第八节现代光学系统.ppt

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1、第八节 现代光学系统,激光光学系统 傅里叶变换光学系统 扫描光学系统 光电光学系统,一、激光光学系统,1、激光的物理基础-受激辐射 受激吸收 ：当外来光子的能量大于或等于原子的两个能级差时，就会把原子从低能态激发到高能态。 自发辐射（荧光）：处于高能态的原子在没有受到外来光子作用而自发地返回低能级，并同时发出光辐射的过程。 受激辐射 ：在能量相应于两个能级差的外来光子作用下，会诱导处于高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出数量加倍的光子，即光被放大了。这正是产生激光的基本过成。受激发射的光子与入射光子频率、相位相同，偏振方向和传播方向也相同。因此由受激发射跃迁所产生的光子具有很好的相干性和方向

2、性。,按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、自发辐射、受激辐射三种跃迁过程。,在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。 如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。 光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。 若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，就得到被高度放大的光。 在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规律。因此，位于高

3、能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。,受激吸收和受激辐射之间的关系,2、产生激光的先决条件,在热平衡条件下 ，受激吸收能量大于受激发射能量。要实现受激发射能量大于受激吸收能量，必须使高能态的原子数目多于低能态的原子数目，即粒子数反转。首先是原子能级起码要具有三级，即原子能级系统中要有亚稳态存在，其次运用外界激发方式实现粒子数反转。,在激光器中，激光工作物质是产生光辐射和放大的物质基础，激光跃迁上、下能级之间的自发发射是激光器中光辐射信号的初始来源，光信号的放大是通过该两能级间的受激辐射来实现。,激光器工作原理,3、激光器的三大要素

4、工作物质 工作物质是指能够产生受激辐射的材料，可以是气体、液体、固体或半导体 。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。 最基本的要求是：光学性质均匀、光学透明性良好且性能稳定、量子效率较高、具有亚稳态能级等。,谐振腔： 也称共振腔，是指光子可在其中来回振荡的光学腔体。 形式：平-平腔，平-凹腔 作用： 1、提供光学正反馈，让光辐射不断地在工作物质中往返传播，受激辐射强度不断增强，最终达到和维持激光振荡。 2、对腔体内振荡光束的方向、频率、场的空间分布的限制作用,在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是

5、将入射的光全部按原路径反射回去，部分反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的、经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达到一定的限度，从部分反射镜片中输出。,泵浦源：激励源，是指向工作物质供给能量的能源，依靠它把工作物质中的原子、分子从基态激发到高能态，并形成粒子数反转。这种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运 。 常用的泵浦方式有： 电子注入：二极管激光器（LD)；

6、光学泵浦：固体激光器、光纤激光器、染料激光器等； 气体放电泵浦：离子激光器、原子或分子气体激光器、金属蒸气激光器等； 粒子束泵浦：高压气体激光器； 化学泵浦：可分为直接泵浦、能量转移泵浦和光分解泵浦；,4、激光光束（高斯光束）的特性 激光作为一种光源，其光束截面内的光强分部是不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅A与光束截面半径r 的函数关系为：,5、高斯光束的传播 高斯光束传播中的三个重要参数： 高斯光束的截面半径(z)； 高斯光束的波面曲率半径R(z) ； 高斯光束的位相因子；,结论：,高斯光束的传播与同心光束的传播不同，同心光束的传播只有一个曲率半径参数，而高斯光束的传播必须

7、由两个参数（R(z) 和 (z) ）来表征。,高斯光束的束腰半径0是光束截面最小处的光束截面半径，我们称其为高斯光束的束腰。高斯光束在均匀的透明介质中传播时，其光束截面半径(z) 与z不成线性关系。,结论：高斯光束在传播过程中，光束波面的曲率半径由无穷大逐渐变小，达到最小后又开始变大，直至达到无限远时变成无穷大。,高斯光束的波面曲率半径：,高斯光束的发散角,（1）高斯光束的聚焦,结论：要想获得良好的聚焦光点，通常应尽量采用短 焦距透镜。,6、高斯光束的聚焦与准直,（2）高斯光束的准直,二、 傅里叶变换光学系统,1. 平面波的复振幅分布和空间频率,2. 夫琅和费衍射和傅里叶变换,3. 傅里叶变换

8、与光学信息处理,1 平面波的复振幅分布和空间频率,空间频率：把一个在空间呈正弦或余弦分布的物理量在某个方向上单位长度内重复的次数称为该方向上的空间频率。 波矢量为k的单色平面波在空间的复振幅分布可以表示为：,空间频率的意义： 由于光波在k方向上每走一个 l 行程，位相变化2p，因此，每间隔一个 l 就出现一个等位相面，在z=z0平面上一簇垂直于k的平行直线。,空间周期：,z0,dx,dy,2 夫琅和费衍射和傅里叶变换,1)夫琅和费衍射和傅里叶变换的联系,（11-39）,（11-40）,（11-41）,常数因子，可以忽略,二次因子，在求强度分布时被自动消去。,夫琅和费衍射装置,A. 有限光学孔径

9、将入射的光衍射到各个方向，每个方向都可以看成一个平面波分量。这些平面波被透镜汇聚在焦平面的能量大小，可以反映出此分量波在整个衍射波中所占的比重。,2)夫琅和费衍射的物理意义,B. 焦平面上不同的点对应着不同平面波的传播方向，如（x, y) 点对应的平面波在x 方向的空间频率为：,因此，在夫朗合费衍射 中u，v恰好是平面光波在 x , y 方向的空间频率。这些平面波各点权重与它们会聚在焦面上的光强成正比。,数学与物理：方波函数与方孔衍射,在数学上： 方波函数可以分解成无穷基频的和。,在光学上： 方孔的夫琅和费衍射，是将一个有限光波衍射成无穷个方向传输的平面光波。,通过物面产生的衍射平面光波空间频

10、率来分析物面结构的方法就是傅里叶光学研究的内容。,总结： 夫琅和费衍射可以用傅里叶变换这个数学工具来描述。,由于衍射光波与复振幅函数 E( x,y ) 是密切相关的，因此，通常用衍射出的平面光波的空间频率分布反映物面的结构。,注意： 平面光波的方向用它在x , y ，z 轴的空间频率来描述。,3 傅里叶变换与光学信息处理,光学信息处理是以二维图像作为媒介来进行图像的识别、图像的增强与恢复、图像的传输与变换、功率谱分析等。,由光学透镜组成那个的相干光学处理系统，可简单迅速地完成二维图像的傅里叶变换运算。,1、傅里叶变换光学系统4f 光学变换系统,P：输入面（物面）；F：频谱面；P 输出面（像面）

11、。,在相干光学信息处理中，此系统称为 4f 系统。,从物平面P到频谱面F，第一次夫琅和费衍射：,当物体在透镜的前焦面上时，在透镜的后焦面上得到准确的傅里叶变换，衍射场即为频谱面。,C0 是光束走过 2f 距离产生的位相延迟。,从频谱面F到像面P（输出面） ，第二次夫琅和费衍射：,定理：,同样，从 F 面P到也是准确的傅里叶变换，但坐标方向相反，在像面上得到原物体得像，只是物像倒置。,任何一个光波（例如通过透明图片的光波）都可以看成是一系列平行光的叠加。并且在一般情况下，这些平行光的振幅、相位和传播方向各不相同。但是这些平行光和原光波之间满足傅里叶变换，这些不同方向的平行光，则称为原光波的空间谱

12、。,平行光经过理想透镜后，将在透镜的后焦面上汇聚成一点，它在焦平面上的位置与入射方向形成对应关系。不同方向的平行光落在后焦平面的不同位置上。后焦平面上的光波，恰好是前焦平面上光波的傅里叶变换。,在一定条件下，障碍物处的光场分布和通过障碍物后的光场分布之间，满足傅里叶变换的关系。,2、 阿贝成像理论与波特实验,1）、阿贝成像理论,物平面,频谱面,像面,采用相干光波垂直照明物体，可以把物体看成一个复杂的衍射光栅，衍射光波在透镜的后焦面形成物体的夫琅和费衍射图样。,事实上光波在传播中还要物镜孔径的限制，经过第二次衍射才能传播到像面。把后焦面上的点看作相干的次级波源，发出惠更斯子波，在像面相干叠加产生

13、物体的像。 由于物镜大小的限制，物体的频率分量只有一部分参与成像，其中一些高频成分被丢失，因而产生像的失真，即影响像的清晰度或分辨率。 因此光学系统的作用类似于一个低通滤波器，滤掉了物体的高频成分，这正是任何光学系统不能传递全部细节的根本原因。,结论： 第一次夫琅和费衍射是物体的复振幅分布被分解而得到其空间频谱，第二次夫琅和费衍射是频谱中所有的傅里叶频谱分量在像面叠加而综合成像的复振幅分布。,2）、波特实验,频谱面,物面,像面,在频谱面放置狭缝、圆屏等掩模版来改变物面的频谱，从而观察像面发生的变化，这一过程成为空间滤波。这些掩模版称为空间滤波器。,图象滤波（1）,4、光学信息处理,图象滤波（2

14、）水平狭缝光栏,图象滤波（3）垂直狭缝光栏,图象滤波（4）低通滤波,图象滤波（5）基频滤波,3、傅里叶变换物镜 为了获得清晰的夫琅和费衍射图像和正确的傅里叶变换关系，傅里叶变换物镜应对光瞳位置校正球差和慧差，对物面位置校正球差、彗差、像散和场曲，其像差公差应达到衍射极限，即波像差不大于/4。,采用双胶合或双分离形式，可使正弦差和球差得到很好的校正。但由于轴外像差的存在，其视场角和相对孔径一般较小。,采用两组对称的反远距透镜组，使得物镜的主面位置外移，使得物像方焦点距离小于焦距；相应能处理的物面和频谱面尺寸变大；有利于校正物镜的像面弯曲和其它轴外像差，但结构复杂、造价高。,采用双胶合或双分离形式

15、，可使正弦差和球差得到很好的校正。但由于轴外像差的存在，其视场角和相对孔径一般较小。,采用两组对称的反远距透镜组，使得物镜的主面位置外移，使得物像方焦点距离小于焦距；相应能处理的物面和频谱面尺寸变大；有利于校正物镜的像面弯曲和其它轴外像差，但结构复杂、造价高。,三、 扫描光学系统,光束传播方向随时间 变化而改变的光学系统称其为扫描光学系统。 1、扫描方程式 表征扫描特性的参数：扫描系统的孔径大小D、孔径的形状因子a和最大扫描角。 扫描系统的极限分辨角：,2、光学扫描系统,优点：物镜口径相对较小，且扫描物镜只要求校正轴上点像差。 缺点：扫描像面为一曲面，不利于图像的接收与转换。,3、扫描物镜-f

16、物镜 对等角速度扫描的光束，若要通过扫描物镜在垂直于光轴的像平面上等速扫描成像，其扫描物镜所得到的像高变为f ，即与光束入射角呈线性关系。 f物镜的成像关系与普通光学系统的成像关系不相同，普通物镜的理想像高为y=ftg，与角呈非线性关系。,大多数f物镜属大视场小相对孔径的像方远心光学系统，因此必须校正轴外点像差。,轴上点,轴外点,多片分离式的负弯月形物镜,光焦度的分配为负-正-负形式，前两组正负焦距和间隔满足总的光焦度要求，第三组为负组，位于像面附近，有利于满足像方远心光路的要求。,四、光电检测系统,光源,1、光电监测系统原理框图,在CCD光电检测系统中，CCD传感器的参数选择与被检测物体的成

17、像放大率和测量精度有关。,例 某一光电检测系统采用2048线阵CCD作为光电检测系统的传感器，每个像素大上为14m，假设成像系统放大率为0.5，求被检测物的最大尺寸以及光电检测系统的测量精度。,CCD器件的有效光敏元长度为：,被检测物的最大尺寸：,光电检测系统的测量精度：,解：,表征照明系统传递光能量大小的拉赫不变量J1为： J1=n1u1y1 表征成像物镜传递光能量大小的拉赫不变量J2为： J2=n2u2y2 为使照明系统均匀地照射物镜L3的整个视场，且使光线能充满物镜L3的数值孔径角，照明系统的拉赫不变量变大于成像系统的拉赫不变量，即有： J1 J2,1、光在光导纤维中的传播 1、光纤的结

18、构和类型 光纤是光导纤维（光学纤维）的简称，它是一种用透明的光学材料（如石英、玻璃、塑料等）拉制而成的用于传输光的圆柱型光波导。 纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定作用。,五、 阶跃型光纤光学系统,在纤芯和包层横截面上，折射率剖面的两种典型分布： 阶跃折射率光纤：纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变； 渐变（梯度）折射率光纤：纤芯的折射率n(r)不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而减少，渐变到等于包层折射率值。 共同点：纤芯的折射率n1n(r)大于包层折射率n2； 不同点：阶跃折射率光纤可以使光波在纤芯和包层的交界面上

19、形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；渐变折射率光纤可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播。,光纤的结构参数 光纤尺寸：纤芯直径和包层外径 数值孔径NA：表示光纤集光能力大小。数值孔径越大，光纤的集光能力就越强，所能够进入光纤的光通量就越多。 相对折射率差：表示纤芯和包层之间相对折射率差的一个参数： 归一化频率（或结构参量）V：是与光纤中能够传输的模式数有关的参数。一般当V2.4时，光纤只能传输单一模式；当V2.4时，将传输多种模式。 折射率分布：对于阶跃折射率光纤其整个纤芯中折射率是常数n1；对梯度折射率光纤，其纤芯截面的径向折射率n(r

20、)呈渐变型分布。,2、阶跃型光纤光学系统 光在阶跃型光纤中传播 光纤的数值孔径： 当光纤的直径不变、且不弯曲光纤时：,当单根光纤被弯曲成曲率为R的圆弧状时：,阶跃型光纤的传光、传像特性 光纤束是把许多单根光纤的两端用胶紧密地粘贴在一起，做成不同长度和不同截面形状与大小的光纤元件。 光纤束既可作为传光束，又可作为传像束，传光束是用来传递光能，传像束用来传递图像。 （一）传光束 要求光纤束应具有一定的光能透射比，影响光纤束光能透射比的主要因素为光纤束的端面反射损失、内芯材料吸收、内芯与外包皮的界面反射损失、光纤束的填充系数的数值孔径； （二）传像束 作为传输图像的传像束，其重要是指标是其传输图像的分辨率，它与组成传像束的单根光纤直径、光纤束的排列方式和排列紧密程度有关。,阶跃型光纤系统,把传像束的输入端和输出端的光学系统相连接,3、梯度折射率光纤 根据折射率分布形式可分为： 径向梯度折射率分布：在光轴的横截面径向方向上折射率是变化的，且相对光轴成旋转对称变化。具有自聚焦作用。 轴向梯度折射率分布：其折射率是沿光轴方向变化的，但在与光轴垂直的横截面上折射率是均匀的。 球形梯度折射率分布：折射率是以一点为对称而变化的，等折射面为一球面。,径向梯度折射率光纤,