光學(xué)濾波與體全息光存儲實驗報告

1、光學(xué)濾波與體全息光存儲實驗報告一、 實驗?zāi)康?. 學(xué)習(xí)掌握光學(xué)信息處理的基本原理和實驗技巧；2. 了解體全息存儲的基本原理和方法；3. 理解光折變晶體體全息存儲過程中動態(tài)光柵建立的過程；4. 了解體全息存儲光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)器件的作用，掌握鄰面入射（即90°入射）傅里葉變換譜面全息記錄及再現(xiàn)光路系統(tǒng)的搭建和調(diào)試；5. 掌握體光柵角度選擇性的測量方法及角度復(fù)用存儲實驗系統(tǒng)，體會體全息存儲的優(yōu)勢和實現(xiàn)大容量存儲的途徑。二、 實驗原理1. 阿貝成像與空間濾波根據(jù)阿貝成像理論，如圖1所示，相干成像過程分兩步完成，物體通過透鏡后形成一系列衍射斑，即物體的空間頻譜圖樣，各衍射斑作為新的次波源發(fā)出球

2、面波，在像面上互相疊加，形成物體的像。通過改變譜面上的信息，可以使像產(chǎn)生所希望的變換。4f系統(tǒng)（如圖2）是最典型的空間濾波及光信息處理系統(tǒng)，實驗中通過在譜面位置放置不同的遮光屏可實現(xiàn)空間濾波以及相應(yīng)的信息處理。圖1 阿貝成像原理傅里葉變換光學(xué)圖像處理頻譜濾波物平面焦平面像平面L1L2ffff圖2 4f系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在光學(xué)信息處理系統(tǒng)中，空間濾波器是位于空間頻率平面上的一種吸收膜片，它可以減弱或去掉某些空間頻率成份，改變輸入信息的空間頻譜，從而實現(xiàn)對輸入信息的某種變換，得到我們所希望的改變了的像函數(shù)。這種對圖像作處理的方法稱之為空間濾波?？臻g濾波器的透過率函數(shù)一般是復(fù)函數(shù) H(,)=A(,)exp j

3、(,) 根據(jù)透過率函數(shù)的性質(zhì)，空間濾波器可以分為以下幾種： 1、 二元振幅濾波器這種濾波器的復(fù)振幅透過率是0或1。由二元振幅濾波器所作用的區(qū)間又可以細(xì)分為：1) 低通濾波器，它只允許位于頻譜面中心及其附近的低通分量通過，去掉頻譜面上離光軸較遠(yuǎn)的高頻成份從而濾掉高頻噪音，由于僅保留了離軸較近的低頻成份，因而圖像細(xì)結(jié)構(gòu)消失；2) 高通濾波器，它阻擋低頻分量而允許高頻成份通過，可以實現(xiàn)圖像的襯度反轉(zhuǎn)或邊緣增強，所以圖像輪廓明顯。若把高通濾波器的擋光屏變小，僅濾去零頻成份，則可除去圖像中的背景，提高圖像質(zhì)量； 3) 帶通濾波器，它只允許特定空間的頻譜通過，可以去除隨機噪聲；4) 方向濾波器，它僅通過（

4、或阻擋）特定方向上的頻譜分量，可以突出某些方向特征。2、 振幅濾波器 這種濾波器僅改變各頻譜成份的相對振幅分布，而不改變其相位分布，通常是使感光片上的透過率變化正比于函數(shù)A(,)，從而使光場的振幅得到改變。為了作到這一點，必須按一定的函數(shù)分布來控制底片的曝光量分布。3、 相位濾波器它只改變空間頻譜的相位，不改變它的振幅分布。由于不衰減入射光的能量，具有很高的光學(xué)效率。這種濾波器通常用真空鍍膜的方法得到，但由于工藝方法的限制，要得到復(fù)雜的相位變化是很困難的。4、 復(fù)數(shù)濾波器這種濾波器對各種頻率成份的振幅和相位都同時起調(diào)制作用，濾波函數(shù)是復(fù)函數(shù)。它的應(yīng)用很廣泛，但難于制造。1963年范德拉格特用全

5、息方法綜合出復(fù)數(shù)空間濾波器，1965年羅曼和布勞恩用全息技術(shù)制作成復(fù)數(shù)濾波器，從而克服了制作空間濾波器的重大障礙。本實驗中所用濾波器為第一種，即二元振幅型濾波器。2. 全息存儲原理1、 體全息存儲基本原理典型的鄰面透射式全息存儲構(gòu)成原理如圖3所示，待存儲的數(shù)據(jù)（數(shù)字或模擬圖像）經(jīng)空間光調(diào)制器SLM（Spatial Light Modulator）上載到物光中，形成二維信息頁，然后與參考光在記錄介質(zhì)中發(fā)生干涉，利用記錄材料的光化學(xué)反應(yīng)形成體全息光柵，完成信息的記錄，如圖3（a）所示；讀出時使用與記錄過程中相同的參考光照明全息圖，可以再現(xiàn)存儲的全息圖，然后使用光信號探測器件如CCD（Charge

6、Coupled Device）讀出圖像并傳送給計算機，如圖3（b）所示。 圖3 體全息存儲的記錄和讀出原理圖（a） 記錄過程（b）讀出過程2、 傅里葉（Fourier）變換譜面全息存儲在眾多全息記錄方式中，為了實現(xiàn)均勻的物像信息再現(xiàn)，通常采用傅里葉變換譜面全息存儲方式。Fourier變換譜面全息存儲結(jié)構(gòu)是一個典型的4-f系統(tǒng)，如圖4所示，物體位于Fourier變換透鏡前焦面，在后焦面記錄全息圖。再現(xiàn)時探測器放置于逆Fourier變換透鏡的后焦面，再現(xiàn)像與物圖像的比例取決于兩個透鏡的焦距。圖4 傅里葉變換譜面全息記錄結(jié)構(gòu)三、 實驗儀器1. MGL100mw，532nm綠激光器2. 2套：顯微物鏡

7、針孔小孔光闌準(zhǔn)直透鏡3. 2個：Fourier透鏡(焦距范圍為150mm200mm,)4. 物1：空間光調(diào)制器(1024x768)PC電腦5. 物2：鑒別率板一塊6. 物3：透明膠片，棋盤格圖樣7. 探測器：CCD探測器(800x600)PC電腦8. 記錄材料：鈮酸鋰（LiNbO3）晶體9. 偏振片2個10. 532nm波長半波片2個11. 衰減器兩片12. 連續(xù)衰減器1個13. 光闌若干個14. 濾波器：光闌、狹縫、透明膠片、大頭針、黑紙等15. 反射鏡3個16. 升降臺、旋轉(zhuǎn)臺、檔板、黑白屏若干17. 532nm偏振分光棱鏡1（PBS）1塊激光器激光器電源物鏡2針孔準(zhǔn)直鏡2PBS物鏡1準(zhǔn)直

8、鏡1電腦1電腦2晶體CCDIFTFTSLMf1f1f2f2反射鏡1反射鏡2121/2波片（） 衰減器 1/2波片四、 實驗方案圖5 實驗系統(tǒng)圖實驗系統(tǒng)置于光學(xué)平臺上，原理示意圖如圖6所示。光源為MGL-型全固態(tài)激光器，波長532nm，輸出功率200mW。激光器發(fā)出的光束由衰減器衰減后，通過一塊1/2波片，再經(jīng)偏振分光棱鏡（PBS）分為兩路線偏振光：反射光束1（參考光束，偏振方向垂直于光學(xué)平臺）經(jīng)反射鏡1反射偏轉(zhuǎn)90°，經(jīng)物鏡1和準(zhǔn)直鏡1組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)擴束后，由反射鏡2反射再偏轉(zhuǎn)90°，射向記錄晶體（摻鐵鈮酸鋰（LiNbO3）晶體）。透射光束2（物信號光，偏振方向平行于光學(xué)平

9、臺）經(jīng)過物鏡2和準(zhǔn)直鏡2組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)擴束，其中在物鏡2的焦點處安裝一個直徑10m的針孔濾波器，以消除衍射帶來的光場強度不均勻。擴束后的準(zhǔn)直光，經(jīng)過光軸與實驗平臺呈45°角的1/2波片后，其偏振方向偏轉(zhuǎn)90°，由平行于光學(xué)平臺改為垂直，從而與參考光束一致，以滿足干涉條件。此光束照射空間光調(diào)制器（SLM），SLM是一個1024×768象素的透射型小液晶顯示屏，可實時顯示電腦1傳來的屏幕圖像。SLM與傅立葉變換透鏡FT、記錄晶體、逆傅立葉變換物鏡IFT、CCD攝像頭共同組成一個4f系統(tǒng)，彼此間距分別為FT的焦距f1和IFT的焦距f2。經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后的物信號光束2

10、與參考光束1在鈮酸鋰晶體中交匯，形成干涉條紋，干涉條紋就記錄于晶體中。摻鐵鈮酸鋰（LiNbO3:Fe）光折變晶體作為全息干涉條紋的記錄材料，使用時要求晶體C軸方向與兩相干光束成45°角，以獲得最佳記錄效果。五、 實驗內(nèi)容及條件步驟1. 實驗內(nèi)容1、 光學(xué)信息處理實驗：1） 完成實驗系統(tǒng)的搭建，經(jīng)教師檢查無誤后，將三種成像物體1）鑒別率板、2）透明膠片、3）空間光調(diào)制器分別置于Fourier透鏡的前焦面，用白屏接收，在物光4f光路完成3種物圖像的頻譜和再現(xiàn)，記錄并比較各種頻譜的特征。2） 通過電腦向空間光調(diào)制器輸入各種圖形，觀察其菲涅耳與夫瑯和費衍射圖樣的特征，了解衍射頻譜分布與成像圖

11、形之間的聯(lián)系。3） 采用濾波器，對頻譜進行各種濾波，分析記錄濾波后的再現(xiàn)圖像特征，可以用白屏、CCD或遠(yuǎn)場墻面。4） 用CCD分別采集三種物體1）鑒別率板、2）透明膠片、3）空間光調(diào)制器的像、譜及濾波后的圖（并注明用的什么濾波器），存為圖像文件。2、 體全息圖像存儲及復(fù)用實驗：1） 體全息圖像存儲實驗：調(diào)整好CCD接收光路，加入?yún)⒖脊猓瑢⒕w放置到干涉光路中，將鑒別率板圖像記錄到晶體中。靜置一段時間后，用黑屏遮擋參考光束，通過CCD觀察晶體中是否記錄了圖像。如果記錄了一幅圖像，然后進行角度復(fù)用實驗：在同一位置旋轉(zhuǎn)晶體至衍射的記錄圖像消失，再記錄第二幅圖像。記錄角度復(fù)用的間隔。2） 將原物的像和

12、存儲后再現(xiàn)的像用CCD采集，存儲為圖像文件。3） 參與實驗的同學(xué)繪出實驗光路簡圖和尺寸，各種透鏡、物和晶體的參數(shù)，并將所采集的圖像文件拷貝，或網(wǎng)絡(luò)傳輸。以備課后完成實驗報告用。4） 討論：如何改進該實驗系統(tǒng)？該實驗系統(tǒng)可以應(yīng)用于什么地方？請在實驗報告中提出你的初步方案。5） 自行設(shè)計和選做其他實驗。例如采用空間光調(diào)制器生成不同物圖像，然后進行濾波。2. 實驗系統(tǒng)調(diào)節(jié)與實驗步驟1） 放置光學(xué)元件：按照圖5放置各光學(xué)元器件，調(diào)節(jié)其高度，使所有的光學(xué)器件大致等高共軸（先不放置晶體）。2） 激光器調(diào)節(jié)：打開激光器，在遠(yuǎn)處和近處分別放一孔徑光闌，按照方法“行程近點調(diào)節(jié)位置，行程遠(yuǎn)點調(diào)節(jié)角度”，而且調(diào)節(jié)角

13、度可以使激光光點的位置移動到目標(biāo)位置的另一側(cè)（可以是對稱點，也可以不是），可以加快調(diào)節(jié)速度（如圖6所示，這樣調(diào)節(jié)，最終光線與導(dǎo)軌夾角是收斂的，即光線收斂于理想的虛線位置，且比始終對準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式收斂得快）。激光器位置 靶位置1 靶位置2 圖6 激光水平快速調(diào)節(jié)方法示意圖3） 針孔調(diào)節(jié)：先將針孔取下，調(diào)節(jié)整個顯微物鏡高度和孔徑位置，使得激光通過物鏡中心，在后面能看到刺眼亮斑，且光線水平。放入針孔（本實驗使用的針孔為25m針孔），一邊縮小物鏡與小孔的距離，一邊調(diào)節(jié)小孔位置，使得后面呈現(xiàn)明亮的衍射光斑，且光斑位置在激光器同一高度，直至后面只剩下主極大衍射光斑（圓形均勻亮斑）。4） 透鏡及其他元件調(diào)節(jié)：

14、依次調(diào)節(jié)光學(xué)元器件，使從PBS出射的兩束光偏振態(tài)為垂直偏振（S光），調(diào)節(jié)物鏡1，準(zhǔn)直鏡1及物鏡2，準(zhǔn)直鏡2，使準(zhǔn)直鏡后的光束均勻且光斑大小不變，調(diào)節(jié)載物臺位置，使其中心點處于傅里葉變換透鏡的后焦點與逆變換透鏡的前焦點交匯處，調(diào)節(jié)反射鏡使物光與參考光交匯在載物臺中心。每一個元件調(diào)節(jié)步驟：光斑處于透鏡或反射鏡中心處，反射光能原路返回，以此保證激光垂直透過光學(xué)表面。5） 調(diào)偏振和功率比：偏振光通過光學(xué)元件后偏振態(tài)會發(fā)生改變，為了使物光和參考光偏振方向一致，需要利用檢偏器來檢驗入射到晶體表面的參考光主偏振方向，在將檢偏器放在物光后面，在前面加入半波片，調(diào)節(jié)偏振方向與參考光一致。最后，調(diào)節(jié)激光器出光口后

15、的半波片，使參考光、物光光功率大致相等。6） 用擋光片遮住參考光，完成濾波實驗，并記錄光譜和圖像。7） 加入晶體，使兩束光相交在晶體中適當(dāng)位置。注意：晶體在記錄光柵前不能被強光曝光，否則會影響后面記錄光柵的質(zhì)量，所以調(diào)光路的時候要將晶體取下或是在激光器出口處加衰減器，并總是要擋掉物、參其中的一束光。實驗過程中應(yīng)注意保護晶體（防劃傷碎裂），用正確的方法拿取晶體（取拿晶體的時候要戴軟質(zhì)材料制作的手套，嚴(yán)禁用手直接接觸晶體的四個拋光表面，否則會留下指紋，影響成像質(zhì)量）。晶體上若有灰塵或其他的臟物可用丙酮擦洗。晶體光軸方向為沿45°指向倒角棱。正確擺放晶體位置，使形成的干涉條紋面方向和晶軸方

16、向垂直。8） 完成體全息存儲圖像，并記錄圖像。六、 實驗結(jié)果與分析1. 空間濾波實驗1） 鑒別率板圖7為鑒別率板濾波結(jié)果，可以看到帶通濾波保留相應(yīng)空間頻率的信息，而低通濾波只保留了大輪廓的信息，而細(xì)節(jié)則丟失，表現(xiàn)為細(xì)節(jié)不可見。圖8為頻譜面上的頻譜圖。圖7 鑒別率板濾波結(jié)果（左上：原圖；右上：豎直通過；左下：右斜45°通過；右下：小孔低通濾波）圖8 鑒別率板頻譜圖2） 幻燈片圖9為幻燈片的頻譜，解調(diào)后的圖像見第二部分內(nèi)容。圖9 幻燈片頻譜圖3） SLM圖10為SLM的頻譜圖，內(nèi)容為4個字“清華大學(xué)”，圖像見第二部分。圖10 SLM 頻譜圖2. 體全息存儲實驗1) 鑒別率板圖11 鑒別率

17、板全息存儲結(jié)果（左邊為原圖，右邊為存儲結(jié)果，下同）從圖11中會發(fā)現(xiàn)水平方向頻譜信息較多，表現(xiàn)為數(shù)值的條紋較清楚。后面實驗中，我們將晶體轉(zhuǎn)一個角度則發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果。另外一組同學(xué)的結(jié)果則沒有這種情況，不同的是，他們的晶體較長。這里猜測是參考光與物光交疊的空間的有限大小本身對光譜進行了空間濾波導(dǎo)致。圖12是將晶體旋轉(zhuǎn)一個小角度，同時將物旋轉(zhuǎn)一個角度，得到的另一幅圖，驗證了角度復(fù)用。圖12 鑒別率板全息存儲結(jié)果（左邊為原圖，右邊為存儲結(jié)果，下同）2) 幻燈片圖13 幻燈片全息存儲結(jié)果3) SLM圖14 SLM全息存儲結(jié)果七、 改進設(shè)想及實驗體會實驗中，實驗裝置的條件占主要工作，尤其是器件位置和高度的調(diào)

18、節(jié)，如果能將整個光路置于帶標(biāo)尺的一維移動臺上，則整個系統(tǒng)精度和條件效率都將提高不少。晶體不僅可以實現(xiàn)角度復(fù)用，也可以實現(xiàn)位置多用，畢竟參考光和物光的交疊大小較整個晶體而言是有限的，實驗中沒有去驗證不同空間位置的存儲。光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是及其復(fù)雜困難的，往往一個器件的失誤就要推到重來，所以高效完成整個調(diào)節(jié)過程的要義就是“有備無患”，提前摸清整個調(diào)節(jié)流程和調(diào)節(jié)方法，就像前面步驟中所述。另外，在實驗過程中，要注意不能隨便改變某一個元件的位置，否則會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成實驗結(jié)果的不理想。最后，小組兩個人或三個人的配合也是很重要的，對條件過程和方法要保持一致的意見，否則各自為營只能導(dǎo)致調(diào)節(jié)的失敗。八、

19、思考題1）如何將點光源變?yōu)槠叫泄?？將點光源置于一個準(zhǔn)直透鏡的物方焦點處即可在透鏡后獲得平行光，若要獲得較均勻的光斑，可再加入一個帶針孔的倒置開普勒望遠(yuǎn)鏡擴束器。把準(zhǔn)直鏡放到一定位置使擴束鏡處于準(zhǔn)直鏡的前焦面上，然后在準(zhǔn)直鏡后放一擋板，不斷前后縱向移動擋板，觀察擋板上圓形光斑的到大小是不是發(fā)生變化，如果發(fā)生變化，就再前后移動準(zhǔn)直鏡的位置，再前后移動擋板，觀察圓形光斑的大小，如果變化，重復(fù)以上工作，直到光斑大小不發(fā)生變化位置。（2）如何在光路中加入透鏡？在合適的位置加入透鏡并用眼睛觀察，調(diào)節(jié)其位置，使透鏡與其他光學(xué)元件的中心大致在一條直線上，再用擋板觀察并比較離開透鏡不同距離處的光斑大小，微調(diào)透鏡

20、的俯仰、高度、左右位置等，使得各個位置光斑的中心和加入透鏡前的位置相同，即透鏡與前面已加入的光學(xué)元件共軸。（3）全息記錄存儲對光學(xué)偏振有什么要求？如何通過光學(xué)元器件控制光的偏振態(tài)？全息記錄存儲要求使用兩路偏振方向相同的線偏振光進行干涉。半波片可以改變線偏振光的偏振方向，偏振分束器可以將一個方向的線偏振光分解為兩個相互垂直方向的偏振光。（4）要實現(xiàn)高質(zhì)量的圖像存儲，體全息光存儲實驗系統(tǒng)對參考光束和記錄光束的光強有何要求？如何調(diào)整兩路光強的比例？高質(zhì)量的圖像存儲要求干涉條紋的對比度較高，即要求參考光束和記錄光束的光強接近，通過調(diào)節(jié)激光器后的半波片來改變?nèi)肷涞絇BS上的線偏振光的偏振方向，從而改變參考光束和記錄光束的光強比例。（5）記錄傅里葉變換全息圖時為什么要有一定的離焦量？參考光光強為什么要比物光光強強？由于位于透鏡后焦面上的光強過于集中，物光波的高頻部分和低頻部分的強度與參考光強度之比不一樣，使再現(xiàn)像的質(zhì)量下降。因此，為提高再現(xiàn)像的質(zhì)量，在實際的存儲中，多采用離焦法。由于物光經(jīng)過的光學(xué)元件比參考光多，而且經(jīng)過傅里葉變換透鏡后，物光的低頻保留，高頻損失較多，因而參考光光強比物光光強強。（6）兩塊Fourier成像物鏡在實驗系統(tǒng)中的作用是什么？傅里葉變換透鏡用于將物光轉(zhuǎn)換為其頻譜，在透鏡的后焦面上與參考光干涉并記錄在