光信息檢測：光學前沿研究與應用

第1章 信息的光調制與傳輸1
1.1 光波的電磁特性 ……………………………………………………… 1
1.1.1 光的基本特性 ……………………………………………… 1
1.1.2 光波的偏振特性 …………………………………………………… 5
1.1.3 光的相千性 …………………………………………… 11
1.1.4 光的吸收和散射 …………………………………………… 14
1.2 信息的光調制 ……………………………………………………… 18
1.2.1 光強的時域調制 ………………………………………… 21
1.2.2 光學信息的空域調制變換原理 …………………………… 32
1.2.3 光波參數(shù)調制變換原理…………………………………… 47
1.2.4 光波參數(shù)調制方法………………………………………………… 47
1.2.5 光纖傳感中的光調制技術……………………………………… 68
1.3 光波的傳輸 ………………………………………………………………… 83
l.3.1 激光在自由空間的傳輸…………………………………… 83
1.3.2 光波在光纖中的傳輸…………………………………………… 87
1.3.3 光波在大氣中的傳輸 ……………………………………… 102
1.3.4 光波在水下的傳輸 …………………………………………… 109
參考文獻 …………………………………………………………………………… 111
第2章 光電探測114
2.1 光電探測描述 ……………………………………………………… 114
2.1.1 光電探測基本模型 …………………………………………… 114
2.1.2 光譜響應范圍 ……………………………………………………… 114
2.2 光電探測物理效應…………………………………………………… 115
2.2.1 光電效應 ……………………………………………………… 115
2.2.2 光熱效應 …………………………………………………………………… 121
2.3 光電轉換基本規(guī)律及其光電子計數(shù)統(tǒng)計 …………………………… 122
2，3.1 光電轉換基本規(guī)律 …………………………………………… 122
2.3.2 光電子計數(shù)統(tǒng)計 …………………………………………………… 123
2.4 光電探測器性能參數(shù)…………………………………………………………… 125
2.4.1 探測靈敏度 ………………………………………………… 125
2.4.2 光譜響應 ………………………………………………………… 125
2.4.3 響應時間和頻率響應 …………………………………… 127
2.4.4 量子效率 …………………………………………………… 128
2.4.5 噪聲等效功率 ……………………………………………………… 128
2.4.6 探測率與比探測率 …………………………………………… 129
2.5 光探測器噪聲 …………………………………………………………………… 129
2.5.1 噪聲來源 …………………………………………………………… 129
2.5.2 噪聲特點……………………………………………………… 130
2.5.3 噪聲類型 ………………………………………………………… 131
2.6 光電探測器 ………………………………………………………… 136
2.6.1 光電管與光電倍增管 ……………………………………………… 136
2.6.2 光電導探測器 ………………………………………………… 139
2.6.3 光伏特探測器 ……………………………………………… 143
2.6.4 熱探測器 ……………………………………………… 148
2.6.5 圖像陣列探測器 …………………………………………… 152
2.6.6 新型光電探測器 ………………………………………… 161
2.7 光探測器的偏置與放大…………………………………………… 162
2.7.1 常用偏置電路 …………………………………………… 162
2.7.2 常用放大電路 ………………………………………… 165
2.7.3 應用實例 …………………………………………………… 166
參考文獻 …………………………………………………………………………………… 167
第3章 光波參數(shù)檢測168
3.1 激光能量與光功率測量………………………………………… 168
3.1.1 激光能量測量 …………………………………………… 169
3.1.2 激光功率測量 ……………………………………………………… 171
3.2 光波長（頻率）檢測………………………………………………… 172
3.2.1 可調諧F-P（Fabry-Perot）腔方法 ……………………… 172
3.2.2 邁克耳孫干涉方法 ………………………………………… 176
3.2.3 光外差干涉方法 ………………………………………… 177
3.2.4 聲光方法 ………………………………………………… 184
3.2.5 微型光譜儀方法 ………………………………………… 185
3.3 光波相位檢測 ………………………………………………………… 187
3.3.1 光波相位的干涉測量原理 …………………………………… 187
3.3.2 光波相位的干涉測量方法 ……………………………… 189
3.4 偏振檢測 ……………………………………………………………… 207
3.4.1 基本方法……………………………………………………… 208
3.4.2 偏振檢測的應用 ……………………………………………………… 210
3.5 激光光束測量 ………………………………………………………… 218
3.5.1 M的測量 ………………………………………………… 219
3.5.2 光強分布測量 ………………………………………………… 222
3.6 激光波前檢測 …………………………………………………… 228
3.6.1 Hartmann-Shac波前傳感器工作原理 ……………… 228
3.6.2 光學質心計算 …………………………………………… 229
3.6.3 入射光波前重構 ……………………………………………… 229
3.6.4 M因子的計算 …………………………………………………… 231
參考文獻 ……………………………………………………………………………… 231
第4章 微弱光信號檢測235
4.1 微弱光信號特點………………………………………………… 235
4.2 干擾（背景）與噪聲………………………………………………… 235
4.2.1 光千擾…………………………………………………… 235
4.2.2 噪聲………………………………………………………… 236
4.2.3 光子噪聲 …………………………………………………… 237
4.2.4 噪聲的特性 …………………………………………… 238
4.2.5 放大器的噪聲 ……………………………………………… 240
4.3 噪聲匹配與信噪比改善……………………………………………………… 243
4.3.1 噪聲匹配 ……………………………………………………… 243
4.3.2 信噪比改善……………………………………………… 244
4.3.3 最大信噪比原理 …………………………………………… 245
4.4 微弱信號檢測方法…………………………………………………… 248
4.4.1 光學輸入 ………………………………………………… 248
4.4.2 光外差接收 ………………………………………………… 249
4.4.3 相關檢測 ………………………………………………… 254
4.4.4 平均處理技術 …………………………………………… 257
4.4.5 鎖定放大技術 ……………………………………………… 258
4.5 光子計數(shù) ……………………………………………………………… 265
4.5.1 光子計數(shù)原理 ……………………………………………… 266
4.5.2 光子探測器 …………………………………………………… 268
4.5.3 光子計數(shù)器 ……………………………………………… 269
4.5.4 光子計數(shù)器的測量方法 ……………………………………………… 270
4.5.5 光子計數(shù)探測應用 ……………………………………………………… 273
參考文獻……………………………………………………………………………… 278
第5章 光電接收系統(tǒng)設計
5.1 光學接收天線設計…………………………………………………… 279
5.1.1 光學接收天線性能 ………………………………………… 280
5.1.2 大視場高增益光學接收天線 ……………………………… 281
5.1.3 特殊的光學接收天線 …………………………………… 286
5.1.4 光學天線掃描 ………………………………………… 292
5.2 光電變換電路 …………………………………………………… 301
5.2.1 光電檢測系統(tǒng)的通頻帶寬度 …………………………… 301
5.2.2 典型的前置放大電路 …………………………………… 303
5.2.3 PIN光電轉換電路 ……………………………………… 305
5.2.4 APD光電轉換電路 …………………………………… 307
5.3 光接收機系統(tǒng) …………………………………………………… 310
5.3.1 光直接接收機 ……………………………………………… 310
5.3.2 光外差接收機 …………………………………………… 314
5.3.3 直接探測法與外差探測的比較 ………………………… 322
5.4 光波相干解調 …………………………………………………… 324
5.4.1 相干檢測調制變換光路 …………………………………… 325
5.4.2 相千條紋檢測方法 ………………………………………… 328
5.4.3 3×3光纖耦合器相位解調 ……………………………… 331
5.4.4 相位載波生成（PGC）解調法 …………………………… 333
參考文獻……………………………………………………………………… 337
第6章 典型的光電檢測系統(tǒng)339
6.1 激光檢測系統(tǒng) …………………………………………………………… 339
6.1.1 激光測距 …………………………………………………………… 339
6.1.2 激光測速 …………………………………………………………… 345
6.1.3 激光線徑測量 ……………………………………………… 355
6.1.4 激光雷達 ………………………………………………………… 356
6.2 光纖傳感器 ………………………………………………………… 364
6.2.1 光纖傳感器分類 ………………………………………… 366
6.2.2 分布式光纖傳感器 ………………………………………… 375
6.3 光電圖像檢測系統(tǒng)……………………………………………… 383
6.3.1 光電圖像檢測系統(tǒng)的分類與組成 ………………………… 383
6.3.2 光學圖像處理 …………………………………………… 385
6.3.3 一維圖像測量 …………………………………………………… 399
6.3.4 二維圖像測量 …………………………………………………………403
6.3.5 三維圖像測量 ………………………………………………………… 405
參考文獻…………………………………………………………………………………… 407
索引 408