用熱電探測器。在10.6微波波段，碲鎘汞探測器是一種性能很好的光混頻器。

　　外差探測要求本機振蕩器的振蕩頻率十分穩定。采取消聲、防震、恒溫等被動穩頻措施，能使激光器的頻率穩定度達到10^-7以上。

　　外差探測系統分主動式和被動式兩種。主動式系統的發射機向被測目標發射一束強激光束。光學天線把從目標反射的回波會聚起來，與本機振蕩光束一同準直到光探測器上，以進行混頻，並檢出差頻信號。被動式系統不需要發射機，直接會聚目標的輻射，並與本機振蕩一起準直到光探測器上，實現光混頻。

　　當被測目標與接收機之間有相對運動時，會出現多普勒效應。人們經常利用這種效應對運動目標的速度進行測量。

　　外差接收機的靈敏度用噪聲等效功率

表示。 的表達式與光混頻器的類型有關。用光電導型探測器作光混頻器時， ＝ 2 hνB；用光伏型探測器作光混頻器時， ＝ hνB。式中 B為接收機帶寬。工作在10.6微米的外差接收機，其極限靈敏度為 / B＝1.87×10 ^-20瓦/赫。

　　外差探測主要應用於激光測速、跟蹤等相幹光雷達，以及激光通信、光譜學和輻射測量等方面。圖3為CO₂激光外差接收機的示意圖。