現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)教案資料

現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)

在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。

如果想獲得越來越強的光，也就是說產(chǎn)生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。光子對于高低能級的原子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產(chǎn)生受激輻射的機會和低能級的原子產(chǎn)生受激吸收的機會是相同的。是否能得到光的放大就取決于高、低能級的原子數(shù)量之比。

若位于高能態(tài)的原子遠遠多于位于低能態(tài)的原子，就得到被高度放大的光。在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級的分布服從玻爾茲曼分布規(guī)律。因此，位于高能級的原子數(shù)總是少于低能級的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。受激吸收和受激輻射之間的關(guān)系2、產(chǎn)生激光的先決條件在熱平衡條件下，受激吸收能量大于受激發(fā)射能量。要實現(xiàn)受激發(fā)射能量大于受激吸收能量，必須使高能態(tài)的原子數(shù)目多于低能態(tài)的原子數(shù)目，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。首先是原子能級起碼要具有三級，即原子能級系統(tǒng)中要有亞穩(wěn)態(tài)存在，其次運用外界激發(fā)方式實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在激光器中，激光工作物質(zhì)是產(chǎn)生光輻射和放大的物質(zhì)基礎(chǔ)，激光躍遷上、下能級之間的自發(fā)發(fā)射是激光器中光輻射信號的初始來源，光信號的放大是通過該兩能級間的受激輻射來實現(xiàn)。激光器工作原理3、激光器的三大要素工作物質(zhì)工作物質(zhì)是指能夠產(chǎn)生受激輻射的材料，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。最基本的要求是：光學(xué)性質(zhì)均勻、光學(xué)透明性良好且性能穩(wěn)定、量子效率較高、具有亞穩(wěn)態(tài)能級等。諧振腔：也稱共振腔，是指光子可在其中來回振蕩的光學(xué)腔體。形式：平-平腔，平-凹腔作用：

1、提供光學(xué)正反饋，讓光輻射不斷地在工作物質(zhì)中往返傳播，受激輻射強度不斷增強，最終達到和維持激光振蕩。

2、對腔體內(nèi)振蕩光束的方向、頻率、場的空間分布的限制作用

在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的、經(jīng)過放大了的激光；而被反射回工作介質(zhì)的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，直到能量達到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。

泵浦源：激勵源，是指向工作物質(zhì)供給能量的能源，依靠它把工作物質(zhì)中的原子、分子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，并形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。常用的泵浦方式有：電子注入：二極管激光器（LD)；光學(xué)泵浦：固體激光器、光纖激光器、染料激光器等；氣體放電泵浦：離子激光器、原子或分子氣體激光器、金屬蒸氣激光器等；粒子束泵浦：高壓氣體激光器；化學(xué)泵浦：可分為直接泵浦、能量轉(zhuǎn)移泵浦和光分解泵浦；

4、激光光束（高斯光束）的特性激光作為一種光源，其光束截面內(nèi)的光強分部是不均勻的，即光束波面上各點的振幅是不相等的，其振幅A與光束截面半徑r的函數(shù)關(guān)系為：光束波面的振幅A呈高斯函數(shù)分布

5、高斯光束的傳播高斯光束傳播中的三個重要參數(shù)：高斯光束的截面半徑ω(z)；高斯光束的波面曲率半徑R(z)

；高斯光束的位相因子；結(jié)論：高斯光束的傳播與同心光束的傳播不同，同心光束的傳播只有一個曲率半徑參數(shù)，而高斯光束的傳播必須由兩個參數(shù)（R(z)

和ω(z)

）來表征。高斯光束的束腰半徑ω0是光束截面最小處的光束截面半徑，我們稱其為高斯光束的束腰。高斯光束在均勻的透明介質(zhì)中傳播時，其光束截面半徑ω(z)

與z不成線性關(guān)系。結(jié)論：高斯光束在傳播過程中，光束波面的曲率半徑由無窮大逐漸變小，達到最小后又開始變大，直至達到無限遠時變成無窮大。高斯光束的波面曲率半徑：高斯光束的發(fā)散角（1）高斯光束的聚焦結(jié)論：要想獲得良好的聚焦光點，通常應(yīng)盡量采用短 焦距透鏡。6、高斯光束的聚焦與準直（2）高斯光束的準直二、傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)1.平面波的復(fù)振幅分布和空間頻率2.夫瑯和費衍射和傅里葉變換3.傅里葉變換與光學(xué)信息處理1平面波的復(fù)振幅分布和空間頻率空間頻率：把一個在空間呈正弦或余弦分布的物理量在某個方向上單位長度內(nèi)重復(fù)的次數(shù)稱為該方向上的空間頻率。波矢量為k的單色平面波在空間的復(fù)振幅分布可以表示為：空間頻率的意義：由于光波在k方向上每走一個l行程，位相變化2p，因此，每間隔一個l就出現(xiàn)一個等位相面，在z=z0平面上一簇垂直于k的平行直線?？臻g周期：z0dxdy2夫瑯和費衍射和傅里葉變換1)夫瑯和費衍射和傅里葉變換的聯(lián)系（11-39）（11-40）（11-41）常數(shù)因子，可以忽略二次因子，在求強度分布時被自動消去。夫瑯和費衍射裝置A.有限光學(xué)孔徑將入射的光衍射到各個方向，每個方向都可以看成一個平面波分量。這些平面波被透鏡匯聚在焦平面的能量大小，可以反映出此分量波在整個衍射波中所占的比重。2)夫瑯和費衍射的物理意義B.焦平面上不同的點對應(yīng)著不同平面波的傳播方向，如（x,y)

點對應(yīng)的平面波在x方向的空間頻率為：因此，在夫朗合費衍射

中u，v恰好是平面光波在x,y方向的空間頻率。這些平面波各點權(quán)重與它們會聚在焦面上的光強成正比。數(shù)學(xué)與物理：方波函數(shù)與方孔衍射在數(shù)學(xué)上：方波函數(shù)可以分解成無窮基頻的和。在光學(xué)上：方孔的夫瑯和費衍射，是將一個有限光波衍射成無窮個方向傳輸?shù)钠矫婀獠ā?/p>

通過物面產(chǎn)生的衍射平面光波空間頻率來分析物面結(jié)構(gòu)的方法就是傅里葉光學(xué)研究的內(nèi)容?？偨Y(jié)：夫瑯和費衍射可以用傅里葉變換這個數(shù)學(xué)工具來描述。由于衍射光波與復(fù)振幅函數(shù)E(x,y)是密切相關(guān)的，因此，通常用衍射出的平面光波的空間頻率分布反映物面的結(jié)構(gòu)。注意：平面光波的方向用它在x,y

，z軸的空間頻率來描述。3傅里葉變換與光學(xué)信息處理光學(xué)信息處理是以二維圖像作為媒介來進行圖像的識別、圖像的增強與恢復(fù)、圖像的傳輸與變換、功率譜分析等。由光學(xué)透鏡組成那個的相干光學(xué)處理系統(tǒng)，可簡單迅速地完成二維圖像的傅里葉變換運算。1、傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)——4f光學(xué)變換系統(tǒng)P：輸入面（物面）；F：頻譜面；P’輸出面（像面）。在相干光學(xué)信息處理中，此系統(tǒng)稱為4f系統(tǒng)。-fxyf’-ff’y’x’輸入面頻譜面L2L1輸出面相干平行光光學(xué)信息處理4f系統(tǒng)從物平面P到頻譜面F，第一次夫瑯和費衍射：當(dāng)物體在透鏡的前焦面上時，在透鏡的后焦面上得到準確的傅里葉變換，衍射場即為頻譜面。C0是光束走過2f距離產(chǎn)生的位相延遲。從頻譜面F到像面P’（輸出面），第二次夫瑯和費衍射：定理：同樣，從F面P′到也是準確的傅里葉變換，但坐標方向相反，在像面上得到原物體得像，只是物像倒置。

任何一個光波（例如通過透明圖片的光波）都可以看成是一系列平行光的疊加。并且在一般情況下，這些平行光的振幅、相位和傳播方向各不相同。但是這些平行光和原光波之間滿足傅里葉變換，這些不同方向的平行光，則稱為原光波的空間譜。平行光經(jīng)過理想透鏡后，將在透鏡的后焦面上匯聚成一點，它在焦平面上的位置與入射方向形成對應(yīng)關(guān)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葉變換。在一定條件下，障礙物處的光場分布和通過障礙物后的光場分布之間，滿足傅里葉變換的關(guān)系。2、阿貝成像理論與波特實驗

1）、阿貝成像理論物平面頻譜面像面采用相干光波垂直照明物體，可以把物體看成一個復(fù)雜的衍射光柵，衍射光波在透鏡的后焦面形成物體的夫瑯和費衍射圖樣。

事實上光波在傳播中還要物鏡孔徑的限制，經(jīng)過第二次衍射才能傳播到像面。把后焦面上的點看作相干的次級波源，發(fā)出惠更斯子波，在像面相干疊加產(chǎn)生物體的像。由于物鏡大小的限制，物體的頻率分量只有一部分參與成像，其中一些高頻成分被丟失，因而產(chǎn)生像的失真，即影響像的清晰度或分辨率。因此光學(xué)系統(tǒng)的作用類似于一個低通濾波器，濾掉了物體的高頻成分，這正是任何光學(xué)系統(tǒng)不能傳遞全部細節(jié)的根本原因。結(jié)論：

第一次夫瑯和費衍射是物體的復(fù)振幅分布被分解而得到其空間頻譜，第二次夫瑯和費衍射是頻譜中所有的傅里葉頻譜分量在像面疊加而綜合成像的復(fù)振幅分布。2）、波特實驗頻譜面物面像面在頻譜面放置狹縫、圓屏等掩模版來改變物面的頻譜，從而觀察像面發(fā)生的變化，這一過程成為空間濾波。這些掩模版稱為空間濾波器。圖象濾波（1）4、光學(xué)信息處理圖象濾波（2）水平狹縫光欄圖象濾波（3）垂直狹縫光欄圖象濾波（4）低通濾波圖象濾波（5）基頻濾波3、傅里葉變換物鏡為了獲得清晰的夫瑯和費衍射圖像和正確的傅里葉變換關(guān)系，傅里葉變換物鏡應(yīng)對光瞳位置校正球差和慧差，對物面位置校正球差、彗差、像散和場曲，其像差公差應(yīng)達到衍射極限，即波像差不大于λ/4。采用雙膠合或雙分離形式，可使正弦差和球差得到很好的校正。但由于軸外像差的存在，其視場角和相對孔徑一般較小。采用兩組對稱的反遠距透鏡組，使得物鏡的主面位置外移，使得物像方焦點距離小于焦距；相應(yīng)能處理的物面和頻譜面尺寸變大；有利于校正物鏡的像面彎曲和其它軸外像差，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高。采用雙膠合或雙分離形式，可使正弦差和球差得到很好的校正。但由于軸外像差的存在，其視場角和相對孔徑一般較小。采用兩組對稱的反遠距透鏡組，使得物鏡的主面位置外移，使得物像方焦點距離小于焦距；相應(yīng)能處理的物面和頻譜面尺寸變大；有利于校正物鏡的像面彎曲和其它軸外像差，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高。

三、掃描光學(xué)系統(tǒng)

光束傳播方向隨時間變化而改變的光學(xué)系統(tǒng)稱其為掃描光學(xué)系統(tǒng)。1、掃描方程式表征掃描特性的參數(shù)：掃描系統(tǒng)的孔徑大小D、孔徑的形狀因子a和最大掃描角θ。掃描系統(tǒng)的極限分辨角：

2、光學(xué)掃描系統(tǒng)優(yōu)點：物鏡口徑相對較小，且掃描物鏡只要求校正軸上點像差。缺點：掃描像面為一曲面，不利于圖像的接收與轉(zhuǎn)換。

3、掃描物鏡----fθ物鏡對等角速度掃描的光束，若要通過掃描物鏡在垂直于光軸的像平面上等速掃描成像，其掃描物鏡所得到的像高變?yōu)閒’θ，即與光束入射角θ呈線性關(guān)系。fθ物鏡的成像關(guān)系與普通光學(xué)系統(tǒng)的成像關(guān)系不相同，普通物鏡的理想像高為y’=f’tgθ，與θ角呈非線性關(guān)系。大多數(shù)fθ物鏡屬大視場小相對孔徑的像方遠心光學(xué)系統(tǒng)，因此必須校正軸外點像差。軸上點軸外點多片分離式的負彎月形物鏡光焦度的分配為負-正-負形式，前兩組正負焦距和間隔滿足總的光焦度要求，第三組為負組，位于像面附近，有利于滿足像方遠心光路的要求。

四、光電檢測系統(tǒng)光源照明系統(tǒng)被測物體成像系統(tǒng)CCD器件放大電