光ヘテロダイン干渉法

［ヘテロダイン干渉］
周波数がわずかに異なる２つの波を重ね合わせると，その周波数の差に等しい「うなり（ビート）」が観測できる。この「ビート」から必要な情報を取り出すことをヘテロダイン法という。 「干渉」とは，二つの光を重ね合わせることをいう。

「光ヘテロダイン干渉法」の特徴
（１）ロックインアンプ等を用いて信号検出をすると，高精度，高感度の測定が可能。
（２）「位相情報」は，信号光の強度変動（ノイズ）に影響されない。
（３）参照光の周波数に等しい信号成分の情報を取り出すことができる。
（４）参照光の強度を大きくすることで，微弱な信号の検出が可能になる。

光ヘテロダイン干渉法の原理：

参照光と信号光の電場成分をそれぞれEr，Esとし，次のように表す。
　E_r = a_r cos(2π f_r t + φ_r)　　　　　　　　　　(1)
　E_s = a_s cos(2π f_s t + φ_s)　　　　　　　　　　(2)
ここで，a_r，a_sはそれぞれ参照光，信号光の振幅を意味する。f_r, f_s，φ_r，φ_sはそれぞれ周波数および位相を表す。この二つの光を重ね合わせると，検出される光強度Ｉ は次のようになる。
　I = <|E_r +E_s|²>
　 =(a_r ² + a_s ²)/2 + 2 a_r a_s cos[2π(f_r -f_s) t + (φ_r -φ_s)]
　 =(a_r ² + a_s ²)/2 + 2 a_r as cos[2π f_b t + Δ]　　　　　　　　(3)
ここで，＜　＞は時間平均を表す。f_b = f_r -f_sは「光ビート周波数」，Δ＝ φ_r -φ_sは「位相差」を意味する。
　光検出器で検出される光電流成分は，(3)式の第１項(a_r ² + a_s ²)/2が直流成分となり，第２項が周波数f_bの交流成分となる。光ヘテロダイン干渉法は，光ビート信号の振幅（２ a_r a_s ），周波数（ f_b ），および位相（Δ）を電気的に計測し，光信号の振幅（ a_s ），周波数（f_s ），および位相（ φ_s ）に含まれる情報を取り出す方法である。