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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