光学4F系统244.pdf

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1、光学 4f 系统 1.4f 系统简介 4f 系统是一种特殊的、应用较广的光学系统。当输入两束相干的偏振光时，经过特殊的光学装置，余弦光栅、变换平面等，使输入的光在屏幕上产生衍射谱。精密的横向移动余弦光栅，可以连续的改变两束光的衍射级数的相位差，达到衍射光强相减或相加的目的。最简单的来说就是：有两个焦距为 f 的透镜，相距 2f，物距为 f，相距也为 f，所以是 4f 系统。只有距离大于 4f 的系统才能做变焦系统。系统如图 1-1 所示，图 1-1 L1、L2 为一对已很好消像差的透镜，其焦距相等，同轴共焦地放置。待处理的物理放在 L1 的前焦面（x0，y0）上。（x1，y1）是 L1 的后焦

2、面也是 L2 的前焦面。（x1，y1）是整个系统的频谱面或称为变换平面。（x2，y2）是系统的像平面。用相干平行光入射到置于物平面（x0，y0）上的平面物体上，例如放置一正交光栅。则在频谱面（x1，y1）上便出现光栅的频谱，一组呈正交分布的，分立有一定扩展的频谱分量，在象平面（x2，y2）上出现光栅的象。4f 系统的变换过程，使人们可以物理地实现对光信息进行频谱分析和在频域进行处理。只要在频谱面（即变换平面）上，加入一定形状的滤波器，阻止某些频率的信息通过，或使某些频率引进一定的相位变化，就可以按照人们的需要提取某些信息，改造象的结构，获得需要的输出图像，所以 4f 系统又称为光学计算机，广泛

3、用于空间滤波，特征识别等光学信息处理实验中。2.4f 系统在飞秒激光器中的应用 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，是目前在实验室条件下所能获得的脉宽最窄的脉冲。它以其极高的时间、空间分辨率，极高的峰值功率在基础科学和技术科学中都有着广泛的应用。由于通过压缩获得的超短脉冲往往有很宽的基座，或者对脉冲的形状也有特定的要求，因此需要通过整形技术对脉冲进行整形。目前，许多方面都已经应用飞秒脉冲整形系统，产生特定形状的光脉冲。利用 4f 系统进行飞秒脉冲整形的基本原理是频域和时域是互为傅里叶变换的，所需要的输出波形可有滤波实现。图 2-1 是脉冲整形的基本装置，它是由一对衍射光栅、一对透镜和一个脉冲整

4、形模板组成的 4f 系统。超短激光脉冲照射到光栅和透镜上被色散成空间上互相分离的光频成分。在两透镜中间位置上插入一块空间模式的模板或可编程的空间光调制器，以此调制空间色散的各光频成分的振幅和相位。光栅和透镜对可以看作是零色散脉冲压缩结构。图 2-1 飞秒脉冲整形装置 短脉冲中的各光频成分由第一个衍射光栅实现色散分离，然后在第一个透明的焦平面聚焦成一个小的、衍射有限的光斑。这里的各光频成分在一维方向上空间分离，从光栅上反射后在不同角度散开，在经过第一个透镜，于其后焦平面上实现了空间分离。第一个透镜实现了一次傅里叶变换，而第二个透镜和光栅则把这些分离的所有频率成分重新组合成一个简单的相互碰撞的光束

5、。这样就得到了一个整形输出脉冲，这个输出脉冲的形状由两个透镜之间所插入的空间光调制器的调制方式决定。第一个透镜实现第一个光栅平面到模板平面之间的傅里叶变换，第二个透镜实现模板平面到第二个光栅平面之间的傅里叶变换。这两个连续的傅里叶变换的效应是，如果两个透镜之间没有放置脉冲整形模板，则输入脉冲穿过这个系统后是不变的。透镜组在这里要满足零色散的条件，因此两个透镜应是经过特殊设计、对于输入脉冲的光谱是无色差的。SLM 是液晶空间光调制器。3.另一种脉冲整形系统 目前还有一种常见的飞秒脉冲整形系统，它由 4 个棱镜组成。系统如图 3-1所示。图 3-1 飞秒激光脉冲经过第一个棱镜，棱镜将不同波长的光按照不同的角度折射出去，长波长成分与短波长成分具有明显的光程差，此时通过两个对称的棱镜，如上图二、三棱镜所示，短波长光比长波长光折射角度大，这样腔内光脉冲中不同波长的光对应不同的行进光程，这样就相当于进行了色散补偿，最后经过第四棱镜输出脉冲。我们可以采取调整棱镜对间距和棱镜插入量来进行色散补偿。