当代光学计量测试技术概论PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1计量学的内涵 1

1.2计量学的特点 2

1.2.1计量学的基本特点 2

1.2.2国防计量的特点 3

1.3计量基准和标准的基本概念 3

1.4传统计量量值传递存在的不足 4

1.5量子计量基准 5

1.5.1量子计量基准的基本概念 5

1.5.2 21世纪的量子计量基准 6

1.6光学计量测试的研究范畴 9

1.7光学计量测试的发展趋势 10

1.8光度学和光辐射计量基准的发展和演变 11

1.8.1光度学基准的发展与演变 11

1.8.2光辐射基准的发展与演变 12

1.9常规计量与非常规量限计量 15

1.10非常规量限光学计量的需求 16

1.11非常规量限光学计量的内容 17

1.12误差与测量不确定度 17

1.12.1测量误差 17

1.12.2测量不确定度 18

参考文献 20

第2章 光学量子计量基础 22

2.1量子光学基本概念 22

2.2光子的基本性质 22

2.3光子的简并度 23

2.4激光技术基础知识 24

2.4.1受激辐射与量子跃迁 24

2.4.2激光器的组成 25

2.4.3激光的基本特性 28

2.4.4常用激光器件 29

2.5激光与计量基准 32

2.5.1激光与长度单位米的新定义 32

2.5.2激光与时间单位——秒 33

2.5.3激光与质量自然基准 33

2.5.4激光与基本物理常数的测量 33

2.5.5激光在未来计量科学中的应用 33

2.6光子有关名词术语 34

参考文献 36

第3章 双光子相关计量技术 37

3.1双光子相关技术概述 37

3.2自发参量下转换 37

3.2.1非线性光学现象 37

3.2.2非线性光学材料 38

3.2.3光学非线性波长变换技术 40

3.3自发参量下转换双光子在计量学中的应用 43

3.3.1用自发参量下转换双光子测量探测器量子效率 44

3.3.2双光子相关测量探测器量子效率的影响因素分析 45

3.3.3用自发参量下转换双光子测量红外光源辐射功率 47

3.3.4用相干可见光子绝对测量红外辐射量的理论推导 47

参考文献 49

第4章 单光子探测技术 50

4.1光电探测技术基础 50

4.1.1光电效应 50

4.1.2光电效应与光电探测器 51

4.2单光子探测器 51

4.2.1单光子探测器的原理及种类 51

4.2.2光电倍增管单光子探测器 52

4.2.3雪崩光电二极管单光子探测器 56

4.2.4真空雪崩光电二极管单光子探测器 59

4.2.5增强光电二极管单光子探测器 60

4.2.6频率上转换单光子探测器 60

4.3超导单光子探测技术 61

4.3.1超导临界相变单光子探测技术 61

4.3.2利用超导临界电流密度实现的单光子探测技术 64

4.4光子数分辨探测技术 66

4.4.1光子数分辨探测原理与分类 66

4.4.2越界超导传感光子数分辨技术 68

4.4.3利用电荷积分探测器进行光子数分辨 69

4.4.4利用雪崩光电二极管单光子探测技术进行光子数分辨 69

4.5单光子源 71

4.5.1单光子源及其应用 71

4.5.2单光子发射 71

4.5.3发光二极管衰减单光子源 71

4.5.4激光二极管单光子源 72

4.5.5量子点单光子源 73

4.5.6下参量单光子源 73

4.6单光子探测器主要参数的校准与检测 74

4.6.1单光子探测器主要技术指标 74

4.6.2单光子探测器的绝对量子标定 75

4.6.3单光子探测器计数性能检测 80

4.6.4单光子探测器暗计数的检测 80

4.6.5单光子探测器光谱响应度测量 81

4.6.6单光子探测器的线性度测量 82

参考文献 83

第5章 光子计数技术 85

5.1概述 85

5.2光子计数系统 86

5.2.1光子计数的工作原理 86

5.2.2基本光子计数系统 87

5.2.3补偿源光子计数系统 87

5.2.4背景补偿光子计数系统 88

5.3利用光子计数技术的弱光度测量 88

5.3.1光通量与光子速率 89

5.3.2光通量与光电子速率 90

5.3.3光电子速率和微照度的测量 90

5.3.4光子计数微弱光自动测量系统 91

5.3.5建立在光子计数基础上的弱光度标准 93

5.4光子计数系统的标定 94

5.4.1用光照度平方反比定律法校准线性度 94

5.4.2使用发光二极管校准线性度 94

5.4.3光子计数器的辐射定标 95

5.5时间相关单光子计数 95

5.5.1时间相关单光子计数原理 95

5.5.2时间相关单光子计数系统组成 96

5.6时间分辨光子计数 97

5.7光子计数技术应用实例 99

5.7.1三代微光信噪比校准用弱光光源照度校准 99

5.7.2光子计数技术在微脉冲激光测距中的应用 100

5.7.3光子计数技术在激光脉冲探测中的应用 103

5.7.4皮秒时间相关单光子计数光谱仪 104

参考文献 106

第6章 单光子成像计量测试技术 108

6.1光电成像技术基础 108

6.1.1光电成像原理 108

6.1.2光电成像系统中的核心部件 110

6.2单光子计数成像原理 113

6.2.1间接型探测系统 114

6.2.2直接型探测系统 119

6.3单光子成像技术的特点及性能表征 121

6.3.1单光子成像技术的特点 121

6.3.2单光子计数成像的性能表征 121

6.4光电成像核心部件性能测试 124

6.4.1光阴极性能测试 124

6.4.2微通道板性能测试 127

6.4.3光纤面板性能测试 129

6.5光子计数成像系统性能测试 131

6.5.1光子计数像管等效背景照度测试 131

6.5.2光子计数像管光子增益测试 133

6.5.3光子计数像管暗计数测试 134

6.5.4光子计数像管输出信噪比的测量 134

6.5.5光子计数像管调制传递函数的测量 136

6.5.6光子计数像管分辨力的测量 137

6.5.7楔条形阳极光子计数探测器成像性能的检测 138

6.6单光子成像系统的标定 140

6.6.1可见光系统的标定 140

6.6.2紫外系统的标定 141

参考文献 142

第7章 长度的量子计量 144

7.1米和米的最新定义 144

7.2贯彻执行米的新定义 145

7.3实现米定义的稳频激光器 146

7.3.1稳频激光和参考谱线 146

7.3.2激光稳频技术 147

7.3.3抑制谱线加宽和稳频激光器 151

7.4稳频激光器的频率测量 152

7.4.1基于谐波光频链的激光频率的绝对测量方法 153

7.4.2基于光频间隔内分频率链的光频绝对测量方法 154

7.4.3基于光学频率梳的光频直接绝对测量方法 155

7.5激光波长的精确测量 161

7.5.1迈克尔逊干涉型波长测量 161

7.5.2利用斐索干涉测量激光波长 162

7.5.3利用法布里一珀罗干涉仪测量激光波长 164

7.5.4基于虚合成波长原理的激光频率（波长）测量方法 165

参考文献 166

第8章 时间频率的量子计量 167

8.1秒定义的演变 167

8.2传统原子钟 167

8.2.1原子钟概述 167

8.2.2铯、铷、氢原子钟 169

8.3新型原子钟 171

8.3.1相干布居囚禁原子钟 171

8.3.2冷原子喷泉钟 174

8.3.3光钟 176

8.4原子钟的应用 178

参考文献 179

第9章 纳米计量测试技术 181

9.1纳米技术和纳米计量测试技术概述 181

9.1.1纳米技术 181

9.1.2典型纳米产品 182

9.1.3纳米材料 184

9.1.4纳米计量测试技术 188

9.1.5纳米计量的特征参数 189

9.2纳米计量标准 191

9.2.1建立在原子力显微镜基础上的标准装置 191

9.2.2纳米计量中的传递标准 194

9.3纳米计量标准的国际比对 196

9.3.1 NAN02——阶高标准比对 197

9.3.2 NAN04——节距（一维栅）标样比对 200

9.4扫描探针纳米测量技术 201

9.4.1扫描隧道显微镜 202

9.4.2原子力显微镜 205

9.4.3基于扫描探针技术的其他方法 209

9.5光学纳米测量技术 213

9.5.1光触针式微观轮廓测量 213

9.5.2光学近场扫描显微镜 216

9.5.3纳米光探针扫描外差干涉仪 222

9.5.4用于纳米测量的其他激光干涉技术 224

9.5.5基于F-P标准具的测微技术 227

9.5.6 X射线干涉技术 229

参考文献 229

第10章 真空紫外和极紫外计量测试 232

10.1紫外技术和紫外计量测试概述 232

10.1.1紫外技术的民用 232

10.1.2紫外技术在军事和空间探测中的应用 233

10.1.3紫外计量测试 233

10.2典型真空紫外和极紫外光学系统 233

10.2.1月基对地观测极紫外相机 233

10.2.2极紫外望远镜 234

10.2.3紫外极光成像仪 235

10.2.4真空紫外成像光谱仪 236

10.2.5极紫外投影光刻掩模技术 237

10.3真空紫外和极紫外辐射源 237

10.3.1同步辐射源 237

10.3.2氘灯 239

10.3.3壁稳氩弧光源 240

10.3.4其他真空紫外光源 241

10.4真空紫外和极紫外探测器 243

10.4.1紫外能量探测器 243

10.4.2紫外成像探测器 244

10.5真空紫外和极紫外光学材料 245

10.5.1紫外级融石英 245

10.5.2氟化镁单晶 245

10.5.3氟化钙单晶 246

10.5.4氟化锂单晶 246

10.6以同步辐射源为基础的紫外辐射标准 247

10.6.1建立在同步辐射源基础上的紫外辐射最高计量标准 247

10.6.2以氘灯为传递标准的真空紫外辐射标准 249

10.7真空紫外和极紫外光学系统性能测试 251

10.7.1极紫外太阳望远镜成像质量检测 251

10.7.2 EUV波段CCD相机空间分辨力测试 252

10.7.3极紫外单色仪校准 252

10.7.4极紫外反射镜的反射率测量 259

10.8真空紫外探测器校准装置 266

10.8.1紫外探测器定标的一般形式 266

10.8.2真空紫外探测器定标装置 267

10.8.3定标基准 267

10.8.4定标原理 269

10.9极紫外光电成像系统性能测试 270

10.9.1极紫外光电成像系统 270

10.9.2极紫外光电成像系统分辨力实验研究 271

10.10紫外光学材料折射率测量 272

10.10.1测量原理 272

10.10.2测量装置的构成 273

10.10.3测量装置的校准 274

参考文献 275

第11章 高能激光计量测试技术 278

11.1高能激光技术概述 278

11.2连续大功率激光功率能量测量 279

11.2.1流水式测量方法 279

11.2.2激光大功率基准 279

11.3高能激光功率与能量测量技术 280

11.3.1烧蚀法 280

11.3.2相对式测量法 280

11.3.3绝对式测量法 282

11.3.4绝对式测量法中影响因素分析 283

11.3.5水冷式光电等效性高能激光能量测量 293

11.3.6高能激光能量计校准 293

11.4高能激光空域特性测量技术 294

11.4.1激光光束质量评价参数 294

11.4.2连续稳定激光光束质量测量 296

11.4.3高能激光器光束质量的评价参数和评价方法 297

11.4.4高能激光器光束质量的测量 298

11.4.5高能激光系统光束质量的评价方法 301

11.4.6空心探针法大功率激光光束参数的测量 303

11.4.7环形光刀取样式高能激光光强分布测量 304

11.4.8采用红外热像仪的靶板照射法 306

11.5高能激光损伤阈值测试 309

11.5.1损伤阈值的定义与损伤机理 309

11.5.2激光辐照损伤的判别 311

11.5.3损伤阈值测试方法 312

参考文献 315

第12章 超短脉冲激光时间特性测量 318

12.1超短激光脉冲技术概述 318

12.1.1激光超短脉冲技术研究历史 318

12.1.2超短脉冲激光技术的应用 319

12.1.3超短脉冲激光器 321

12.2脉冲激光的时间特性参数 322

12.3纳秒、皮秒脉冲测量技术 322

12.3.1脉冲宽度、上升时间直接测量法 323

12.3.2光电采样法峰值功率测量 324

12.3.3快速脉冲取样高速光脉冲测量 324

12.3.4采用条纹相机的直接测量法 326

12.3.5双光子荧光法（TPF） 328

12.3.6自相关法 329

12.4飞秒脉冲测量技术 334

12.4.1频率分辨光学开关法 335

12.4.2自参考光谱相位相干电场重构法 341

12.4.3 FROG与SPIDER的比较 344

12.4.4双光子自相关测量系统 344

12.4.5用光二极管双光子跃迁测量飞秒激光脉冲宽度 345

12.4.6自衍射原理测量飞秒激光脉冲宽度 346

12.4.7飞秒激光脉冲的时域与空域测量 348

12.5阿秒激光脉冲测量技术 350

12.5.1阿秒脉冲的产生 350

12.5.2早期的阿秒脉冲测量 352

12.5.3激光辅助的原子极紫外光电离 353

12.5.4基于激光辅助电离的互相关测量方法 353

12.6超短激光脉冲测量的标定 358

12.6.1皮秒量级激光脉冲测量的标定方法 358

12.6.2飞秒量级激光脉冲测量的标定方法 364

参考文献 366

第13章 大型光学元件和系统参数计量测试 369

13.1大型、超大型光学元件和光学系统 369

13.2子孔径拼接测试技术 370

13.2.1子孔径拼接原理及方法 370

13.2.2子孔径拼接的分类 371

13.2.3数学优化处理方法 374

13.2.4用环形子孔径扫描法测量大口径非球面 375

13.2.5子孔径拼接数目的确定 375

13.2.6子孔径拼接模式的选择 378

13.2.7子孔径拼接检测技术的应用前景 378

13.3数字刀口检测技术 379

13.4五角棱镜在大口径光学系统检测中的应用 380

13.4.1五角棱镜工作原理 380

13.4.2五角棱镜扫描法测量平面镜 380

13.4.3大口径望远镜检测的基本原理 380

13.5大型光学系统径向哈特曼像质检测方法 381

13.5.1 S-H传感器技术 381

13.5.2径向哈特曼像质检测 382

13.6大口径长焦距镜面和透镜的焦距测量技术 384

13.6.1自准直法测量原理及其装置 384

13.6.2应用Talbot效应和莫尔技术测量长焦距 385

13.6.3利用平行光管和带伸缩筒的前置镜的测量方法 388

13.7大曲率半径测量 389

13.7.1利用长程轮廓仪测量曲率半径 389

13.7.2利用牛顿环法测量大曲率半径 391

13.7.3附加长焦距平行光管物镜法 395

13.7.4自准直法测量大曲率半径 396

13.7.5刀口阴影法测量球面曲率半径 397

参考文献 397

第14章 微型光学元件性能测试 399

14.1微型光学与微型光学元件概述 399

14.1.1梯度折射率光学 400

14.1.2二元光学 401

14.1.3微光学阵列 401

14.2自聚焦透镜参数测试 402

14.2.1自聚焦透镜折射率分布测量 402

14.2.2自聚焦透镜数值孔径测量 405

14.2.3自聚焦透镜焦距测量 406

14.2.4自聚焦透镜聚焦光斑测量 407

14.3衍射光学元件参数测试 408

14.3.1衍射光学元件衍射效率测量 408

14.3.2衍射微透镜阵列衍射效率测试 411

14.3.3衍射光学元件线扩散函数测试 412

14.3.4衍射光学元件表面形貌测量 413

14.4二元光学元件的参数测试 415

14.4.1表面微观轮廓检测 415

14.4.2衍射效率测试 418

14.4.3宏观成像质量的检测 420

14.5折射型微透镜阵列参数测试 422

14.5.1微透镜阵列焦距测量 422

14.5.2微透镜阵列焦距均匀性测量 423

14.5.3微透镜阵列填充因子测量 423

14.5.4微透镜阵列焦斑质量测量 424

参考文献 424

第15章 高反射光学薄膜高反射比测量 426

15.1高反射光学薄膜概述 426

15.2差动法高反射比测量 426

15.2.1测量原理和方法 426

15.2.2测量要求 427

15.2.3测量程序 427

15.2.4差动法适用范围和优缺点 427

15.3光腔衰荡法高反射比测量 428

15.3.1脉冲光腔衰荡法 428

15.3.2连续激光光腔衰荡法 429

15.3.3相移光腔衰荡法 430

15.3.4自混合光腔衰荡法 431

15.3.5光腔衰荡法的特点 432

15.3.6光腔衰荡法适用范围和优缺点 433

15.4单次反射法高反射比测量 433

15.5二次反射法高反射比测量 434

15.6多次反射法高反射比测量 434

15.7激光器猝灭张角法高反射比测量 435

15.8激光稳功率测量法高反射比测量 437

15.8.1测量原理 437

15.8.2方法特点 437

15.8.3高精度激光稳功率系统 438

15.8.4测量不确定度分析 438

15.9几种测量方法比较 439

参考文献 439

第16章 大尺寸光学材料参数计量测试技术 441

16.1光学材料光学均匀性测量 441

16.1.1光学材料光学均匀性 441

16.1.2大尺寸光学玻璃均匀性测量方法 441

16.2光学材料应力双折射测量 445

16.2.1光学材料的应力双折射 445

16.2.2大尺寸光学玻璃应力双折射测量方法 446

16.3大尺寸光学材料应力均匀性测试 449

参考文献 450