许多测量要处理的是一个很弱的直流光信号：光一直照着，探测器给出一个稳定的读数。这种接法简单，但有个麻烦——读数的缓慢漂移与低频噪声，和信号本身处在同一个频段，分不开。常见的解决办法是人为把光切断：让它交替地通与断，信号就从直流变成了交流，被挪到另一个频率上去。这一步叫调制，做这件事的器件叫斩波器。一、把直流信号变成交流，是为了躲开什么噪声随频率的分布并不均匀：低频段噪声随频率降低而升高，中高频段则基本平坦。直流信号恰好落在噪声最大的那一头，而光源强度漂移、电路零点漂移也都是缓...

把东西放大并不难，难的是放大之后还能看清细节。这两个目标并不总是一致——把一张模糊的照片拉大，只会得到一张更大的模糊照片。显微镜的设计，很大程度上就是在与这个矛盾打交道。它的成像分两步：物镜先把样品的细微结构分辨出来，形成一个中间像，再由目镜或相机把这个像放大。决定「能看多细」的是前一步，决定「看起来多大」的是后一步，两者的关键指标并不相同。一、放大倍数大，不等于看得更清设想样品上有两个靠得很近的点。如果物镜分辨能力不足，这两个点在中间像上就已经糊成了一个斑，后面无论怎么放大...

测电场最常见的办法是插一根金属探头进去，把感应到的电压引出来读数。这在低频、场形简单的场合很好用。但在高频、近场、或者空间很小的场合，探头一放进去，被测的场就变了——测到的已经不是原来那个场。电光测量提供的是另一条路：把一片晶体放进被测区域，让一束光穿过去，用光把场的信息带出来。整条通路里没有金属，被测场因此几乎不受影响。一、金属探头的问题：测的过程本身会改变被测对象金属是导体。把它放进电场，电荷会在表面重新分布，原本均匀的场线会被吸引、集中、扭曲。探头尺寸与波长可比时，这种...

前面讲探测器时，关注点主要在灵敏度——光有多弱还能测得出来。但还有另一条同样重要的线索：信号变化有多快还能跟得上。同样一只探测器，面对缓慢变化的光强游刃有余，面对每秒变化几百亿次的码流可能就完-全跟不上。衡量这个能力的指标是带宽。它决定了探测器能把多密的码元区分开，也决定了整套链路的速率上限。一、带宽决定了能分辨多密的码元探测器接到一串快速的光脉冲，如果响应足够快，输出的电脉冲就是一个个分明的方波；如果响应跟不上，边沿会被拉长变钝，前后码元相互重叠，最后连成一片，接收端就分不...

太赫兹波指的是频率在0.1到10太赫兹之间的一段电磁波，夹在微波与红外之间。它既不像微波那样能用电子器件直接振荡产生，也不像可见光那样有现成的激光器，因此长期是电磁波谱上开发得最晚的一段。转折出现在超快激光成熟之后：用飞秒激光脉冲去驱动特定的材料，可以把光脉冲直接转换成太赫兹脉冲。今天主流的太赫兹时域光谱系统，核心就是一台飞秒激光器加一对发射与探测器件。一、太赫兹在电磁波谱上的位置从频率上排，它位于毫米波与红外之间：波长大约三十微米到三毫米。这一段之所以长期难以利用，是因为从...

光纤光栅（FBG）是一段写在光纤纤芯里的「波长选择器」：宽带光通过它时，绝大多数波长直接穿过，只有满足特定条件的那一个窄带被反射回来。这个被挑中的波长称为布拉格波长。它的特别之处在于直接做在光纤内部——不需要额外的分立元件，与光纤同材质、同尺寸，因此可以沿一根光纤串起许多个，构成准分布式的传感阵列。上一篇文章里提到的分布式传感靠的是光纤自身的散射，而光纤光栅走的是另一条路：人为在光纤里写入一个周期结构。一、光纤光栅是什么从结构上看，光纤光栅是纤芯折射率沿轴向呈周期性变化的一段...

一根数十公里长的通信光缆，除了传数据，还能当温度计、应变计和振动传感器用。这件事听起来反常，其实道理很朴素：光在光纤里传播时，沿途每一点都会产生微弱的背向散射，而这些散射光的强度、频率或相位，会被当地的温度、应变、振动所改变。只要把返回的散射光按时间分开，就能知道「哪一段发生了什么」。这就是分布式光纤传感的基本思路。光纤既是传输介质，也是敏感元件——沿线不需要任何供电，只有玻璃本身。一、从单点测量到沿线测量传统的温度与应变测量用点式探头：一个探头一条引线，测多少个点就要铺多少...

激光器有个常见的麻烦：它发出的光，会被光路下游的某个界面反射回来。这一点点回程光进入激光腔，轻则让输出功率抖动、波长漂移，重则造成跳模甚至损伤器件。要防这件事，最直觉的想法是在光路里放个衰减片把回程光吸收掉。但衰减片不分方向，正向光同样被削弱。真正需要的是一种只拦反向、几乎不碰正向的器件，也就是光学隔离器。它的特别之处在于：并不是靠吸收或反射把光挡住，而是利用一种非互易的效应，让光在反向传播时走不到出口。一、回程光从哪来，会惹出什么事任何两个折射率不同的界面都会反射。玻璃与空...