光信息检测：光学前沿研究与应用

　　本书围绕光的接收与探测，结合国内外新技术的发展，系统介绍光信息检测的基础知识和重要技术，主要包括信息的光调制与传输、光电探测、光波参数检测、微弱光信号检测、光电接收系统设计、典型光电检测系统等内容，使读者深入了解光信息的调制、传输特点；熟悉各类光电探测器的主要特性及应用技术；了解噪声的随机概念，通过对光电转换过程中噪声产生原因与特点的分析掌握噪声抑制的方法；掌握光波参数检测的特殊技术及对微弱光信号与单光子进行高灵敏度检测的方法；掌握光接收机设计方法，同时了解几种特殊光电转换电路与典型光电检测系统。

　　刘永智，电子科技大学教授，博士生导师，法国Limoges大学工程博士，享受国务院政府特殊津贴，四川省学术技术带头人。曾任电子科技大学光电子技术系主任、四川省光学学会常务理事、激光专委会主任，获四川省科技进步一等奖一项，三等奖二项，电子部科技进步三等奖一项。合编出版学术著作5部，作为第一或合作者在国内外学术期刊发表论文150余篇，讲授“光电信息检测与处理”等多门课程，培养博士、硕士研究生60余名。

第1章 信息的光调制与传输1
1.1 光波的电磁特性 ……………………………………………………… 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 信息的光调制 ……………………………………………………… 18
1.2.1 光强的时域调制 ………………………………………… 21
1.2.2 光学信息的空域调制变换原理 …………………………… 32
1.2.3 光波参数调制变换原理…………………………………… 47
1.2.4 光波参数调制方法………………………………………………… 47
1.2.5 光纤传感中的光调制技术……………………………………… 68
1.3 光波的传输 ………………………………………………………………… 83
l.3.1 激光在自由空间的传输…………………………………… 83
1.3.2 光波在光纤中的传输…………………………………………… 87
1.3.3 光波在大气中的传输 ……………………………………… 102
1.3.4 光波在水下的传输 …………………………………………… 109
参考文献 …………………………………………………………………………… 111
第2章 光电探测114
2.1 光电探测描述 ……………………………………………………… 114
2.1.1 光电探测基本模型 …………………………………………… 114
2.1.2 光谱响应范围 ……………………………………………………… 114
2.2 光电探测物理效应…………………………………………………… 115
2.2.1 光电效应 ……………………………………………………… 115
2.2.2 光热效应 …………………………………………………………………… 121
2.3 光电转换基本规律及其光电子计数统计 …………………………… 122
2，3.1 光电转换基本规律 …………………………………………… 122
2.3.2 光电子计数统计 …………………………………………………… 123
2.4 光电探测器性能参数…………………………………………………………… 125
2.4.1 探测灵敏度 ………………………………………………… 125
2.4.2 光谱响应 ………………………………………………………… 125
2.4.3 响应时间和频率响应 …………………………………… 127
2.4.4 量子效率 …………………………………………………… 128
2.4.5 噪声等效功率 ……………………………………………………… 128
2.4.6 探测率与比探测率 …………………………………………… 129
2.5 光探测器噪声 …………………………………………………………………… 129
2.5.1 噪声来源 …………………………………………………………… 129
2.5.2 噪声特点……………………………………………………… 130
2.5.3 噪声类型 ………………………………………………………… 131
2.6 光电探测器 ………………………………………………………… 136
2.6.1 光电管与光电倍增管 ……………………………………………… 136
2.6.2 光电导探测器 ………………………………………………… 139
2.6.3 光伏特探测器 ……………………………………………… 143
2.6.4 热探测器 ……………………………………………… 148
2.6.5 图像阵列探测器 …………………………………………… 152
2.6.6 新型光电探测器 ………………………………………… 161
2.7 光探测器的偏置与放大…………………………………………… 162
2.7.1 常用偏置电路 …………………………………………… 162
2.7.2 常用放大电路 ………………………………………… 165
2.7.3 应用实例 …………………………………………………… 166
参考文献 …………………………………………………………………………………… 167
第3章 光波参数检测168
3.1 激光能量与光功率测量………………………………………… 168
3.1.1 激光能量测量 …………………………………………… 169
3.1.2 激光功率测量 ……………………………………………………… 171
3.2 光波长（频率）检测………………………………………………… 172
3.2.1 可调谐F-P（Fabry-Perot）腔方法 ……………………… 172
3.2.2 迈克耳孙干涉方法 ………………………………………… 176
3.2.3 光外差干涉方法 ………………………………………… 177
3.2.4 声光方法 ………………………………………………… 184
3.2.5 微型光谱仪方法 ………………………………………… 185
3.3 光波相位检测 ………………………………………………………… 187
3.3.1 光波相位的干涉测量原理 …………………………………… 187
3.3.2 光波相位的干涉测量方法 ……………………………… 189
3.4 偏振检测 ……………………………………………………………… 207
3.4.1 基本方法……………………………………………………… 208
3.4.2 偏振检测的应用 ……………………………………………………… 210
3.5 激光光束测量 ………………………………………………………… 218
3.5.1 M的测量 ………………………………………………… 219
3.5.2 光强分布测量 ………………………………………………… 222
3.6 激光波前检测 …………………………………………………… 228
3.6.1 Hartmann-Shac波前传感器工作原理 ……………… 228
3.6.2 光学质心计算 …………………………………………… 229
3.6.3 入射光波前重构 ……………………………………………… 229
3.6.4 M因子的计算 …………………………………………………… 231
参考文献 ……………………………………………………………………………… 231
第4章 微弱光信号检测235
4.1 微弱光信号特点………………………………………………… 235
4.2 干扰（背景）与噪声………………………………………………… 235
4.2.1 光千扰…………………………………………………… 235
4.2.2 噪声………………………………………………………… 236
4.2.3 光子噪声 …………………………………………………… 237
4.2.4 噪声的特性 …………………………………………… 238
4.2.5 放大器的噪声 ……………………………………………… 240
4.3 噪声匹配与信噪比改善……………………………………………………… 243
4.3.1 噪声匹配 ……………………………………………………… 243
4.3.2 信噪比改善……………………………………………… 244
4.3.3 最大信噪比原理 …………………………………………… 245
4.4 微弱信号检测方法…………………………………………………… 248
4.4.1 光学输入 ………………………………………………… 248
4.4.2 光外差接收 ………………………………………………… 249
4.4.3 相关检测 ………………………………………………… 254
4.4.4 平均处理技术 …………………………………………… 257
4.4.5 锁定放大技术 ……………………………………………… 258
4.5 光子计数 ……………………………………………………………… 265
4.5.1 光子计数原理 ……………………………………………… 266
4.5.2 光子探测器 …………………………………………………… 268
4.5.3 光子计数器 ……………………………………………… 269
4.5.4 光子计数器的测量方法 ……………………………………………… 270
4.5.5 光子计数探测应用 ……………………………………………………… 273
参考文献……………………………………………………………………………… 278
第5章 光电接收系统设计
5.1 光学接收天线设计…………………………………………………… 279
5.1.1 光学接收天线性能 ………………………………………… 280
5.1.2 大视场高增益光学接收天线 ……………………………… 281
5.1.3 特殊的光学接收天线 …………………………………… 286
5.1.4 光学天线扫描 ………………………………………… 292
5.2 光电变换电路 …………………………………………………… 301
5.2.1 光电检测系统的通频带宽度 …………………………… 301
5.2.2 典型的前置放大电路 …………………………………… 303
5.2.3 PIN光电转换电路 ……………………………………… 305
5.2.4 APD光电转换电路 …………………………………… 307
5.3 光接收机系统 …………………………………………………… 310
5.3.1 光直接接收机 ……………………………………………… 310
5.3.2 光外差接收机 …………………………………………… 314
5.3.3 直接探测法与外差探测的比较 ………………………… 322
5.4 光波相干解调 …………………………………………………… 324
5.4.1 相干检测调制变换光路 …………………………………… 325
5.4.2 相千条纹检测方法 ………………………………………… 328
5.4.3 3×3光纤耦合器相位解调 ……………………………… 331
5.4.4 相位载波生成（PGC）解调法 …………………………… 333
参考文献……………………………………………………………………… 337
第6章 典型的光电检测系统339
6.1 激光检测系统 …………………………………………………………… 339
6.1.1 激光测距 …………………………………………………………… 339
6.1.2 激光测速 …………………………………………………………… 345
6.1.3 激光线径测量 ……………………………………………… 355
6.1.4 激光雷达 ………………………………………………………… 356
6.2 光纤传感器 ………………………………………………………… 364
6.2.1 光纤传感器分类 ………………………………………… 366
6.2.2 分布式光纤传感器 ………………………………………… 375
6.3 光电图像检测系统……………………………………………… 383
6.3.1 光电图像检测系统的分类与组成 ………………………… 383
6.3.2 光学图像处理 …………………………………………… 385
6.3.3 一维图像测量 …………………………………………………… 399
6.3.4 二维图像测量 …………………………………………………………403
6.3.5 三维图像测量 ………………………………………………………… 405
参考文献…………………………………………………………………………………… 407
索引 408