Требуются ли для интерферометров равные (или как можно более равные) лучи, излучаемые на цель и фотодетектор(ы)?

Это на самом деле немного сложный вопрос дизайна.

Грубая история такова. В принципе, это совершенно неважно. Вы увидите интерференционные полосы, даже если лучи имеют разную мощность. На практике это может иметь значение, в зависимости от того, насколько слабый сигнал вы пытаетесь измерить.

Это будет зависеть от деталей вашего фотодетектора. Есть несколько уровней сигнала, которые имеют значение. Ваш фотодетектор выдает напряжение$V$пропорциональна мгновенной мощности$P$на фотодетектор. Eсть$V_{\text{noise}}$соответствует уровню электронного шума фотодетектора. Eсть$V_{\text{max}}$соответствует максимальному напряжению, которое фотодетектор может выдать до насыщения.

Если у вас есть два луча, которые приводят к напряжениям$V_1$и$V_2$на фотодетекторе, то когда вы включите оба луча вместе, вы получите сигнал, подобный

Где$\phi$это фаза между двумя лучами света, которая изменяется в зависимости от того, что вы измеряете относительно своей «цели».

В дополнение к электронному шуму вы также получите оптический дробовой шум, который пропорционален$\sqrt{V}$.

Таким образом, чтобы разрешить интерференционные полосы, вам нужен сигнал, пропорциональный$\sqrt{V_1V_2}$, чтобы быть как можно больше. НО, вы ограничены$V<V_{\text{max}}$так что вы не насыщаете детектор.

Контраст интерференционной полосы, определяемый выражением$S = A + B\cos(\phi)$с$0<B<A$дается как

$C\rightarrow 0$для слабого сигнала, если$B\ll A$и$C\rightarrow 1$для "идеального контраста" с$B=A$.

В этом случае мы хотим максимизировать$B$с ограничением, что$A+B$фиксируется на$V_{\text{max}}$. Это происходит, когда наш сигнал имеет максимальный контраст, такой что$B=A$. В случае вашей проблемы это означает, что вы, в идеале,$V_1=V_2$.

То есть вы хотите, чтобы мощность луча 1 равнялась мощности луча 2 на фотодетекторе. Это может означать, что вам нужно больше энергии в руке, включая цель, если цель рассеивает или поглощает любой свет, падающий на нее.

Все это говорит о том, что если вы измеряете что-то «легкое», то, вероятно, вам не нужно будет беспокоиться обо всех этих мелких деталях отношения сигнала к шуму, и вы будете в порядке с несбалансированными мощностями. Сложно сказать, не делая полного анализа конструкции. Все, что я здесь описываю, вероятно, даст вам коэффициент 2 или 4 или что-то в этом роде в отношении сигнал-шум, который может или не может иметь значение для вашего приложения.

редактировать: ОП спрашивает о случае, когда мощность, которая может идти на образец, ограничена. Например, образец может быть каким-то образом поврежден, если на него подается слишком много энергии. В установке интерференции с одним фотодетектором это не идеально. При отсутствии электронных шумов на фотодетекторе (или где-либо в цепочке обнаружения, включая усилители или устройства сбора данных) наилучшей стратегией было бы установить две мощности на детекторе равными, как описано выше. Это в основном оптимизирует усиление слабого сигнала дробовым шумом.

Однако при наличии электронных шумов двух низких уровней мощности на фотодетекторе, вероятно, будет недостаточно для преодоления электронных шумов. В этом случае вам необходимо увеличить мощность в луче «гетеродина» (LO), чтобы усилить синусоидальную модуляцию выше уровня электронного шума. Вы должны увеличивать мощность гетеродина до тех пор, пока не достигнете насыщения фотодетектора. Но я добавлю предостережение, что когда шум выстрела от гетеродина превышает минимальный уровень электронного шума, вы не видите никакого улучшения отношения сигнал/шум при увеличении мощности гетеродина. В основном и шум выстрела, и уровень сигнала увеличиваются.$\propto \sqrt{V_{\text{LO}}}$в таком случае.

Однако НАИЛУЧШЕЙ стратегией, если вам необходимо выполнить интерферометрически улучшенное измерение сигнала низкого уровня, является использование сбалансированного интерферометрического обнаружения. В этом случае вы используете два фотодетектора для измерения света, выходящего из каждого порта светоделителя, а затем вычитаете два сигнала перед усилением. В этом случае ваш сигнал выглядит как модуляция около нуля вольт, т.е. отсутствует смещение постоянного тока. Это позволяет вам использовать гораздо большую мощность гетеродина без насыщения фотодетекторов, что упрощает усиление слабого сигнала за пределы электронного шума цепи детектора. Тем не менее, как только сигнал усиливается за пределы электронного шума, вы снова не получаете дальнейшего увеличения SNR при большем увеличении гетеродина.