波动光学应用举例

1§6波动光学应用举例一.相控阵列雷达二.全息术三.光信息处理四.非线性光学2一.相控阵雷达1.光线斜入射时的光栅方程λdsin光栅观察屏Lopfidsinimid)sin(sinm确定时调节I则相应改变可以获得更高级次的条纹（分辨率高）3iddsinsinπ2sinπ2sinΔdidΔπ2sind改变即可改变0级衍射光的方向相邻入射光的相位差令m=0则例如42.相控阵雷达微波源移相器辐射单元dn靶目标一维阵列的相控阵雷达(1)扫描方式•相位控制扫描•频率控制扫描(2)回波接收通过同样的天线阵列接收5•无机械惯性可高速扫描一次全程扫描仅需几微秒•由计算机控制可形成多种波束能同时搜索、跟踪多个目标•不转动天线孔径可做得很大辐射功率强、作用距离远、分辨率高…3.相控阵雷达的优点如地形测绘、气象监测、导航、测速（反射波的多普勒频移）相控阵雷达除军事应用外，还可民用：6设在澳大利亚Sydney大学的一维射电望远镜阵列（N=32，=21cm，a=2m，阵列长213m）7阵列宽31m，有1792个辐射单元。能探测到5500公里范围内的10m2大小的物体。用于搜索洲际导弹和跟踪人造卫星。设在美国鳕角（Capecod）的相控阵雷达照片8二.全息照相D.Gabor1948年提出激光出现后很快发展1971年获诺贝尔物理学奖1.特点普通照相全息照相记录内容振幅频率振幅频率相位(全部信息)理论几何光学波动光学(相干光源)再现图像平面立体演示全息照像92.拍摄激光器物光参考光底片参考光在底片上各点振幅相同相位也相同物光则不同10产生环状干涉条纹干涉极大处为暗环制成正片后为亮环全息照片为无数套环状条纹的叠加r0r0+2r0+3分析一个点的物光r0+11激光器物光参考光底片0级1级-1级3.再现用原波长的参考光照射120级1级-1级大于一级的光强很弱可不考虑衍射光在原来的物点产生相长干涉得到原物的实像左方得到虚像双光束干涉--正弦光栅13再现立体图像14再现立体图像15再现立体图像16白光全息17•信息编码和译码•全息电影•无损检测激光器物光参考光底片4.应用如一张玻璃片•信息贮存106-109bit/mm218三.光信息处理信息光学也称为变换光学或付里叶光学基本概念起源于上世纪后期，20世纪60年代激光问世后迅速发展为一门新的学科dtieftFπ2)()(空域付里叶变换（付里叶光学基础）：把一个空间周期的函数用一系列正弦基元展开时域付里叶变换：把一个时间周期函数用一系列正弦基元展开如一波列可分解为无穷单一频率的平面波191.基本物理量与时域付里叶变换对比如波动：时域空域空间周期T时间周期时间频率T1空间频率1f时间角频率π2空间角频率π2π2fk20物面空间频谱分析系统空间频谱频谱处理系统处理后的物像2.基本思想用频谱的语言分析物面的信息用改变频谱的手段来处理信息3.基本装置21典型装置：物面空间频谱分析系统空间频谱频谱处理系统处理后的物像fF物面LA频谱面1+1Lff编码解码22阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释4.阿贝（E.Abbe）成像原理+110fF发子波物面LAA像平面相干叠加成像频谱面1+123入射光经物平面发生夫琅禾费衍射在L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹此即物的空间频谱第一步：各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干第二步：叠加形成物的像成像过程可分解为两步：+110fF发子波物面LAA像平面相干叠加成像频谱面1+124对夫琅禾费衍射的新认识：•数学上---付里叶变换空域中的付里叶变换---以正弦为基元•付里叶频谱分析器---理想的夫琅禾费衍射装置中的透镜对空间周期函数（例如光栅）做了一个付里叶变换且把频谱显示在透镜的焦平面上一定空间频率的信息被一束特定方向的衍射波输送出来。•光学计算术25一个透镜就是一个光学模拟计算机光学模拟计算机的优点：1）能直接处理连续函数不需要抽样离散化…2）能直接处理二元函数f(x,y)3）是并行输入光束交叉可独立传播4）速度快不受RC时间常数限制5）装置简单价格低26光学模拟计算机的不足：1）直接处理数据信号很困难2）易受干扰3）只能进行付氏变换运算作其它运算困难光学专家和计算机专家们正在探索光学计算机由模拟化走向数字化利用光学双稳态元件（如一些电光晶体器件）可以在电信号的控制下达到透光和不透光即实现（0，1）状态从而可实现数字化27光开关的速度10亿次/秒运算速度100万次/秒不久达到几亿次/秒1990.1.29贝尔实验室数字光处理器：1993年1cm2GaAs衬底上集成了一百多个电泵浦微型激光器光计算机要求光子元件小型化、集成化——集成光路光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。美国防部将此列为22项关键技术之一。同年美国研制成了世界上首台光计算机。28改变频谱可改变物光的信息在频谱面上放置空间滤波器可改造空间频谱低通滤波器F高通滤波器F带通滤波器F—空间滤波5.空间滤波29Lyx物像保留fy的频谱：保留fx的频谱：yx保留f的频谱：方向Fyx306.光信息处理举例•轮廓突出和低对比度图形的识别（边缘增强）物体边缘以内及背景光强变化较慢边缘亮度变化剧烈高频成分丰富物体某部分的亮度与背景亮度之比叫对比度主要是低频和直流成分31从而突出轮廓亮度——形成亮的镶边。作法：在物的频谱面F上放一个高通滤波器（玻璃片中心镀个不透明的斑），挡掉0级和低频成分，高频滤波和轮廓突出F大头针LP1P2扩束亮边32轮廓突出前轮廓突出后33•光学去污带污点的网格纯净网格污点用纯净网格谱的正片滤波纯净网格的频谱用纯净网格谱的负片滤波可得到纯净网格可得到污点光学去污主要用于工业制版(大规模集成电路）——检查模版上的污点（噪声）或复制模版34光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物的付氏谱进行比较从而找出待测目标特征识别系统可以做到：从卫星照片中检测军事目标从文件中检测某个字从细胞中检测癌细胞进行航空测量•光学特征识别光学侦破（指纹识别）35例如指纹识别：x平面波指纹指纹平面波x带有指纹信息的衍射波xΣ带有指纹信息的会聚波xΣ反过来xΣxΣL1P2L2亮点若x*=x或x*与x相关x平面波P1参照指纹x*频谱面待查指纹36•调制（假彩色编码）（光栅拼成）黑白物白光着色像L频谱面空间滤波薰黑光栅蓝色透过蓝色透过红色透过红色透过物像频谱面演示调制37•模糊图象处理（离焦模糊、运动模糊）关键是找到TG(fx，fy)—模糊图象的谱。设：G(fx，fy)—清楚图像的谱，—模糊因子，GGffTyx)(，令：滤波后GTGTGTG11TGG则L1L2畸变波频谱面F滤波T1（透过率）GGG正确波清楚图象P2平面波P1模糊照片38消模糊处理前的碑文处理后的碑文（唐诗）39以达到对图象信息进▲《光学》下册，赵凯华、钟锡华。▲《从波光学到信息光学》，宋菲君。▲《大学物理学》（第四册）张三慧等。参考书目总之，信息处理的关键在于研究清楚信息的频谱特征，然后针对它研制相应的空间滤波器，从而按照需要改变频谱，行处理的目的。40四.非线性光学非线性现象Laser晶体棱镜0002选择合适的晶体，可得连续可调激光器Laser11Laser22晶体2121222121倍频混频41光致透明强光时，物质的吸收系数与光强有关强光可使物质分子的一半处在激发态透明强光的自聚焦现象折射率随光密度的增加而增加类似于凸透镜破坏性421.强光与被动介质的相互作用2.强光与激活介质的相互作用如：光学整流、光学倍频、光学混频、光自聚焦等。如：受激拉曼散射、受激布利渊散射。被动介质是指这种介质在与强光作用时，其自身的特征频率并不起作用。激活介质是指这种介质在与强光作用时，它能以其特征频率影响与之相互作用的光波。一）非线性光学现象的分类：43二）光学现象来源于极化强度在各向同性的介质中，极化强度：32EEEP、、分别为各阶极化系数，,0其中它们都是与E无关的常量，由介质的性质决定。44从理论上可证明：atEEEEEE232atEE——线性光学atEE——非线性光学非线性极化系数较大的介质称为非线性介质EP0320EEEP原子内部的平均场强：mVEat1010345三）非线性光学现象的解释2:EEP则tEtE2200coscos)(仅保留两项与入射光同频率的光光学倍频（opticalfrequencydoubling)光学整流(opticalrectification)tEtE2cos2121cos200tEEcos01.若演示倍频462:EEP则)(仅保留两项)coscos(202101tEtEP)2cos2cos(212220212201tEtEttEE)cos()cos(2121202201直流项基频项倍频项和、差项)(21202201EEtEtEE202101coscos2.若波动结束