推导单臂相干探测,双臂相干探测的输出电流具体过程
时间: 2023-12-25 14:05:09 浏览: 68
单臂相干探测器的输出电流推导过程如下:
1. 假设单臂相干探测器的光路长度为 $L$,激光功率为 $P$,探测器的灵敏度为 $R$,则在经过分束器后,激光光束被分为两路,经过反射镜反射后再次经过分束器,光束重新合并,形成干涉。假设两条光路的光程差为 $\Delta L$,则干涉后得到的光强度为:
$$
I=2P\left[1+\cos\left(\frac{2\pi\Delta L}{\lambda}\right)\right]
$$
2. 在分束器之前,放置一个调制器,调制器的频率为 $\omega_m$,可以使得光束的强度随着时间发生变化。设调制器的调制深度为 $m$,则经过调制后的光强度为:
$$
I_m = I[1+m\cos(\omega_m t)]
$$
3. 光强度的变化会导致探测器的输出电流发生变化,设探测器的灵敏度为 $R$,则探测器的输出电流可以表示为:
$$
i(t)=\frac{2P_0}{R}\cos(\omega_mt+\theta_0)
$$
其中,$P_0$ 是光路中激光的功率,$\theta_0$ 是干涉仪中的初始相位差。
双臂相干探测器的输出电流推导过程如下:
1. 假设双臂相干探测器的两条臂长度分别为 $L_1$ 和 $L_2$,激光功率为 $P$,两条臂的长度差为 $\Delta L=L_2-L_1$。在每条臂的结尾处,放置一个 Fabry-Perot 腔,可以增强光的反射和透射,进而增加灵敏度。
2. 光路中存在悬挂光学元件,如振动平台、悬挂线等,会使得两条臂的长度发生微小变化,进而引起干涉仪中的相位变化。假设相位变化的大小为 $\delta\phi$,则相位变化对应的电流输出可以表示为:
$$
i(t)=\frac{2P_0}{R}\cos(\omega_mt+\theta_0+\delta\phi)
$$
3. 根据双臂干涉的原理,当光程差为整数倍的波长时,两条光路的光强度会相互加强,当光程差为半整数倍的波长时,两条光路的光强度会相互抵消。因此,当 $\Delta L$ 为整数倍或半整数倍的波长时,探测器的输出电流会发生明显变化。
4. 双臂相干探测器中还存在阿米巴效应,即悬挂光学元件的热运动会引起光路长度的微小变化,从而引起干涉仪中的相位变化。假设阿米巴效应引起的相位变化为 $\delta\phi_a$,则相位变化对应的电流输出可以表示为:
$$
i(t)=\frac{2P_0}{R}\cos(\omega_mt+\phi_0+\frac{4\pi L}{\lambda}+\frac{\Delta L}{L}\cos(\omega_a t+\theta)+\delta\phi_a)
$$
其中,$\omega_a$ 是阿米巴频率,$\theta$ 是干涉仪中的相位差,$\phi_0$ 是干涉仪的初始相位差。
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