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第1章 光电传感器 1

1.1 概述 1

1.2 强度调制型光电传感器 1

1.2.1 反射型光电传感器 2

1.2.2 透射型光电传感器 3

1.2.3 CCD在光电信号测量中的应用 3

1.2.4 强度调制型光电传感器的设计 6

1.3 相位调制光电传感器 7

1.3.1 概述 7

1.3.2 光波的叠加 8

1.3.3 典型的干涉 10

1.3.4 低相干光源干涉 21

1.3.5 典型相位型光电传感器 25

1.3.6 典型相位型光电传感器的设计 28

1.3.7 典型相位型光电传感器的性能 30

1.3.8 光的相干性 33

1.3.9 激光的相干性 40

1.4 偏振调制光电传感器 41

1.4.1 概述 41

1.4.2 弹光效应的应用 42

1.4.3 法拉第效应的应用 43

1.4.4 电光效应的应用 44

1.4.5 光学电功率传感系统 47

1.4.6 椭偏仪在薄膜测量中的应用 49

1.4.7 偏振调制型光电传感器的设计 53

1.5 波长调制型光电传感器 54

1.5.1 概述 54

1.5.2 激光多普勒测速 55

1.5.3 激光感生荧光测温 57

1.5.4 激光拉曼散射光谱测温 59

1.5.5 相干反斯托克斯拉曼光谱测温技术 60

1.6 光测高温术 65

1.6.1 维恩位移定律 65

1.6.2 光测高温 67

1.7 衍射型光电传感器 68

1.7.1 概述 68

1.7.2 衍射的基本理论 69

1.7.3 衍射型光电传感器的设计 72

1.7.4 光波空间频率检测法 76

1.7.5 激光衍射传感的应用实例 80

1.7.6 基于单缝衍射的测量精度与最大量程分析 87

1.8 小结 88

习题与思考题 90

第2章 波前传感器 92

2.1 引言 92

2.2 波前传感器的基本原理 94

2.3 剪切干涉波前传感技术 95

2.3.1 剪切干涉波前传感器的基本原理 95

2.3.2 动态交变剪切干涉波前传感器 95

2.3.3 动态交变剪切干涉波前传感器的特点 97

2.4 动态哈特曼-夏克波前传感器技术 97

2.4.1 哈特曼-夏克波前传感器工作原理 97

2.4.2 哈特曼-夏克波前传感器的子孔径光斑质心探测误差 98

2.5 曲率传感器技术 99

2.6 像清晰化波前传感技术 99

2.7 波前校正器 100

2.7.1 变形反射镜 100

2.7.2 变形反射镜结构 104

2.7.3 高速倾斜反射镜 106

2.8 波前传感器在自适应光学系统中的应用 107

2.8.1 激光核聚变装置波前校正系统 107

2.8.2 高分辨率自适应光学望远镜 107

2.8.3 人眼视网膜成像自适应光学系统 109

2.8.4 其他应用 111

2.9 小结 111

习题与思考题 113

第3章 光纤传感器 114

3.1 概述 114

3.1.1 光纤传感器的定义及分类 114

3.1.2 光纤传感器的特点 114

3.2 振幅调制传感型光纤传感器与补偿技术 115

3.2.1 光纤微弯传感器 115

3.2.2 光纤受抑全内反射传感器 117

3.2.3 光纤辐射传感器 117

3.2.4 振幅调制型光纤传感器的补偿技术 118

3.3 相位调制传感型光纤传感器与信号解调技术 122

3.3.1 马赫-曾德尔光纤干涉仪和迈克耳逊光纤干涉仪 123

3.3.2 Sagnac光纤干涉仪 124

3.3.3 光纤法布里-珀罗干涉仪 130

3.3.4 光纤环形腔干涉仪 135

3.3.5 白光干涉型光纤传感器 137

3.3.6 外界压力、温度对光纤干涉仪的影响 144

3.3.7 干涉型光纤传感器的信号解调技术 148

3.3.8 相位生成载波（PGC）解调方案 152

3.3.9 光纤干涉仪的传感应用 153

3.4 偏振态调制型光纤传感器 154

3.4.1 光纤电流传感器 154

3.4.2 双折射对光纤传感的影响 157

3.4.3 对光纤电流传感器探头的进一步分析 158

3.4.4 光纤偏振干涉仪 161

3.5 波长调制型光纤传感器 162

3.5.1 引言 162

3.5.2 光纤光栅的分类 162

3.5.3 光纤布拉格光栅应变传感模型分析 165

3.5.4 光纤布拉格光栅温度传感模型分析 169

3.5.5 光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用 171

3.5.6 长周期光纤光栅在传感领域的应用 174

3.5.7 光纤光栅折射率传感技术 175

3.5.8 LPG M-Z干涉仪折射率传感器 180

3.6 光纤荧光温度传感器 182

3.6.1 光纤荧光温度传感原理 182

3.6.2 荧光寿命测温 183

3.6.3 荧光强度比测温 184

3.6.4 荧光传感材料 185

3.6.5 荧光测温系统 187

3.6.6 荧光测温系统在工业界的应用 188

3.7 分布式光纤传感器 190

3.7.1 概述 190

3.7.2 散射型分布式光纤传感器 192

3.7.3 偏振型分布式光纤传感器 196

3.7.4 相位型分布式光纤传感器 196

3.7.5 微弯型分布式光纤传感器 197

3.7.6 荧光型分布式光纤传感器 197

3.7.7 其他类型的分布式光纤传感器 199

3.7.8 应用 201

3.8 聚合物光纤传感器 201

3.8.1 概述 201

3.8.2 多模聚合物光纤传感器及其应用 203

3.8.3 聚合物光纤光栅传感器 210

3.9 光子晶体光纤及其在传感中的应用 211

3.9.1 概述 211

3.9.2 光子晶体光纤在传感中的应用 212

3.9.3 高双折射光子晶体光纤 215

3.9.4 双模光子晶体光纤传感器 215

3.9.5 掺杂的微结构聚合物光纤传感器 217

3.9.6 其他传感应用 218

3.10 微小型光纤传感器 218

3.10.1 概述 218

3.10.2 微光纤传感器 218

3.10.3 微纳米光纤传感器 223

3.11 传光型光纤传感器 224

3.11.1 振幅调制传光型光纤传感器 224

3.11.2 相位调制传光型光纤传感器 226

3.11.3 偏振态调制传光型光纤传感器 227

3.12 光纤传感网络 228

3.12.1 可用于构成光纤传感网的传感器 229

3.12.2 成网技术 229

3.13 光纤传感技术的发展趋势及课题 233

3.14 小结 233

习题与思考题 234

第4章 激光全息检测技术 236

4.1 概述 236

4.2 全息原理 238

4.2.1 基元全息图 238

4.2.2 基本公式 239

4.3 物像关系 240

4.3.1 基元全息图条纹的分布 241

4.3.2 点光源照明的波前再现 243

4.4 全息干涉计量 244

4.4.1 概述 244

4.4.2 二次曝光法 246

4.4.3 单次曝光法 252

4.4.4 时间平均法 253

4.5 全息干涉条纹的实验数据处理 254

4.5.1 全息干涉条纹的定位与解释 254

4.5.2 折射率二维分布位相物体的数学反演 257

4.5.3 折射率轴向对称分布位相物体的数学反演 257

4.5.4 折射率三维分布位相物体的数学反演 258

4.6 激光散斑检测技术 260

4.6.1 概述 260

4.6.2 激光散斑的原理和特点 260

4.6.3 激光散斑技术 262

4.6.4 散斑干涉技术的应用 264

4.7 小结 267

习题与思考题 267

第5章 光层析传感器 268

5.1 概述 268

5.2 计算机层析成像的图像重建原理 270

5.2.1 变换方法 270

5.2.2 迭代重建法 272

5.2.3 二维傅里叶图像重建法 273

5.2.4 滤波反投影图像重建法 274

5.2.5 系列展开法 276

5.2.6 统计方法 276

5.2.7 有限元法 279

5.2.8 人工神经网络法 279

5.2.9 小波多分辨分析法 280

5.2.10 各种算法总结及讨论 282

5.3 医用射线CT成像技术 284

5.3.1 医用X-CT成像技术 284

5.3.2 核辐射CT成像技术 285

5.4 工业CT成像技术 288

5.4.1 工业CT成像的原理 288

5.4.2 工业CT成像系统的组成 289

5.4.3 工业CT成像系统的主要性能 289

5.4.4 工业CT成像的应用 290

5.5 中子成像技术 290

5.6 光学层析成像 291

5.6.1 概述 291

5.6.2 光在介质中的传输特性 292

5.6.3 光学CT发展现状 293

5.6.4 光相干成像技术（OCT） 295

5.6.5 光弥散层析成像技术（DOT） 298

5.6.6 光过程层析成像（OPT） 298

5.7 小结 303

习题与思考题 304

第6章 光电微型传感器 305

6.1 微光系统简介 305

6.1.1 概述 305

6.1.2 微制造技术与微传感器的进展 306

6.1.3 光电微型传感器的应用领域与市场 308

6.2 微型光学元件 309

6.2.1 折射和衍射微光学器件 309

6.2.2 二元和多阶光学器件 311

6.2.3 亚波长光学元件 312

6.2.4 微光器件阵列 313

6.2.5 微光波导器件 313

6.2.6 微光通信器件 314

6.2.7 器件集成 318

6.3 微光机电系统的设计理论、制造与封装技术 319

6.3.1 微光机电系统（MOEMS） 319

6.3.2 微（光机电）系统设计理论 321

6.3.3 微光学加工技术 322

6.3.4 微型系统的封装 326

6.4 典型的光电微型传感器 332

6.4.1 概述 332

6.4.2 基于光电探测器的光电微小型传感器 333

6.4.3 基于微位移的光电微小型传感器 334

6.4.4 基于光波导的光电微小型传感器 335

6.4.5 基于光波导的微小型光纤传感器 340

6.4.6 生物传感器 342

6.5 微系统设计流程与举例 344

6.5.1 设计关注的主要问题 344

6.5.2 微光机电系统的设计举例 347

6.5.3 计算机辅助设计CAD 349

6.5.4 设计举例 349

6.6 小结 351

习题与思考题 352

第7章 纳米光子学传感器 353

7.1 纳米光子学与系统 353

7.1.1 纳米光子学 353

7.1.2 纳米尺度的基本效应 353

7.1.3 纳米器件、系统与纳米技术 355

7.2 纳米制造技术 358

7.2.1 概述 358

7.2.2 物理蒸汽合成 358

7.2.3 分子束取向附生和有机金属蒸汽取向附生 358

7.2.4 多光子聚合与三维光刻 359

7.2.5 纳米压印技术 359

7.2.6 电子束刻蚀 360

7.2.7 高温拉伸法 361

7.3 纳米光子学元器件 362

7.3.1 纳米探针 362

7.3.2 近场光学装置 362

7.3.3 微环谐振器 364

7.3.4 金属纳米颗粒阵列 366

7.3.5 硅基纳米光器件 368

7.4 典型纳米光子传感器 371

7.4.1 概述 371

7.4.2 基于金属纳米颗粒结构的SPR传感器 371

7.4.3 光子晶体纳米传感器 375

7.4.4 近场光学传感器SNOM 376

7.4.5 基于分子自组装技术的SPR传感器 378

7.4.6 基于微环谐振器的纳米光传感器 379

7.4.7 纳米光纤传感器 380

7.5 纳米机电与光系统的设计与建模概要 383

7.5.1 NEMS系统的设计 383

7.5.2 纳米级机电系统、装置与结构的建模 385

7.6 纳米光系统设计举例——基于Si纳米线的AWG滤波器设计 389

7.7 小结 393

习题与思考题 394

参考文献 395