光電信息技術(shù)專業(yè)導(dǎo)論

第六講

光學(xué)和光信息科學(xué)光的干涉干涉景象

雙孔干涉實(shí)驗(yàn)xk=+1k=-2k=+2k=0k=-1S1S2S***I楊氏雙孔干涉相關(guān)條件相關(guān)條件要求：1.兩成員波的頻率〔因此波長(zhǎng)〕一樣；2.兩成員波的初位相之差桓定；3.兩成員波的振動(dòng)方向一樣。----光程相差等于半個(gè)波長(zhǎng)，亮條紋變暗條紋!----可見(jiàn)光波長(zhǎng)數(shù)量級(jí):10–7m運(yùn)用用邁克耳孫干涉儀丈量長(zhǎng)度〔誤差不超越±/2〕邁克耳孫干涉儀用邁克耳孫干涉儀察看到的燭焰附近的對(duì)流氣體應(yīng)該出現(xiàn)暗紋的位置實(shí)踐的暗紋位置試件標(biāo)準(zhǔn)件利用干涉景象檢驗(yàn)平面的平整度CD原理一束激光分為兩束當(dāng)兩束光光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí):相消干涉,出現(xiàn)暗點(diǎn)偶數(shù)倍時(shí):加強(qiáng)干涉,出現(xiàn)亮點(diǎn)CD片上有突點(diǎn),突點(diǎn)與平點(diǎn)差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍與另一束光發(fā)生干涉----出現(xiàn)亮暗不同的點(diǎn)光的衍射光經(jīng)過(guò)微小妨礙物后發(fā)生的景象a垂直單狹縫b更窄的單狹縫c矩孔d三角孔e方孔f正多邊形g正方網(wǎng)格惠更斯原理1680年荷蘭物理學(xué)家惠更斯提出：介質(zhì)中動(dòng)搖傳到的各點(diǎn)都可看作是一個(gè)新的波源——子波源；在其后的任一時(shí)辰，由于波源發(fā)射的子波波陣面組成的包跡就決議新的波面?；莞乖韾?ài)里斑光經(jīng)過(guò)圓孔后在屏幕上構(gòu)成的衍射亮斑半角寬△a=0.61w/RW—光波長(zhǎng)，R—圓孔半徑--圓孔越大愛(ài)里斑越小----記者的大炮筒照相機(jī)衍射運(yùn)用①光譜分析：如衍射光柵光譜儀。

②構(gòu)造分析：衍射圖樣對(duì)精細(xì)構(gòu)造有一種相當(dāng)敏感的“放大〞作用，故而利用圖樣分析構(gòu)造，如X射線構(gòu)造學(xué)。

③衍射成像：在相關(guān)光成像系統(tǒng)中，引進(jìn)兩次衍射成像概念，由此開(kāi)展成為空間濾波技術(shù)和光學(xué)信息處置。④

衍射再現(xiàn)波陣面：這是全息術(shù)原理中的重要一步。光的偏振平面偏振光：線偏振光(光的電矢量的振動(dòng)方向不變)，部分偏振光。圓〔橢圓〕偏振光：偏振光的電矢量的末端在于傳播方向的xy平面上的軌跡是圓或橢圓。平面偏振光圓偏振光的波場(chǎng)分布線偏振光部分偏振光自然光運(yùn)用1、偏振濾光片最簡(jiǎn)單的運(yùn)用為在照相機(jī)這一類儀器的物鏡前，加一片雙色性微晶制的偏振片。那么可大大減弱反射光，能使湖面上的物體拍攝得更清楚?？上谝归g行車時(shí)汽車頭燈耀眼燈光對(duì)迎面汽車司機(jī)的影響2、偏光眼鏡：觀看立體電影片(a)用偏振干涉儀察看到的懸浮在水面上的昆蟲(b)用偏振干涉顯微鏡察看到的碳化硅晶體(c)在正交偏振片間察看到的硫代硫酸鈉晶體(a)(b)(c)液晶顯示器〔LCD〕經(jīng)過(guò)改動(dòng)電場(chǎng)改動(dòng)液晶分子陳列改動(dòng)偏振光偏振方向能否透過(guò)入射光偏振片偏振片光透過(guò)TN陳列盒入射光偏振片偏振片光遮斷TN陳列盒未施加電壓時(shí)施加電壓時(shí)液晶顯示器的構(gòu)造玻璃基板透明電極外周封接劑分子取向?qū)悠衿衿肿尤∠驅(qū)右壕该麟姌O玻璃基板反射板全反射和光纖當(dāng)光由介質(zhì)n1射入n2臨界角icic=sin-1(n2/n1)全反射:入射角i1>ic，入射光全部反射光纖內(nèi)層n1≈1.8，外層內(nèi)層n2≈1.4ic≈51°捕獲彩虹折射率--指光在真空中的運(yùn)動(dòng)速度，和在某種介質(zhì)中減慢的運(yùn)動(dòng)速度之比。英國(guó)科學(xué)家，2007在11月15日<自然>“超資料〞是一種人造的電磁-光學(xué)資料，即在透明資料中置入一些微型的金屬包含物。負(fù)折射率的特性。折射率為正，意味著光根本上還是朝同一方向運(yùn)動(dòng)?！俺Y料〞的負(fù)折射率特性使得光在一定程度上按原方向折回，這樣一來(lái)，光的運(yùn)轉(zhuǎn)速度就漸漸地減緩下來(lái)，直至停頓。將這種“超資料〞夾在兩種普通的資料中間，且一端寬一端窄。這種寬度差別可以使光的不同波長(zhǎng)停留在不同點(diǎn)上，最后實(shí)現(xiàn)“當(dāng)每個(gè)頻率成分都被截留時(shí)，一切光波的分布呈立體狀〞，這樣就可以在“超資料〞上構(gòu)成一道彩虹。慢化光速意義非凡使光子停頓，支配光子以便把信息輸入光子，然后根據(jù)需求再將光子發(fā)往某地以及某時(shí)再發(fā)--新一代計(jì)算機(jī)的曙光。由于光學(xué)安裝天生就具有難以置信的高帶寬，因此，截留光的方法使得光子可以被儲(chǔ)存，從而芯片上可以儲(chǔ)存海量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流領(lǐng)域的革命?！斑^(guò)量的數(shù)據(jù)經(jīng)常在同一時(shí)候抵達(dá)某些點(diǎn)〞。假設(shè)數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)光子而非電子傳輸，那么根據(jù)赫斯的實(shí)際，就可以經(jīng)過(guò)給光子設(shè)置限速，使某些頻率的數(shù)據(jù)傳輸減速，以便其它數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)。全息照相全息照相的原理光波所帶信息:振幅--光強(qiáng)頻率--頻色位相振動(dòng)方向全息記錄全息記錄

經(jīng)過(guò)干涉的方法記錄了物光波上各點(diǎn)的全部光信息，包括振幅和位相，這就是所謂波前的全息記錄。平面全息圖和體全息圖平面全息圖：根據(jù)記錄介質(zhì)感光層的厚度l與干涉條紋間距d之比來(lái)區(qū)分，當(dāng)d>>l時(shí)，記錄介質(zhì)相當(dāng)于一薄層，在其厚度方向上沒(méi)有干涉條紋，稱為平面全息圖。體全息圖：當(dāng)d<<l時(shí)，在記錄介質(zhì)的厚度方向上將布滿干涉條紋，于是就構(gòu)成了一幅體全息圖。

全息術(shù)運(yùn)用全息電影和全息電視

利用體息圖的角度選擇性和顏色選擇性，可以在一張?bào)w全息圖中儲(chǔ)存許多景物信息，這只須在拍攝每一景物時(shí)，把全息照片的位置轉(zhuǎn)動(dòng)一下。再現(xiàn)時(shí)，只須將全息照片放在激光光束中轉(zhuǎn)動(dòng)，便能把景物互不干擾地相繼顯示出來(lái)，在照片的后面就可以看到活動(dòng)的立體景物，這就是立體電影。假設(shè)把全息圖記錄在電視攝像機(jī)的感光面上，然后電視臺(tái)把信號(hào)發(fā)射出去，當(dāng)電視接納機(jī)收到了信號(hào)，并用激光照明時(shí)，就能再現(xiàn)所攝的景象，這就是立體電視。全息顯微技術(shù)要丈量樣品中浮動(dòng)粒子的大小、分布及其它性質(zhì)。由于這些粒子在不停地運(yùn)動(dòng)，所以觀測(cè)時(shí)根本來(lái)不及將顯微鏡調(diào)焦到這些粒子上，有的還要求在某一時(shí)辰把體積中的粒子全部拍攝下來(lái)。全息顯微技術(shù)--用短脈沖激光來(lái)照明樣品，拍攝一定體積內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)情況，再現(xiàn)時(shí)就可以將粒子的大小、粒子的瞬時(shí)分布情況用顯微鏡層層聚焦、逐次察看。全息干涉技術(shù)利用二次曝光全息圖可以將物體變化情況記錄在同一張全息照片上。再現(xiàn)時(shí)就得到相互交迭的像，這兩個(gè)或多個(gè)光波就會(huì)發(fā)生干涉，從干涉條紋的分析中可以得出物體的變化情況。這就是全息干涉技術(shù)，研討物體的微小形變或微小振動(dòng)、高速運(yùn)動(dòng)的景象、封鎖容器內(nèi)的爆炸過(guò)程，等等。角度復(fù)用的光學(xué)全息存儲(chǔ)簡(jiǎn)介：角度復(fù)用全息存儲(chǔ)運(yùn)用體光柵的角度選擇性，經(jīng)過(guò)記錄角度的多次微小改動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)多幅全息圖，原理：由激光分束構(gòu)成物光和參考光，其中物光由計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器產(chǎn)生，不同角度的參考光那么由計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成。射入LiNbO3晶體后，構(gòu)成傅里葉變換體全息圖，將物光所荷載的信息記錄在晶體中。改動(dòng)參考光或物光的角度，可以在晶體中存入多幅傅里葉變換體全息圖。將參考光單獨(dú)照射記錄介質(zhì)，就可以讀出對(duì)應(yīng)角度下存入的信息，復(fù)原記錄的圖形。全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)1、高可保管性：全息圖存儲(chǔ)的信息是干涉條紋，每一信息單元都存儲(chǔ)在全息圖的整個(gè)外表上(或整個(gè)體積中)，故記錄介質(zhì)部分的缺陷和損傷不會(huì)引起信息的喪失。全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)2、高存儲(chǔ)容量光學(xué)極限為6.4×1013bit/cm31M=106,1G=109,利用頻率選擇技術(shù)(PSHB)將存儲(chǔ)維數(shù)擴(kuò)展到四維，體全息存儲(chǔ)器的容量還能夠進(jìn)一步提高。全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)3、高數(shù)據(jù)傳輸速率和快存取時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸速率：10Gbit／s,使尋址一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面的時(shí)間小于100μs.磁盤系統(tǒng)的機(jī)械尋址需求10ms記錄時(shí)間：>1Mbit/s6.2全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)4、可進(jìn)展并行內(nèi)容尋址全息存儲(chǔ)器可以直接輸出數(shù)據(jù)頁(yè)或圖像的光學(xué)再現(xiàn)；在再現(xiàn)出的光學(xué)像被探測(cè)到并被轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)圖樣之前，就可以對(duì)它們用光學(xué)方法進(jìn)展并行處置，以提高存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)展高級(jí)處置的功能。阿貝成像原理一百多年前，德國(guó)人阿貝(E.Abh，1874年)在研討如何提高顯微鏡的分辯身手時(shí)，提出了阿貝成像原理，為現(xiàn)代變換光學(xué)奠定了根底。1.1阿貝成像原理阿貝成像原理著眼于頻譜的轉(zhuǎn)換相關(guān)成像過(guò)程分兩步完成:第一步是入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射，在透鏡后焦面上構(gòu)成一系列衍射斑；第二步是干涉，即各衍射斑發(fā)出的球面次波在像平面(x’，y’)上相關(guān)迭加，像就是干涉場(chǎng)。空間濾波用改動(dòng)頻譜的手段來(lái)改造信息〔改造圖像〕。空間濾波的詳細(xì)作法：物信息的頻譜展如今透鏡的后焦面上，可以在這平面上放置不同構(gòu)造的光闌，以提取(或摒棄)某些頻段的物信息，即可自動(dòng)地改動(dòng)頻譜，以此來(lái)到達(dá)改造圖像的目的。廣義地說(shuō)，凡是可以直接改動(dòng)光信息空間頻譜的器件，通稱空間濾波器，或光學(xué)濾波器。

在焦平面上的一個(gè)程度狹縫消除了網(wǎng)格像的程度線條阿貝—波特系列實(shí)驗(yàn)阿貝于1873年、波特于1906年分別做了實(shí)驗(yàn)。部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果:部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果:空間濾波(a)輸入圖像(b)用針孔濾掉高頻的輸出圖像低通濾波器