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Lexikon der Optik: optischer Überlagerungsempfang

optischer Überlagerungsempfang, optische Mischung (engl. photomixing), eine Meßtechnik des photoelektrischen Nachweises, bei der zwei frequenzmäßig unterschiedliche Strahlungen gleichzeitig auf einen Photoempfänger treffen und die auftretende Schwebung (Interferenz) beobachtet wird. Auf der Empfängerfläche addieren sich in jedem Zeitpunkt t die Feldstärken E1(t) und E2(t) der beiden Teilwellen zu der Gesamtfeldstärke E(t)=E1(t)+E2(t). Der Photoempfänger reagiert auf die Gesamtintensität I(t), die proportional dem über mehrere Lichtperioden gemittelten Wert von E2(t) ist,

. Für den o. Ü. eignen sich vor allem quasimonochromatische Lichtfelder, deren Feldstärken in der Form E1(t) = A1(t)cos[2πν1t + ϕ1(t)] bzw. E2(t) = A2(t)cos[2πν2t + ϕ2(t)] geschrieben werden können, wobei die (reellen) Amplituden A1, A2 sowie die Phasen ϕ1, ϕ2 als zeitlich schwach veränderlich (infolge von Modulationen oder statistischen Fluktuationen) gegenüber der durch die Mittenfrequenzen ν1, ν2 beschriebenen hochfrequenten Zeitabhängigkeit betrachtet werden können. Der Photostrom ergibt sich so zu iPh~ I(t)~A12(t)+A22(t)+2A1(t)A2(t)cos[2π(ν21)t+ ϕ2(t) – ϕ1(t)]. Hier beschreiben die ersten beiden Summanden den Photostrom, der bei Einfall jeweils eines der beiden Strahlungsfelder auftritt, und der dritte Summand ist das Schwebungssignal. (Ein mit der Summenfrequenz ν12 oszillierender Beitrag verschwindet bei der erwähnten zeitlichen Mittelung). Der Nachweis des Schwebungssignals hängt von dem erreichbaren Signal/Rausch-Verhältnis (Photoempfänger) ab, das für die Strahlung thermischer Lichtquellen sehr klein ist. Erst mit dem Einsatz von Lasern hat der o. Ü. praktische Bedeutung erlangt. Je nachdem, ob ν1 und ν2 verschieden sind oder übereinstimmen, spricht man von Heterodyn- oder Homodyntechnik. Beim Heterodyn-Strahlungsnachweis enthält der Photostrom einen Wechselstromanteil, dessen Mittenfrequenz durch |ν21| gegeben ist. Mit Punktkontaktdioden lassen sich Differenzfrequenzen bis zu einigen GHz nachweisen. Das Schwebungssignal wird entweder oszillographisch aufgezeichnet oder sein Leistungsspektrum mittels eines Spektrumanalysators analysiert.

Anwendungen. Mit Hilfe der Heterodyntechnik können Frequenzunterschiede zwischen frequenzmäßig benachbarten, jeweils in schmalen Frequenzbereichen emittierenden Lasern mit großer Genauigkeit vermessen werden. Durch den Aufbau ganzer Frequenzketten wurden nach dieser Methode äußerst präzise Absolutmessungen der Frequenz ausgewählter (frequenzstabilisierter) Laser vorgenommen (Frequenzmessung). Zudem können die Frequenzschwankungen schmalbandiger Laserstrahlung (z.B. die durch Instabilitäten des Resonatoraufbaus bedingten Fluktuationen der Frequenz von Gaslasern) und damit die effektive Bandbreite der Laserstrahlung gemessen werden, entweder im Vergleich mit einem zweiten, unter den gleichen Bedingungen betriebenen Laser gleicher Art oder im Vergleich mit einem in seiner Frequenz bereits stabilisierten Laser (Frequenzstabilisierung von Lasern). Wird die Strahlung nur eines Lasers aufgespalten und einer der beiden Teilstrahlen (z.B. durch Doppler-Effekt an einem bewegten Reflektor) frequenzverschoben, so läßt sich mittels Heterodyn-Messung auf die Geschwindigkeit des Reflektors schließen (Laseranemometer) oder bei Reflexion an einem gleichförmig bewegten Spiegel aus dem Leistungsspektrum die Linienbreite und das Linienprofil der Strahlung bestimmen. Mit der Strahlung eines leistungsstarken frequenzstabilen Lasers als "lokaler Oszillator" gemischt, lassen sich durch o. Ü. auch schwache Signale empfindlich nachweisen, z.B. in der Infrarot-Absorptionsspektroskopie, wo eine thermische Meßstrahlung – durch Absorption frequenzabhängig geschwächt – mit der eines CO2- oder Halbleiterlasers als lokalem Oszillator gemischt wird. Beim Homodyn-Strahlungsnachweis stimmen lokaler Oszillator und zu messende (monochromatische) Strahlung in ihrer Frequenz genau überein. Das Schwebungssignal entartet zu einem Gleichstromsignal, dessen Größe empfindlich von der Phasenlage der zu untersuchenden Strahlung gegenüber dem lokalen Oszillator abhängt. Denkt man sich die Feldstärke des Strahlungsfeldes in einen mit dem lokalen Oszillator gleichphasig schwingenden und einen um 90° phasenverschobenen Anteil zerlegt, so wird durch den Homodyn-Nachweis nur der erstgenannte Anteil erfaßt. Auf diese Weise läßt sich im besonderen ein Nachweis für das Vorliegen eines "squeezed state" erbringen.

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