光學(xué)和光信息科學(xué)

光學(xué)和光信息科學(xué)第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月光的干涉干涉現(xiàn)象

雙孔干涉實(shí)驗(yàn)第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月xk=+1k=-2k=+2k=0k=-1S1S2S***I楊氏雙孔干涉第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月相干條件相干條件要求：1.兩成員波的頻率（因而波長）相同；2.兩成員波的初位相之差桓定；3.兩成員波的振動方向相同。----光程相差等于半個波長，亮條紋變暗條紋!----可見光波長數(shù)量級:10–7

m第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用用邁克耳孫干涉儀測量長度（誤差不超過±/2）邁克耳孫干涉儀用邁克耳孫干涉儀觀察到的燭焰附近的對流氣體第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)該出現(xiàn)暗紋的位置實(shí)際的暗紋位置試件標(biāo)準(zhǔn)件利用干涉現(xiàn)象檢驗(yàn)平面的平整度第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月CD原理一束激光分為兩束當(dāng)兩束光光程差為半波長的奇數(shù)倍時:相消干涉,出現(xiàn)暗點(diǎn)偶數(shù)倍時:增強(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)第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月光的衍射光通過微小障礙物后發(fā)生的現(xiàn)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)格第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月惠更斯原理1680年荷蘭物理學(xué)家惠更斯提出：介質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)都可看作是一個新的波源——子波源；在其后的任一時刻，由于波源發(fā)射的子波波陣面組成的包跡就決定新的波面?；莞乖淼?頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月愛里斑光通過圓孔后在屏幕上形成的衍射亮斑半角寬△a=0.61w/RW—光波長，R—圓孔半徑--圓孔越大愛里斑越小----記者的大炮筒照相機(jī)第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月衍射應(yīng)用①光譜分析：如衍射光柵光譜儀。

②結(jié)構(gòu)分析：衍射圖樣對精細(xì)結(jié)構(gòu)有一種相當(dāng)敏感的“放大”作用，故而利用圖樣分析結(jié)構(gòu)，如X射線結(jié)構(gòu)學(xué)。

③衍射成像：在相干光成像系統(tǒng)中，引進(jìn)兩次衍射成像概念，由此發(fā)展成為空間濾波技術(shù)和光學(xué)信息處理。④

衍射再現(xiàn)波陣面：這是全息術(shù)原理中的重要一步。第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月光的偏振平面偏振光：線偏振光(光的電矢量的振動方向不變)，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分布第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月線偏振光部分偏振光自然光第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用1、偏振濾光片最簡單的應(yīng)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。則可大大減弱反射光，能使湖面上的物體拍攝得更清楚?？上谝归g行車時汽車頭燈耀眼燈光對迎面汽車司機(jī)的影響2、偏光眼鏡：觀看立體電影片第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)用偏振干涉儀觀察到的懸浮在水面上的昆蟲(b)用偏振干涉顯微鏡觀察到的碳化硅晶體(c)在正交偏振片間觀察到的硫代硫酸鈉晶體(a)(b)(c)第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

液晶顯示器（LCD）通過改變電場改變液晶分子排列改變偏振光偏振方向是否透過第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月入射光偏振片偏振片光透過TN排列盒入射光偏振片偏振片光遮斷TN排列盒未施加電壓時施加電壓時

第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月液晶顯示器的構(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玻璃基板反射板第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月全反射和光纖當(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°第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月捕獲彩虹折射率--指光在真空中的運(yùn)動速度，和在某種介質(zhì)中減慢的運(yùn)動速度之比。英國科學(xué)家，2007在11月15日《自然》

“超材料”是一種人造的電磁-光學(xué)材料，即在透明材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，意味著光基本上還是朝同一方向運(yùn)動?！俺牧稀钡呢?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，光的運(yùn)行速度就慢慢地減緩下來，直至停止。將這種“超材料”夾在兩種普通的材料中間，且一端寬一端窄。這種寬度差異可以使光的不同波長停留在不同點(diǎn)上，最后實(shí)現(xiàn)“當(dāng)每個頻率成分都被截留時，所有光波的分布呈立體狀”，這樣就可以在“超材料”上形成一道彩虹。慢化光速意義非凡使光子停止，操縱光子以便把信息輸入光子，然后根據(jù)需要再將光子發(fā)往某地以及某時再發(fā)--新一代計算機(jī)的曙光。由于光學(xué)裝置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存，從而芯片上可以儲存海量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流領(lǐng)域的革命?！斑^量的數(shù)據(jù)常常在同一時候抵達(dá)某些點(diǎn)”。假設(shè)數(shù)據(jù)是通過光子而非電子傳輸，那么根據(jù)赫斯的理論，就可以通過給光子設(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)通過。第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月全息照相

全息照相的原理光波所帶信息:振幅--光強(qiáng)頻率--頻色位相振動方向第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月全息記錄全息記錄

通過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。第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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之比來區(qū)分，當(dāng)d>>l時，記錄介質(zhì)相當(dāng)于一薄層，在其厚度方向上沒有干涉條紋，稱為平面全息圖。體全息圖：當(dāng)d<<l

時，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。

第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

全息術(shù)應(yīng)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，可以在一張體全息圖中貯存許多景物信息，這只須在拍攝每一景物時，把全息照片的位置轉(zhuǎn)動一下。再現(xiàn)時，只須將全息照片放在激光光束中轉(zhuǎn)動，便能把景物互不干擾地相繼顯示出來，在照片的后面就可以看到活動的立體景物，這就是立體電影。假如把全息圖記錄在電視攝像機(jī)的感光面上，然后電視臺把信號發(fā)射出去，當(dāng)電視接收機(jī)收到了信號，并用激光照明時，就能再現(xiàn)所攝的景象，這就是立體電視。第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月全息顯微技術(shù)

要測量樣品中浮動粒子的大小、分布及其它性質(zhì)。由于這些粒子在不停地運(yùn)動，所以觀測時根本來不及將顯微鏡調(diào)焦到這些粒子上，有的還要求在某一時刻把體積中的粒子全部拍攝下來。全息顯微技術(shù)--用短脈沖激光來照明樣品，拍攝一定體積內(nèi)粒子的運(yùn)動狀況，再現(xiàn)時就可以將粒子的大小、粒子的瞬時分布狀況用顯微鏡層層聚焦、逐次觀察。第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月全息干涉技術(shù)

利用二次曝光全息圖可以將物體變化狀況記錄在同一張全息照片上。再現(xiàn)時就得到相互交迭的像，這兩個或多個光波就會發(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)，研究物體的微小形變或微小振動、高速運(yùn)動的現(xiàn)象、封閉容器內(nèi)的爆炸過程，等等。第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月角度復(fù)用的光學(xué)全息存儲簡介：角度復(fù)用全息存儲應(yīng)用體光柵的角度選擇性，通過記錄角度的多次微小改變來存儲多幅全息圖，原理：由激光分束形成物光和參考光，其中物光由計算機(jī)通過空間光調(diào)制器產(chǎn)生，不同角度的參考光則由計算機(jī)控制的轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成。射入LiNbO3晶體后，形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。改變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)，就可以讀出對應(yīng)角度下存入的信息，還原記錄的圖形。第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月全息存儲的特點(diǎn)1、高可保存性：全息圖存儲的信息是干涉條紋，每一信息單元都存儲在全息圖的整個表面上(或整個體積中)，故記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷不會引起信息的丟失。第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

全息存儲的特點(diǎn)2、高存儲容量光學(xué)極限為6.4×1013bit/cm31M=106,1G=109,利用頻率選擇技術(shù)(PSHB)將存儲維數(shù)擴(kuò)展到四維，體全息存儲器的容量還可能進(jìn)一步提高。第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月全息存儲的特點(diǎn)3、高數(shù)據(jù)傳輸速率和快存取時間數(shù)據(jù)傳輸速率：10Gbit／s,使尋址一個數(shù)據(jù)頁面的時間小于100μs.磁盤系統(tǒng)的機(jī)械尋址需要10ms記錄時間：>1Mbit/s第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2全息存儲的特點(diǎn)4、可進(jìn)行并行內(nèi)容尋址全息存儲器可以直接輸出數(shù)據(jù)頁或圖像的光學(xué)再現(xiàn)；在再現(xiàn)出的光學(xué)像被探測到并被轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)圖樣之前，就可以對它們用光學(xué)方法進(jìn)行并行處理，以提高存儲系統(tǒng)進(jìn)行高級處理的功能。第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

阿貝成像原理

一百多年前，德國人阿貝(E.Abh，1874年)在研究如何提高顯微鏡的分辯本領(lǐng)時，提出了阿貝成像原理，為現(xiàn)代變換光學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1.1阿貝成像原理第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月阿貝成像原理著眼于頻譜的轉(zhuǎn)換相干成像過程分兩步完成:第一步是入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射，在透鏡后焦面上形成一系列衍射斑；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’)上相干迭加，像就是干涉場。第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月空間濾波用改變頻譜的手段來改造信息（改造圖像）?？臻g濾波的具體作法：物信息的頻譜展現(xiàn)在透鏡的后焦面上，可以在這平面上放置不同結(jié)構(gòu)的光闌，以提取(或摒棄)某些頻段的物信息，即可主動地改變頻譜，以此來達(dá)到改造圖像的目的。廣義地說，凡是能夠直接改變光信息空間頻譜的器件，通稱空間濾波器，或光學(xué)濾波器。第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

在焦平面上的一個水平狹縫消除了網(wǎng)格像的水平線條

第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月阿貝—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:

第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果:第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月空間濾波(a)輸入圖像(b)用針孔濾掉高頻的輸出圖像

第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月低通濾波器

低通濾波器主要用于消除圖像中的高頻噪聲。例如，電視圖像照片、新聞傳真照片等往往含有密度較高的網(wǎng)點(diǎn)第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月高通濾波器