光学和光信息科学

光学和光信息科学第1页，课件共44页，创作于2023年2月光的干涉干涉现象

双孔干涉实验第2页，课件共44页，创作于2023年2月xk=+1k=-2k=+2k=0k=-1S1S2S***I杨氏双孔干涉第3页，课件共44页，创作于2023年2月相干条件相干条件要求：1.两成员波的频率（因而波长）相同；2.两成员波的初位相之差桓定；3.两成员波的振动方向相同。----光程相差等于半个波长，亮条纹变暗条纹!----可见光波长数量级:10–7

m第4页，课件共44页，创作于2023年2月应用用迈克耳孙干涉仪测量长度（误差不超过±/2）迈克耳孙干涉仪用迈克耳孙干涉仪观察到的烛焰附近的对流气体第5页，课件共44页，创作于2023年2月应该出现暗纹的位置实际的暗纹位置试件标准件利用干涉现象检验平面的平整度第6页，课件共44页，创作于2023年2月CD原理一束激光分为两束当两束光光程差为半波长的奇数倍时:相消干涉,出现暗点偶数倍时:增强干涉,出现亮点CD片上有突点,突点与平点差为半波长的奇数倍与另一束光发生干涉----出现亮暗不同的点第7页，课件共44页，创作于2023年2月光的衍射光通过微小障碍物后发生的现象a垂直单狭缝b更窄的单狭缝c矩孔d三角孔e方孔f正多边形

g正方网格第8页，课件共44页，创作于2023年2月惠更斯原理1680年荷兰物理学家惠更斯提出：介质中波动传到的各点都可看作是一个新的波源——子波源；在其后的任一时刻，由于波源发射的子波波阵面组成的包迹就决定新的波面。惠更斯原理第9页，课件共44页，创作于2023年2月爱里斑光通过圆孔后在屏幕上形成的衍射亮斑半角宽△a=0.61w/RW—光波长，R—圆孔半径--圆孔越大爱里斑越小----记者的大炮筒照相机第10页，课件共44页，创作于2023年2月衍射应用①光谱分析：如衍射光栅光谱仪。

②结构分析：衍射图样对精细结构有一种相当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析结构，如X射线结构学。

③衍射成像：在相干光成像系统中，引进两次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技术和光学信息处理。④

衍射再现波阵面：这是全息术原理中的重要一步。第11页，课件共44页，创作于2023年2月光的偏振平面偏振光：线偏振光(光的电矢量的振动方向不变)，部分偏振光。圆（椭圆）偏振光：偏振光的电矢量的末端在于传播方向的xy平面上的轨迹是圆或椭圆。平面偏振光圆偏振光的波场分布第12页，课件共44页，创作于2023年2月线偏振光部分偏振光自然光第13页，课件共44页，创作于2023年2月应用1、偏振滤光片最简单的应用为在照相机这一类仪器的物镜前，加一片双色性微晶制的偏振片。则可大大减弱反射光，能使湖面上的物体拍摄得更清楚。可消除在夜间行车时汽车头灯耀眼灯光对迎面汽车司机的影响2、偏光眼镜：观看立体电影片第14页，课件共44页，创作于2023年2月(a)用偏振干涉仪观察到的悬浮在水面上的昆虫(b)用偏振干涉显微镜观察到的碳化硅晶体(c)在正交偏振片间观察到的硫代硫酸钠晶体(a)(b)(c)第15页，课件共44页，创作于2023年2月

液晶显示器（LCD）通过改变电场改变液晶分子排列改变偏振光偏振方向是否透过第16页，课件共44页，创作于2023年2月入射光偏振片偏振片光透过TN排列盒入射光偏振片偏振片光遮断TN排列盒未施加电压时施加电压时

第17页，课件共44页，创作于2023年2月液晶显示器的构造玻璃基板透明电极外周封接剂分子取向层偏振片偏振片分子取向层液晶透明电极玻璃基板反射板第18页，课件共44页，创作于2023年2月全反射和光纤当光由介质n1射入n2临界角icic=sin-1(n2/n1)全反射:入射角i1>ic，入射光全部反射光纤内层n1≈1.8，外层内层n2≈1.4ic≈

51°第19页，课件共44页，创作于2023年2月捕获彩虹折射率--指光在真空中的运动速度，和在某种介质中减慢的运动速度之比。英国科学家，2007在11月15日《自然》

“超材料”是一种人造的电磁-光学材料，即在透明材料中置入一些微型的金属包含物。负折射率的特性。折射率为正，意味着光基本上还是朝同一方向运动。“超材料”的负折射率特性使得光在一定程度上按原方向折回，这样一来，光的运行速度就慢慢地减缓下来，直至停止。将这种“超材料”夹在两种普通的材料中间，且一端宽一端窄。这种宽度差异可以使光的不同波长停留在不同点上，最后实现“当每个频率成分都被截留时，所有光波的分布呈立体状”，这样就可以在“超材料”上形成一道彩虹。慢化光速意义非凡使光子停止，操纵光子以便把信息输入光子，然后根据需要再将光子发往某地以及某时再发--新一代计算机的曙光。由于光学装置天生就具有难以置信的高带宽，因此，截留光的方法使得光子可以被储存，从而芯片上可以储存海量数据。数据流领域的革命。“过量的数据常常在同一时候抵达某些点”。假设数据是通过光子而非电子传输，那么根据赫斯的理论，就可以通过给光子设置限速，使某些频率的数据传输减速，以便其它数据通过。第20页，课件共44页，创作于2023年2月全息照相

全息照相的原理光波所带信息:振幅--光强频率--频色位相振动方向第21页，课件共44页，创作于2023年2月全息记录全息记录

通过干涉的方法记录了物光波上各点的全部光信息，包括振幅和位相，这就是所谓波前的全息记录。第22页，课件共44页，创作于2023年2月平面全息图和体全息图平面全息图：根据记录介质感光层的厚度l与干涉条纹间距d之比来区分，当d>>l时，记录介质相当于一薄层，在其厚度方向上没有干涉条纹，称为平面全息图。体全息图：当d<<l

时，在记录介质的厚度方向上将布满干涉条纹，于是就构成了一幅体全息图。

第23页，课件共44页，创作于2023年2月

全息术应用全息电影和全息电视

利用体息图的角度选择性和颜色选择性，可以在一张体全息图中贮存许多景物信息，这只须在拍摄每一景物时，把全息照片的位置转动一下。再现时，只须将全息照片放在激光光束中转动，便能把景物互不干扰地相继显示出来，在照片的后面就可以看到活动的立体景物，这就是立体电影。假如把全息图记录在电视摄像机的感光面上，然后电视台把信号发射出去，当电视接收机收到了信号，并用激光照明时，就能再现所摄的景象，这就是立体电视。第24页，课件共44页，创作于2023年2月全息显微技术

要测量样品中浮动粒子的大小、分布及其它性质。由于这些粒子在不停地运动，所以观测时根本来不及将显微镜调焦到这些粒子上，有的还要求在某一时刻把体积中的粒子全部拍摄下来。全息显微技术--用短脉冲激光来照明样品，拍摄一定体积内粒子的运动状况，再现时就可以将粒子的大小、粒子的瞬时分布状况用显微镜层层聚焦、逐次观察。第25页，课件共44页，创作于2023年2月全息干涉技术

利用二次曝光全息图可以将物体变化状况记录在同一张全息照片上。再现时就得到相互交迭的像，这两个或多个光波就会发生干涉，从干涉条纹的分析中可以得出物体的变化情况。这就是全息干涉技术，研究物体的微小形变或微小振动、高速运动的现象、封闭容器内的爆炸过程，等等。第26页，课件共44页，创作于2023年2月角度复用的光学全息存储简介：角度复用全息存储应用体光栅的角度选择性，通过记录角度的多次微小改变来存储多幅全息图，原理：由激光分束形成物光和参考光，其中物光由计算机通过空间光调制器产生，不同角度的参考光则由计算机控制的转镜构成。射入LiNbO3晶体后，形成傅里叶变换体全息图，将物光所荷载的信息记录在晶体中。改变参考光或物光的角度，可以在晶体中存入多幅傅里叶变换体全息图。将参考光单独照射记录介质，就可以读出对应角度下存入的信息，还原记录的图形。第27页，课件共44页，创作于2023年2月全息存储的特点1、高可保存性：全息图存储的信息是干涉条纹，每一信息单元都存储在全息图的整个表面上(或整个体积中)，故记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。第28页，课件共44页，创作于2023年2月

全息存储的特点2、高存储容量光学极限为6.4×1013bit/cm31M=106,1G=109,利用频率选择技术(PSHB)将存储维数扩展到四维，体全息存储器的容量还可能进一步提高。第29页，课件共44页，创作于2023年2月全息存储的特点3、高数据传输速率和快存取时间数据传输速率：10Gbit／s,使寻址一个数据页面的时间小于100μs.磁盘系统的机械寻址需要10ms记录时间：>1Mbit/s第30页，课件共44页，创作于2023年2月6.2全息存储的特点4、可进行并行内容寻址全息存储器可以直接输出数据页或图像的光学再现；在再现出的光学像被探测到并被转换成电子数据图样之前，就可以对它们用光学方法进行并行处理，以提高存储系统进行高级处理的功能。第31页，课件共44页，创作于2023年2月

阿贝成像原理

一百多年前，德国人阿贝(E.Abh，1874年)在研究如何提高显微镜的分辩本领时，提出了阿贝成像原理，为现代变换光学奠定了基础。1.1阿贝成像原理第32页，课件共44页，创作于2023年2月阿贝成像原理着眼于频谱的转换相干成像过程分两步完成:第一步是入射光经物平面发生夫琅和费衍射，在透镜后焦面上形成一系列衍射斑；第二步是干涉，即各衍射斑发出的球面次波在像平面(x’，y’)上相干迭加，像就是干涉场。第33页，课件共44页，创作于2023年2月空间滤波用改变频谱的手段来改造信息（改造图像）。空间滤波的具体作法：物信息的频谱展现在透镜的后焦面上，可以在这平面上放置不同结构的光阑，以提取(或摒弃)某些频段的物信息，即可主动地改变频谱，以此来达到改造图像的目的。广义地说，凡是能够直接改变光信息空间频谱的器件，通称空间滤波器，或光学滤波器。第34页，课件共44页，创作于2023年2月

在焦平面上的一个水平狭缝消除了网格像的水平线条

第35页，课件共44页，创作于2023年2月阿贝—波特系列实验

阿贝于1873年、波特于1906年分别做了实验。部分实验内容及结果:

第36页，课件共44页，创作于2023年2月部分实验内容及结果:第37页，课件共44页，创作于2023年2月空间滤波(a)输入图像(b)用针孔滤掉高频的输出图像

第38页，课件共44页，创作于2023年2月低通滤波器

低通滤波器主要用于消除图像中的高频噪声。例如，电视图像照片、新闻传真照片等往往含有密度较高的网点第39页，课件共44页，创作于2023年2月高通滤波器