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波动光学应用举例1第1页，本讲稿共46页一一.相控阵雷达相控阵雷达1.光线斜入射时的光线斜入射时的 光栅光栅方程方程d sin 光栅光栅观察屏观察屏Lop f id sin im m确定时确定时 调节调节I I 则则 相应改变相应改变可可以以获获得得更更高高级级次次的的条条纹（分辨率高）纹（分辨率高）2第2页，本讲稿共46页改变改变 即可改变即可改变 0 级衍射光的方向级衍射光的方向相邻入射光的相位差相邻入射光的相位差令令 m=0 则则 例如例如3第3页，本讲稿共46页 2.相控阵雷达相控阵雷达微波源微波源移移相相器器辐射单元辐射单元d n 靶目标靶目标一维阵列的相控阵雷达一维阵列的相控阵雷达(1)扫描方式扫描方式 相位控制扫描相位控制扫描 频率控制扫描频率控制扫描(2)回波接收回波接收通过同样的天线阵列接收通过同样的天线阵列接收4第4页，本讲稿共46页无机械惯性无机械惯性 可高速扫描可高速扫描 一次全程扫描仅需几微秒一次全程扫描仅需几微秒由计算机控制可形成多种波束由计算机控制可形成多种波束 能同时搜索、跟踪多个目标能同时搜索、跟踪多个目标不转动不转动 天线孔径可做得很大天线孔径可做得很大 辐射功率强、作用距离远、分辨率高辐射功率强、作用距离远、分辨率高3.相控阵雷达的优点相控阵雷达的优点如地形测绘、如地形测绘、气象监测、气象监测、导航、导航、测速测速（反射波的多普勒频移）（反射波的多普勒频移）相控阵雷达除军事应用外，还可民用：相控阵雷达除军事应用外，还可民用：5第5页，本讲稿共46页设在澳大利亚设在澳大利亚Sydney大学的一维射电望远镜阵列大学的一维射电望远镜阵列（N=32，=21cm，a=2m，阵列长，阵列长213m）6第6页，本讲稿共46页阵列宽阵列宽31m，有，有1792个辐射单元。个辐射单元。能探测到能探测到5500公里范围内的公里范围内的10m2大小的物体。大小的物体。用于搜索洲际导弹和跟踪人造卫星。用于搜索洲际导弹和跟踪人造卫星。设在美国鳕角设在美国鳕角（Cape cod）的相控阵雷达照片的相控阵雷达照片7第7页，本讲稿共46页 二二.全息照相全息照相 D.Gabor 1948年提出年提出 激光出现后很快发展激光出现后很快发展 1971年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 1.特点特点 普通照相普通照相 全息照相全息照相记录内容记录内容 振幅频率振幅频率 振幅频率相位振幅频率相位(全部信息全部信息)理论理论 几何光学几何光学 波动光学波动光学(相干光源相干光源)再现图像再现图像 平面平面 立体立体 演示全演示全息照像息照像8第8页，本讲稿共46页2.拍摄拍摄激光器激光器物光物光参考光参考光底底片片参考光在底片上各点振幅相同参考光在底片上各点振幅相同 相位也相同相位也相同 物光则不同物光则不同9第9页，本讲稿共46页产生环状干涉条纹产生环状干涉条纹干涉极大处为暗环干涉极大处为暗环 制成正片后为亮环制成正片后为亮环全息照片为无数套环状条纹的叠加全息照片为无数套环状条纹的叠加r0r0+2 r0+3 分析一个点的物光分析一个点的物光r0+10第10页，本讲稿共46页激光器激光器物光物光参考光参考光底底片片0 0级级1 1级级-1-1级级3.再现再现用原波长的参考光照射用原波长的参考光照射11第11页，本讲稿共46页0 0级级1 1级级-1-1级级大于一级的光强很弱大于一级的光强很弱 可不考虑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衍射光在原来的物点产生相长干涉得到原物的实像像左方得到虚像左方得到虚像双光束干涉双光束干涉-正弦光栅正弦光栅12第12页，本讲稿共46页再现立体图像再现立体图像13第13页，本讲稿共46页再现立体图像再现立体图像14第14页，本讲稿共46页再现立体图像再现立体图像15第15页，本讲稿共46页白光全息白光全息16第16页，本讲稿共46页信息编码和译码信息编码和译码全息电影全息电影无损检测无损检测激光器激光器物光物光参考光参考光底底片片4.应用应用如一张玻璃片如一张玻璃片信息贮存信息贮存 106-109 bit/mm217第17页，本讲稿共46页三三.光信息处理光信息处理信息光学信息光学也称为也称为变换光学变换光学或或付里叶光学付里叶光学基本概念起源于上世纪后期，基本概念起源于上世纪后期，20世纪世纪60年年代激光问世后代激光问世后 迅速发展为一门新的学科迅速发展为一门新的学科 空域付里叶变换空域付里叶变换（付里叶光学基础）：（付里叶光学基础）：把一个把一个空间空间周期的函数用一系列正弦基元展开周期的函数用一系列正弦基元展开时域时域付里叶付里叶变换变换：把一个把一个时间时间周期函数用一周期函数用一系列正弦基元展开系列正弦基元展开 如一波列可分解为无穷如一波列可分解为无穷单一频率的平面波单一频率的平面波18第18页，本讲稿共46页1.基本物理量基本物理量 与时域付里叶变换对比与时域付里叶变换对比如波动：如波动：时域时域 空域空域 空间周期空间周期时间周期时间周期时间频率时间频率空间频率空间频率时间角时间角频率频率空间角空间角频率频率19第19页，本讲稿共46页物物面面空间空间频谱频谱分析分析系统系统空空间间频频谱谱频谱频谱处理处理系统系统处理处理后的后的物像物像2.基本思想基本思想 用频谱的语言分析物面的信息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用改变频谱的手段来处理信息3.基本装置基本装置20第20页，本讲稿共46页典型装置：典型装置：物物面面空间空间频谱频谱分析分析系统系统空空间间频频谱谱频谱频谱处理处理系统系统处理处理后的后的物像物像 fF物物面面LA频谱面频谱面 1+1Lff编码编码 解码解码21第21页，本讲稿共46页 阿贝从波动光学角度阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释对透镜成像做了新解释4.阿贝（阿贝（E.Abbe）成像原理）成像原理+1 10fF发子波发子波物面物面LAA 像平面像平面相相干干叠叠加加成成像像频谱面频谱面 1+122第22页，本讲稿共46页入射光经物平面发生入射光经物平面发生夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射在在L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹的焦平面上形成一系列的衍射斑纹此即物的此即物的空间频谱空间频谱第一步：第一步：各衍射斑纹发出的各衍射斑纹发出的子波子波在像平面上在像平面上相干相干第二步：第二步：叠加形成物的叠加形成物的像像成像过程可分成像过程可分解为两步：解为两步：+1 10fF发子波发子波物面物面LAA 像平面像平面相相干干叠叠加加成成像像频谱面频谱面 1+123第23页，本讲稿共46页对夫琅禾费衍射的新认识：对夫琅禾费衍射的新认识：数学上数学上-付里叶变换付里叶变换空域中的付里叶变换空域中的付里叶变换 -以正弦为基元以正弦为基元付里叶频谱分析器付里叶频谱分析器 -理想的夫琅禾费衍射装置中的理想的夫琅禾费衍射装置中的透镜透镜对空间周期函数（例如光栅）做了一个付里叶变换对空间周期函数（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一定空间频率的信息被一束特定方向的衍射波输送出来。出来。光学计算术光学计算术24第24页，本讲稿共46页一个透镜就是一个光学模拟计算机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：光学模拟计算机的优点：1）能直接处理连续函数）能直接处理连续函数 不需要抽样离散化不需要抽样离散化2）能直接处理二元函数）能直接处理二元函数 f(x,y)3）是并行输入）是并行输入 光束交叉可独立传播光束交叉可独立传播 4）速度快）速度快 不受不受 RC 时间常数限制时间常数限制5）装置简单）装置简单 价格低价格低25第25页，本讲稿共46页光学模拟计算机的不足：光学模拟计算机的不足：1）直接处理数据信号很困难直接处理数据信号很困难2）易受干扰易受干扰3）只能进行付氏变换运算只能进行付氏变换运算 作其它运算困难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光学专家和计算机专家们正在探索光学计算机由机由模拟化走向数字化模拟化走向数字化利用光学双稳态元件利用光学双稳态元件（如一些电光晶体器件）（如一些电光晶体器件）可以在电信号的控制下可以在电信号的控制下 达到透光和不透光达到透光和不透光即实现即实现（0，1）状态状态从而可实现数字化从而可实现数字化26第26页，本讲稿共46页 光开关的速度光开关的速度 10亿次亿次/秒秒 运算速度运算速度 100万次万次/秒秒 不久达到不久达到 几亿次几亿次/秒秒1990.1.29 贝尔实验室贝尔实验室 数字光处理器：数字光处理器：1993年年 1cm2 GaAs衬底上集成了一百多个衬底上集成了一百多个 电泵浦微型激光器电泵浦微型激光器光计算机要求光子元件小型化、集成化光计算机要求光子元件小型化、集成化 集成光路集成光路光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。美国防部将此列为美国防部将此列为22项关键技术之一。项关键技术之一。同年美国研制成了世界上首台光计算机。同年美国研制成了世界上首台光计算机。27第27页，本讲稿共46页改变频谱可改变物光的信息改变频谱可改变物光的信息在频谱面上放置空间滤波器在频谱面上放置空间滤波器 可改造空间频谱可改造空间频谱 低通低通滤波器滤波器F F 高通高通滤波器滤波器F F带通带通滤波滤波器器F F 空间滤波空间滤波5.空间滤波空间滤波28第28页，本讲稿共46页L yx物物像像保留保留 fy 的频谱的频谱：保留保留 fx 的频谱的频谱：yx保留保留 f 的频谱的频谱：方向方向Fyx 29第29页，本讲稿共46页6.光信息处理举例光信息处理举例轮廓突出和低对比度图形的识别轮廓突出和低对比度图形的识别（边缘增强）（边缘增强）物体物体边缘以内及背景边缘以内及背景光强变化较慢光强变化较慢边缘边缘亮度变化剧烈亮度变化剧烈 高频成分丰富高频成分丰富物体某部分的亮度与背景亮度之比叫物体某部分的亮度与背景亮度之比叫对比度对比度主要是低频主要是低频 和直流成分和直流成分30第30页，本讲稿共46页从而从而突出轮廓亮度突出轮廓亮度 形成亮的镶边。形成亮的镶边。作法：作法：在物的频谱面在物的频谱面F上放一个高通滤波器上放一个高通滤波器（玻璃片中心镀个不透明的斑），（玻璃片中心镀个不透明的斑），挡掉挡掉0级和低频级和低频成分，成分，高频滤波和轮廓突出高频滤波和轮廓突出F F大大头头针针L LP P1 1P P2 2扩束扩束亮亮边边31第31页，本讲稿共46页轮廓突出前轮廓突出前轮廓突出后轮廓突出后32第32页，本讲稿共46页光学去污光学去污带污点的网格带污点的网格纯纯净净网网格格污污点点用纯净网格谱的用纯净网格谱的正片正片滤波滤波纯净网格的频谱纯净网格的频谱 用纯净网格谱的用纯净网格谱的负片负片滤波滤波可得到可得到纯净网格纯净网格可得到可得到污点污点光学去污光学去污主要用于工业制版主要用于工业制版(大规模集成电路）大规模集成电路）检查模版上的污点（噪声）或复制模版检查模版上的污点（噪声）或复制模版33第33页，本讲稿共46页光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物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的付氏谱进行比较 从而找出待测目标从而找出待测目标特征识别系统可以做到：特征识别系统可以做到：从卫星照片中检测军事目标从卫星照片中检测军事目标从文件中检测某个字从文件中检测某个字从细胞中检测癌细胞从细胞中检测癌细胞进行航空测量进行航空测量光学特征识别光学特征识别光学侦破（指纹识别）光学侦破（指纹识别）34第34页，本讲稿共46页例如指纹识别：例如指纹识别：x平面波平面波 指纹指纹指纹指纹 平面波平面波x带有指纹信带有指纹信息的衍射波息的衍射波带有指纹信带有指纹信息的会聚波息的会聚波反过来反过来L1P2L2亮亮点点若若 x*=x 或或x*与与 x 相关相关x平面波平面波P1参照指纹参照指纹x*频谱面频谱面待查指纹待查指纹35第35页，本讲稿共46页 调制（假彩色编码）调制（假彩色编码）（光栅拼成）（光栅拼成）黑白物黑白物白光白光着色像着色像L频谱面频谱面空空间间滤滤波波薰黑薰黑光光栅栅蓝色透过蓝色透过蓝色透过蓝色透过红色透过红色透过红色透过红色透过物物像像频谱面频谱面演示演示调制调制36第36页，本讲稿共46页模糊图象处理（离焦模糊、运动模糊）模糊图象处理（离焦模糊、运动模糊）关键是找到关键是找到TG (fx，fy)模糊图象的谱。模糊图象的谱。设：设：G(fx，fy)清楚图像的谱，清楚图像的谱，模糊因子，模糊因子，令：令：滤波后滤波后则则L1L2畸变波畸变波频频谱谱面面F F滤波滤波（透过率）（透过率）正确波正确波清清楚楚图图象象P2平平面面波波P P1 1模糊照片模糊照片37第37页，本讲稿共46页消模糊处理前的碑文消模糊处理前的碑文处理后的碑文（唐诗）处理后的碑文（唐诗）38第38页，本讲稿共46页以达到对图象信息进以达到对图象信息进 光学光学下册，赵凯华、钟锡华。下册，赵凯华、钟锡华。从波光学到信息光学从波光学到信息光学，宋菲君。，宋菲君。大学物理学大学物理学（第四册）张三慧等。（第四册）张三慧等。参考书目参考书目总之，信息处理的总之，信息处理的关键关键在于研究清楚信息的在于研究清楚信息的频谱特征，频谱特征，然后针对它研制相应的然后针对它研制相应的空间滤波器，空间滤波器，从而按照需要改变频谱，从而按照需要改变频谱，行处理的目的。行处理的目的。39第39页，本讲稿共46页四四.非线性光学非线性光学非线性现象非线性现象Laser晶体晶体棱镜棱镜选择合适的晶体，可得连续可调激光器选择合适的晶体，可得连续可调激光器Laser1Laser2晶体晶体倍频倍频混频混频40第40页，本讲稿共46页光致透明光致透明 强光时，物质的吸收系数与光强有关强光时，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强光可使物质分子的一半处在激发态 透明透明强光的自聚焦现象强光的自聚焦现象折射率随光密度的增加而增加折射率随光密度的增加而增加 类似于凸透镜类似于凸透镜破坏性破坏性41第41页，本讲稿共46页1.强光与被动介质的相互作用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、光自如：光学整流、光学倍频、光学混频、光自聚焦等。聚焦等。如：受激拉曼散射、受激布利渊散射。如：受激拉曼散射、受激布利渊散射。被动介质被动介质是指这种介质在与强光作用时，其自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。身的特征频率并不起作用。激活介质激活介质是指这种介质在与强光作用时，它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。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：一）非线性光学现象的分类：42第42页，本讲稿共46页二）光学现象来源于极化强度二）光学现象来源于极化强度在各向同性的介质中，极化强度：在各向同性的介质中，极化强度：、分别为各阶极化系数，分别为各阶极化系数，它们都是与它们都是与E无关的常量，由介质的无关的常量，由介质的性质决定。性质决定。43第43页，本讲稿共46页从理论上可证明：从理论上可证明：线性光学线性光学非线性光学非线性光学 非线性极化系数较大的介质称为非线性极化系数较大的介质称为非线性介质非线性介质原子内部的原子内部的平均场强：平均场强：44第44页，本讲稿共46页三）非线性光学现象的解释三）非线性光学现象的解释与入射光同频率的光与入射光同频率的光光学倍频光学倍频（optical frequency doubling)光学整流光学整流(optical rectification)1.若若演示演示倍频倍频45第45页，本讲稿共46页直流项直流项基频项基频项倍频项倍频项和、差项和、差项2.若若波动结束波动结束46第46页，本讲稿共46页