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光电信息科学与工程类专业规划教材 光学测试技术 刘 承 张登伟 张彩妮 等编著 杨国光 主审 2 内 容 简 介 本书从基本原理出发，着重阐述各种物理量的光学测试技术、方法和手段，选材上既注重基础理论性更着重实用性和先进性，是学习、掌握先进的精密测试技术的一本入门教材和技术实用书籍。本书包括 6 章内容，分别为绪论、光干涉技术、光衍射技术、光调制及扫描技术、光纤传感技术和光纳米传感与测量技术。附录 A主要讲述光信号的探测方法及其相应电信号的处理方法，以供读者参考使用。本书可作为光电工程专业、测试计量技术及仪器，以及光学工程、精密仪器、控制与测量等专业的本科及研究生教材，也是工程技术与科研人员的有益参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 光学测试技术/刘承等编著.北京：电子工业出版社，2013.6 光电信息科学与工程类专业规划教材 ISBN 978-7-121-20194-3.光 .刘 .光学仪器测试技术高等学校教材 .TH740.6 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 077292 号 责任编辑：韩同平 特约编辑：张庆杰 印 刷：杨 波 装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：20 字数：550 千字 印 次：2013 年 6 月第 1 次印刷 印 数：2 500 册 定价：49.90 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 利用光学进行精密测试，一直是测试技术领域中的重要方法。由于光学测试方法具有非接触性，高灵敏性，高精度性，以及光学图像的二维、三维计量性，相关性，实时性等独特优点，使得光学测试技术在工业、农业、国防、军事、医学及空间科学等领域得到非常广泛的应用。本书以光学测试技术为中心，全面介绍了光学测试技术的基础理论、测量原理、方法及特点，着重介绍实际应用中的光学测试技术，起点较低，容易入门，又不缺乏测试技术的先进性、全面性和实用性。本书以突出光学基础理论，并紧密结合实际应用，力求体现近年来光学测试技术领域的最新成果和发展动态。本书共 6 章，其中绪论概括了光学测试技术的研究内容、特点、系统组成、研究现状、测试方法的选择及其发展方向等内容；第 1 章主要介绍与光的干涉相关的测试技术，包括光干涉的基本原理、双光束干涉技术、多光束干涉技术、剪切干涉技术、外差干涉技术、全息干涉技术、激光散斑干涉技术等，并给出相应技术的应用；第 2 章主要介绍与光的衍射相关的测试技术，包括光衍射的原理、经典的光衍射测量技术、光栅衍射技术、微系统中的衍射技术及莫尔条纹技术等；第 3 章主要介绍光调制及光扫描技术，包括光的调制原理、常用调制解调技术、光扫描技术、激光多普勒技术等；第 4 章主要介绍光纤传感技术，包括强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器、光纤光栅传感器及光纤传感器的复用技术等；第 5 章主要介绍光纳米传感与测量技术，包括倏逝波原理及传感技术、表面等离子共振技术及应用、近场光学探测技术及应用等。附录 A 主要介绍光信号的探测方法及其相应电信号的处理方法，以供读者参考使用。本书可作为光电工程专业、测试计量技术及仪器专业，以及光学工程、精密仪器、控制与测量等专业的本科及研究生教材，也是工程技术与科研人员的有益参考书。本书由浙江大学刘承教授等编著，由杨国光教授担任主审。绪论和第 3 章由刘承编写，第1 章由张彩妮编写，第 2 章由黄腾超编写，第 4 章由王冬云编写，第 5 章由张登伟编写。光学惯性中心的所有老师都为本书的写作提供了支持、所有研究生都为本书付出了劳动，在此表示感谢。同时感谢电子工业出版社的约稿及编辑出版工作。本书在编写过程中，参阅了大量的国内外文献，这些研究成果使得本书内容更加丰富，在此向有关作者表示感谢。由于编者知识有限，经验不足，因此本书在取材和编写上肯定会有不妥甚至错误之处，敬请广大读者批评指正（）。编著者 目 录 绪论 光学测试技术概述 （1）0.1 光学测试技术的特点 （1）0.2 光学测试系统的组成 （2）0.3 光学测试技术的现状 （3）0.4 光学测试方法的选择 （5）0.5 光学测试技术的发展方向 （7）练习与思考题 （7）本章参考文献 （7）第 1 章 光干涉技术 （8）1.1 光干涉的基础理论 （8）1.1.1 相干光场的性质 （8）1.1.2 光的干涉条件 （10）1.1.3 干涉条纹的对比度 （11）1.1.4 干涉条纹的形状与间隔 （14）1.2 双光束干涉技术 （15）1.2.1 平行平板双光束干涉 （15）1.2.2 等厚干涉与斐索干涉仪 （16）1.2.3 泰曼-格林干涉仪 （17）1.2.4 马赫-曾德尔干涉仪 （18）1.2.5 数字干涉仪（19）1.3 多光束干涉技术 （25）1.3.1 平行平板的多光束干涉条纹 （26）1.3.2 法布里-珀罗干涉仪 （28）1.3.3 应用法布里-珀罗干涉仪测光谱线的精细结构 （29）1.3.4 应用法布里-珀罗干涉仪比较波长 （30）1.4 剪切干涉技术 （31）1.4.1 波面剪切的形成 （31）1.4.2 剪切干涉测量原理 （32）1.4.3 剪切干涉仪及其应用 （33）1.5 外差干涉技术 （35）1.5.1 外差干涉技术的提出 （35）1.5.2 产生激光外差干涉的途径 （35）1.5.3 外差干涉测长原理 （36）1.5.4 激光测振仪（37）1.6 全息干涉技术 （39）1.6.1 全息干涉基本原理 （40）1.6.2 全息干涉技术及应用 （40）1.6.3 激光全息干涉测量技术的应用 （44）1.7 激光散斑干涉技术 （47）I 1.7.1 散斑及其形成的原理 （47）1.7.2 散斑的性质（48）1.7.3 散斑照相测量原理 （50）1.7.4 散斑干涉测量技术 （51）1.7.5 散斑剪切干涉术 （58）1.7.6 散斑干涉测量的应用 （62）练习与思考题 （64）本章参考文献 （64）第 2 章 光衍射技术 （65）2.1 激光衍射测量理论 （65）2.1.1 衍射的分类（65）2.1.2 菲涅耳衍射（66）2.1.3 夫琅禾费衍射 （70）2.1.4 激光衍射测量技术 （76）2.2 微光学中的光衍射理论 （82）2.2.1 标量衍射理论 （83）2.2.2 矢量衍射理论 （89）2.3 衍射光学元件 （99）2.3.1 衍射光栅 （99）2.3.2 衍射光的控制与效率（100）2.3.3 衍射光栅的应用（103）2.4 Talbot 效应及其应用技术（106）2.4.1 Talbot 效应原理（106）2.4.2 Talbot 效应的应用 （114）2.5 莫尔条纹技术 （116）2.5.1 条纹形成原理 （116）2.5.2 衍射干涉原理 （117）2.5.3 莫尔条纹的特点 （118）2.5.4 莫尔条纹光学系统的构成与分类（120）2.5.5 莫尔条纹测试技术应用（121）练习与思考题（127）本章参考文献（128）第 3 章 光调制解调及扫描技术（129）3.1 光调制技术（129）3.2 常用光调制技术（132）3.2.1 光强度的空间调制技术（132）3.2.2 光强度的时间调制技术（134）3.2.3 光的频率调制技术（140）3.2.4 光的相位调制技术（149）3.2.5 光的偏振态调制技术（152）3.3 调制信号的解调技术（154）3.3.1 调幅信号的解调（154）3.3.2 调相信号的解调与相敏检波（155）II 3.4 光扫描技术（156）3.4.1 光扫描技术原理（156）3.4.2 光强衍射扫描技术（158）3.4.3 相位调制扫描技术（159）3.4.4 白光扫描干涉技术（162）3.5 激光多普勒技术（165）3.5.1 激光多普勒效应（166）3.5.2 差动多普勒技术（167）3.5.3 激光多普勒测速技术（168）练习与思考题（176）本章参考文献（176）第 4 章 光纤传感技术（178）4.1 光纤原理与结构（178）4.1.1 光纤结构原理（178）4.1.2 光纤模式与传输（179）4.1.3 光纤中的偏振（185）4.2 光纤传感的概念与类别（187）4.2.1 光纤传感的定义及特点（187）4.2.2 光纤传感系统的组成（187）4.2.3 光纤传感系统的分类（190）4.2.4 调制原理分类（191）4.3 强度调制型光纤传感技术（193）4.3.1 介质的吸收特性（193）4.3.2 透射式强度调制型光纤传感技术（194）4.3.3 光波模式强度调制型光纤传感技术（194）4.3.4 光吸收型强度调制光纤传感技术（195）4.4 波长调制型光纤传感技术（196）4.4.1 黑体辐射波长调制技术（196）4.4.2 荧光波长调制技术（197）4.5 相位调制型光纤传感技术（198）4.6 偏振态调制型光纤传感技术（200）4.6.1 磁光效应（200）4.6.2 磁光调制技术（201）4.6.3 溶液旋光性（201）4.7 传光型光纤传感技术（202）4.7.1 光纤微弯传感技术（202）4.7.2 光纤辐射传感技术（204）4.8 干涉型光纤传感技术（205）4.8.1 光纤迈克耳孙干涉仪（206）4.8.2 光纤马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪（206）4.8.3 光纤萨格纳克干涉仪（208）4.8.4 光纤法布里-珀罗干涉仪（212）4.9 光纤布拉格光栅传感技术（214）III 4.9.1 光纤布拉格光栅的原理（214）4.9.2 光纤布拉格光栅的应变特性（215）4.9.3 光纤布拉格光栅的温度传感特性（216）4.9.4 光纤光栅传感系统的基本组成（218）4.9.5 光纤光栅传感器的敏感性（218）4.9.6 光纤光栅温度与应变交叉敏感特性（219）4.9.7 光纤光栅传感器的波长解调技术（220）4.9.8 光纤光栅传感器应用技术（222）4.10 传感器的复用技术（224）4.10.1 光纤传感器网络的一般形式（224）4.10.2 点传感器的复用技术（225）4.10.3 分布式传感技术（228）练习与思考题（232）本章参考文献（232）第 5 章 光纳米传感与测量技术（234）5.1 纳米光学与纳米测量概述（234）5.2 倏逝波原理与传感技术（235）5.2.1 倏逝波原理（235）5.2.2 基于倏逝波的传感技术（238）5.3 表面等离子体共振技术（240）5.3.1 SPR 技术原理（240）5.3.2 SPR 技术的应用（245）5.3.3 SPR 传感器的性能（251）5.4 近场光学探测技术（252）5.4.1 近场光学原理（252）5.4.2 光子隧道理论（256）5.4.3 近场探测技术（258）5.4.4 近场扫描光学显微镜的应用（261）5.4.5 其他的纳米级测试方法（266）5.5 光纳米传感技术的发展方向（275）5.5.1 亚波长光学元件技术（275）5.5.2 MOEMS 技术（276）练习与思考题（279）本章参考文献（279）附录 A 光探测及信号处理技术（281）A.1 光信号探测技术（281）A.2 模拟电信号调理技术（296）A.3 数字信号处理技术（307）练习与思考题 （311）参考文献 （311）1 绪论 光学测试技术概述 0.1 光学测试技术的特点 凡是利用光学原理进行精密测量的技术，都称为光学测试技术。计量（Metorlogy）、测量（Measurement）、检验（Inspection）与测试（Measuring and Testing）这四个名词对初学者