如何从强光中检测微弱信号
    运算放大器具有差分放大功能，理论上讲提取强信号中的微弱变化信号很容易。但是实际上，有一些麻烦。实验用的激光束来自于激光器，激光器产生的激光经过某种影响后的光束，比如干涉后的分光束，其中有微弱的需要检测的信号。但是简单的差分放大，同时会把激光功率漂移量放大。激光器的控制电路有功率稳定系统，但是功率稳定系统不是理想的稳定。好的激光器每小时功率变化稳定在 2% 以内。不如意的事情是这个变化有时候远大于你要检测的信号量。激光器功率漂移，有时候也称为激光器的低频噪声，或者简单的也称为噪声。第一次听到激光噪声这个专业名词，很多人会有陌生感。但是激光高频噪声和低频漂移的确存在，而且无法回避。那么如何处理激光噪声呢？
    有一种办法是通过从激光器那里分光用双光电管检测，其中一路激光和光电二极管产生的光电流只为做比较基准使用。如果是干涉仪，可以通过较亮的那个光束遮光或者分光做出一个比较光束。但是双光电管检测带来一个缺点和一个问题，光导模式下有光电管漏电流影响，如果采用光伏模式，又如何设计电路？

    双光电管放大电路
    双光电管放大电路，网上介绍很少。后来在国外厂家提供的资料上，有一种简单的办法。另一个光电管掉个头，与原有光电管并联接入单光电管电路就行了。共模信号在两个光电管内部循环，差模电流信号输出放大。双光电管依然可以采用单光电管的电路，简单方便得让人怀疑其是否真的能够用于细微的平衡检测。

    曾经看到过关于光电二极管的一种电压电流曲线图，后来就找不到。根据那个曲线图，短路电流附近，外路电压变化 1.V ，电流变化 50% 。由此推测，光电二极管外路电压变化 0.05 mV ，影响外路电流变化 1/20000 。如果运算放大器输入端电压漂移 0.05 mV ，那么这种简单双光电管电路的平衡分辨力也就是 1/10000 。不能满足更精细平衡监测的要求。
    后来逐渐从光电二极管的等效电路图感悟光电二极管的性质。很多专业文章把光电二极管看成是并联了电容和电阻的电流源。根据等效电路来理解，在未饱和光照下，两个光电二极管首尾相接当作一个组合元件使用，可以实现光平衡精密检测。

    通过双光电管电路确实能够很好地分离出信号，但是这个信号还有光源起伏的影响，电路中需要串联电流表以掌握光源波动，这样测量结果中可以考虑光源起伏的因素，或者通过电路设计尽量消除。

    光电二极管的噪音
    前面讨论了光源的噪声，其实噪声不仅仅是光源，光电二极管也有噪声，所有的光电转换都有噪声。噪声究其本质来说，是微观粒子运动在宏观时空上表现出的不均匀。理想恒定的光强，光电转换以后，也会有波动起伏，也就是光电转换噪声。这个噪声有理论模型，对于光电二极管光伏工作模式，噪声电流均方根数值可以用下面的算式计算，

        i = sqrt [ 2Be( Id + Ib + Is ) + 4KTB/R  ]

其中 K = 1.38e-23 ，单位 J/K 。B 是频带宽度，测量通常经过低通滤波，高频噪声会被消除，如果只考虑 1 Hz 以下的噪声，那么 B = 1 。T 是温度，R 是电阻，e 是电子电荷量 1.6e-19 。Id 是漏电流，Ib 是背景电流，Is 是信号电流。通常，漏电流和信号电流都很小，电流主要是背景电流，噪声电流也主要由背景电流产生。
    初看算式，可能会有一种错觉，光电管工作电流越大，噪声电流也越大，为了减少噪声，应该减少工作电流。其实，重要的不是噪声大小，而是信噪比。通常为了提高信噪比，应该加大背景电流和信号电流。当然，如果能够增大信号电流而不增大背景电流，那是更好的选择。

    光学知识
    光其实是一种波动，并不是按直线路径前进的东西，衍射现象无处不在。现在的卡片数码相机电子分辨率高于光学分辨率，很多衍射花纹都拍下来，这种高分辨率实际上是虚的。由于衍射，激光光束会发散，并不是透镜焦距没有调整好。细的光束发散很严重，玩具激光枪 10 m 外的光斑通常有皮球那么大。光束的准直距离大约是光束直径毫米数的平方。10 mm 直径的光束，准直距离大约是 100 m 。细光束可以由凹透镜扩散，然后由凸透镜准直。这样可以获得更大直径的光束。红外线雷达测距仪，就有这样的扩束透镜组。100  mm 直径的光束，准直距离大约是 10  km 。所以我们看一些激光武器的光束直径，有一个人那么粗，就是这个道理。
    波峰或者波谷构成的面，叫做波阵面。波的传播方向好像总是垂直于波阵面。如果一部分波阵面由于某种原因落伍了，光的传播方向会改变甚至变得杂乱。折射就是波阵面迟缓不一致导致了光波传播方向的改变。相控阵雷达使用的就是这个道理。天线阵相位的不一致可以发射偏斜方向的雷达波。天线阵相位差分布有规律的变化，可以实现雷达波扫描。所以，转动天线型雷达现在越来越少了。
    激光在光纤中传播，其实很像水渠中的水波。两根光纤紧密接触，会产生光路耦合。部分光会串线，从一根光纤跑到另一根光纤。所以有些光纤陀螺没有分光镜。

    光学技术 反射镜
    一上手就出现低级错误，不需要镀银的反射面要求镀银。玻璃中通过斜边让光线转一个直角，由于能够全反射不需要镀银。物理知识，到了实际问题不会联系，这很正常。能够将物理知识与实际问题联系，进一步能够设计出很好的仪器，需要训练。望远镜中的反射棱镜，我看过，就是想不到与全反射联系，于是总有一个问题，好像没有镀银，是不是厂家偷懒了。
    反射镜也不简单。如果你要求反射率 100% ，厂家总说做不到，希望你给出一个合适的反射率。通常的反射镜反射率只有 0.88 ，叫低镀，所谓高镀，反射率也只有 0.93 。几次反射，可能会有一半的光损失。但是即便这样不满意的反射镜，你也不容易得到。你要做 0.93 的反射膜，对不起，定做可以，但要多出费用。作为更好的选择，可以向专门做反射镜的厂家订购通用的反射镜，最高反射率 0.998 ，其次是 0.99 、0.97、0.94 。0.998 主要用在激光器的谐振腔镜面，价格肯定贵，不过通常也不需要那么高的反射率。
    利用全反射这种反射方式，反射率是比较高的。但是经过的平面多，平面不理想导致图像质量较差。所以低档的望远镜采用全反射棱镜。为了减少光学平面影响图像质量，好的反射镜是前反射面反射镜。银膜前面再镀多层增反膜，反射率可以达到 0.998 。

欣赏羊先生的求实精神；不过，如果把实验与理论相结合，是不是更容易出成果？羊先生提到理论问题的探讨不容易得出结果，这表面上看是理论探讨的不足，但是其实也是理论探讨的长处，因为理论就是要探讨种种可能性，如果没有不同意见、不同想法、不同思路，那么这种探讨也就达不到所要的目的；而实验是为了检验理论，如果没有不同的替代理论可供选择，那实验岂不是很容易走上单一、僵化的道路乃至向死胡同？所以，关键在于讨论者的心胸与智慧，知错改错，博取众长，将使自己获益，也使他人获益；更何况，有了理论尤其是正确理论作指导的实验无疑会使实验者的投入事半功倍。

所以，希望大家多一份求实与实验的精神，也多一分大胆设想、小心求证的态度。

与羊先生共勉！

~无忧仙人