光信息专业基础实验2讲义(09级使用)_1.doc

光信息专业基础实验光信息专业基础实验 讲义讲义 09 光信息科学与技术专业光信息科学与技术专业 佛山科学技术学院佛山科学技术学院 光电信息与技术实验室编写 1 实验一实验一 全息光栅的制作全息光栅的制作 全息光栅作为一种重要的分光元件 近年来在光全息 光通信 光互连 光交换 光计算等方面获得了广泛的应用 与刻划光栅相比 全息光栅具有没有鬼线 杂散光 少 分辨率高 适用光谱范围宽 有效孔径大 生产效率高 衍射效率高 成本低廉 和易于制作等突出优点 另外 全息法制作光栅的特点主要体现在以下几点 1 光路的 排布灵活 适合制作不同空间频率的光栅 2 光栅尺寸可做得很大 3 制作效率高 4 若制作正交正弦光栅 全息法则更显优越 正是因为这些优点使全息光栅在光栅的研 制中独领风骚 1 光栅质量的好坏取决于栅条的平行性和等周期性 单色均匀平面波 是制作全息光栅的理想用光 2 全息光栅中使用较多的有黑白光栅和正弦光栅 亮度按矩形函数变化的光栅称为 黑白光栅 亮度按正弦函数变化的周期图形叫做正弦光栅 见图 2 1 a 和 b 图 2 1 a 黑白光栅 b 正弦光栅 a b 实验目的实验目的 1 掌握空间频率较低的全息平面光栅的制作原理与方法 2 学会在全息台上光学元件的共轴调节技术 扩束与准直的基本方法 熟练地获 得和检验平行光 3 学会测定全息光栅的空间频率 预备问题预备问题 1 什么是光栅常数 什么是空间频率 什么是线性曝光 什么曝光情况下获得正弦光栅 什么情况下获得黑白光栅 了解正弦光栅和黑白光栅的衍射图样有何不同 实验仪器实验仪器 光学防震平台 He Ne 激光器 定时器 50 分束镜 平面镜 全息干板 像屏 底片夹 透镜 显影 定影用具 读数显微镜等 2 实验原理实验原理 两列同频率的相干平面光波以一定夹角相交时 在两光束重叠区域将产生干涉现 象 如图 2 2 a 所示 在 z 0 的 x y 平面 该平面垂直于纸面 上将接收到一组平 行于 y 轴的明暗相间的直条纹 其光强分布和条纹间距分别为 2 1 2 2 式中 1 2 分别为两束相干光与 x y 平面的法线夹角 1 2 为两束光的会聚 角 当两束光对称入射即 1 2 时 有 2 3 2 sin2 d 令为干涉条纹的空间频率 则 2 4 2sin 21 d 如果在 z 0 处平行于 x y 平面放置一块全息干板 如图 2 2 b 所示 则经曝光 显影 定影等处理后 即可获得一张全息光栅 当空间频率 比较小时 称之为低频 全息光栅 图 2 2 两束平行光干涉 1 实验光路实验光路 本实验采用马赫 曾德尔干涉光路 如图 2 3 所示 它主要由两块 50 的分束器 BS1 BS2和两块全反射镜 M1 M2组成 四个反射面互相平行 中心光路构成一个平 sin sin 2 cos1 2 210 xII 2 1 cos 2 1 sin2 1 sinsin 2121 21 d 3 行四边形 扩束镜 C 和准直透镜 L 共焦后产生平行光 为了提高平行光的质量还可以 在 C 和 L 的公共焦点处加上针孔滤波器 E 在 C 和 L 间适当位置加入光阑 D 平行 光射到 BS1上分成两束 这两束光经过 M2 M3反射后在 BS2上相遇发生干涉 在 BS2后面的白屏 或毛玻璃屏 P 上可观察到干涉条纹 如果条纹太细可用显微镜来 观察 干涉条纹为等距直条纹 用记录介质放在干涉场中记录条纹 经曝光 显影 定影等处理后就得到低频全息光栅 图 2 3 马赫 曾德尔干涉光路 2 空间频率的估算空间频率的估算 由式 2 3 可以看出 干涉条纹的间距 d 是由两光束的会聚角 决定的 改变 角便可获得不同光栅常数的光栅 当 比较小时 d 因此 只要测出 便可估算光栅的空间频率 具体办法是将透镜 L0放在两光束重叠区 则两光束 在 L0的后焦面上会聚成两个亮点 如图 2 4 所示 若两亮点间的距离为 x0 透镜焦 距为 f 则两光束的会聚角 可表示为 x0 f 光栅的空间频率为 2 f x0 5 4 图 2 4 估算光栅空间频率的光路 实验内容及步骤实验内容及步骤 1 调节激光光束平行于工作台面 用自准直法调整各光学元件表面与激光束主线垂直 2 按图 2 3 光路依次加入光学元件 调整好马赫 曾德尔干涉光路 使两光束到达 P 屏的光程相等 调节 M1和 BS2使两光束在 P 屏处重合 3 调节扩束镜 C 和准直透镜 L 使之产生平行光 4 实验要求制作 mm 和 mm 光栅各一块 按要求预先计算出两光束在透镜 L0的后焦面上形成的两亮点间的距离 x0 5 屏 P 处放入透镜 L0 使其与光束 共轴 然后调整 BS2的方位 使两个亮点沿水平 方向拉开到预定距离 x0 x0值可用钢尺或读数显微镜测量 6 撤去透镜L0 关闭光开关 将全息干板置于P屏处 稳定数十秒钟后进行曝光 注 意控制曝光时间 当经显影 定影 水洗干燥后得到全息光栅 曝光处于全息干版的 线性感光区内 得到的是正弦型全息光栅 7 用激光束垂直照射全息光栅 用一白纸在光栅后方空间观察衍射图样 8 测出自制全息光栅的空间频率 并与设计值相比较 注意事项注意事项 1 眼睛不能直接对着激光观察 观察光斑时应将激光束照射在白屏上进行观察 2 光学元件通光表面应保持清洁 切勿用手 布片 纸片等擦拭 3 拍摄前几分钟及整个曝光时间内 人员必须离开全息台并保持静止 以防止震动 确保全息照相在稳定状态下进行 思考题思考题 1 怎样的曝光条件可以得到正弦型全息光栅 5 2 用激光束正入射照明正弦型全息光栅 得到的衍射图样会有什么特点 3 设计一个拍摄全息光栅的光路 希望能减少光学元件的使用 参考文献参考文献 1 类成新 李凤灵 全息光栅实验系统的制作 山东理工大学学报 自然科学版 21 6 2007 78 80 2 黄德康 曹望和 朱茂华等 高质量全息光栅的制作 光学技术 28 3 2002 255 256 注释 鬼线 光栅是刻有大量等距刻痕的光学元件 在刻制过程中 刻痕位置稍有差错 就会明显影响光 栅的光学效果 刻机周期性重复出现的误差 使光程差发生相应的变化 用这样的光栅所形成的光 谱 往往在每根强度谱线两侧伴随有一系列杂乱的弱线 这就叫 罗兰鬼线 简称 鬼线 实验二实验二 电光调制及声光调制电光调制及声光调制 在外加电场的作用下 晶体的折射率发生变化 此现象称为电光效应 在输入光 强恒定时 晶体外加随时间变化的调制电信号 则输出光强随调制信号电压变化而变 化 该现象称为电光调制 电光调制响应时间很短 10 10s 在激光通信 激光测距 激光调Q 光学处理等方面得到了广泛的应用 实验目的实验目的 1 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2 观察电光调制实验现象 并测量电光晶体的参数 3 实现模拟信号光通讯 预备问题预备问题 1 什么是普克尔电光效应 什么是横向电光调制 2 什么是电光晶体的半波电压 如何测量 3 光通信中 铌酸锂晶体的工作点应选在调制曲线的什么位置 如何实现 实验实验仪器仪器 光学导轨 起偏器 检偏器 4 波片 He Ne 激光器及电源 铌酸锂 LiNbO3 晶体 电光调制信号源 硅光电探测器 有源音箱 MP3 声音源 双踪示波器 实验实验原理原理 1 1 电光效应电光效应 通常 电场E 引起折射率n 的变化用下式表示 1 2 0 bEaEnn 6 式中a和b为常数 n0为E 0时的折射率 由一次项aE引起 折射率变化的效应称为线性电光效应或普克尔电光效应普克尔电光效应 pokells 由二次项bE2 引起折射率变化的效应称为二 次电光效应或克尔效应克尔效应 kerr 一次电光效应只存在于 不具有对称中心的晶体中 二次电光效应则可能存在于任 何物质中 一次效应要比二次效应显著 晶体在外加电场作用时 折射率椭球的三个主轴位置 和长度随与外加电场E的大小和方向及晶体的性质发生变 化 晶体的电光效应分为横向电光效应和纵向电光效应横向电光效应和纵向电光效应两 种 电场方向与光的传播方向平行时产生的电光效应称为纵向电光效应 以 KDP 晶体 为代表 电场方向与光的传播方向垂直时产生的电光效应称为横向电光效应 以 晶体为代表 3 LiNbo 光在各向异性晶体中传播时 不同方向光的折射率不同 通常用折射率椭球来描 述折射率与光的传播方向 振动方向的关系 在本实验中 我们只做 LiNbO3晶体 横向调制实验 铌酸锂晶体属于三角晶系 3m 晶类 主轴 z 方向有一个三次旋 转轴 光轴与 z 轴重合 是单轴晶体 折射率椭球是旋转椭球 其表达式为 2 1 2 2 2 0 22 2 2 2 2 2 2 ezyx n z n yx n z n y n x 式中n0和ne分别为晶体寻常光和非常光的折射率 如图1所示 加上电场后折射率 椭球发生畸变 当 x轴方向加电场 光沿 z轴方向传播时 垂直于光轴 z轴方向的 折射率椭球截面由圆变为椭圆 晶体由单轴晶变为双轴晶 此截面椭圆方程为 3 12 1 1 22 2 22 2 0 2 22 2 0 xyEyE n xE n xxx 其中的称为电光系数 对上式进行主轴变换 可得到 22 4 1 1 1 2 22 2 0 2 22 2 0 yE n xE n xx 考虑到 1 经化简 有 x En 22 2 0 xx Ennn 22 3 00 2 1 xy Ennn 22 3 00 2 1 ez z nnn 图 1 折射率椭球 y Z nx x nZ ny 7 5 此时折射率椭球截面的椭圆方程简化为 1 2 2 2 2 yx n y n x 6 由式 5 看出 铌酸锂晶体在 X 轴向加电场后 新折射率椭球绕 z 轴转动了 450 转角大小与外加电场的大小无关 而椭圆的长度与外加电场成线性关系 当光沿晶体光轴 z 方向传输时 经过长度为 l 的晶体后 x y 方向的偏振光产生 的位相差为 7 d l Vnlnn xoyx22 3 2 2 式中d为晶体在 x 方向的尺寸 Vx为加在晶体x方向的电压 当 光程差 2 时 晶体所加的电压称为 半波电压半波电压 以 V 表示 由式 7 得半波电压为 8 ln d V o22 3 2 将式 8 代入 7 得相位差为 9 x V V 由式 7 看出 铌酸锂晶体横向电光效应产生的位相差不仅与外加电压 Vx成正 比 还与晶体长度比 l d 有关 因此 在实际运用中 为了减小 Vx 通常使 l d 较大 即晶体被加工成细长的扁长方体 2 2 电光调制电光调制 图 2 为横向电光调制原理图 起偏器的偏振方向平行于 X 轴 检偏器平行于 Y 轴 因此入射光经起偏器后变为平行于 X 轴的线偏振光 它在铌酸锂晶体的感应轴 x 和 y 相对 x y 轴旋转 45o 投影的振幅和位相均相等 则位于晶体表面 z 0 的 光波可表示为 10 AEx 0 AE y 0 所以 入射光的强度为 2 2 2 2 0 0 AEEI yx i 11 8 图 2 电光强度调制原理 当光通过长为 l 的铌酸锂晶体后 x 和y 两分量之间产生相位差 即 i yx AelEAlE 12 通过检偏振片出射的光 是该两分量在y 轴上的投影之和 13 1 2 1 45cos iio ty e A eAE 输出光强 It可写成 14 2 sin2 1 1 2 22 2 Aee A EEI ii tytyt 所以光强 的透过率T为 15 2 sin 2 i t I I T 将式 9 代入式 15 则 sin 2 sin 0 2 tVV V T m 16 式中 V0是加在铌酸锂晶体的直流偏压 Vmsin t 是交流调制信号 Vm是振幅 是调 制信号频率 从式 16 看出 透过率T随加在晶体两端的电压 V0或 Vm变化而变化 这就是电光 强度调制的原理 T与 V0或 Vm 是非线性关系 若工作点选择不适合 会使输出信号发生畸变 3 3 调调制制信信号号对对光光输输出出特特性性 的的影影响响 1 当 V0 V 2 Vm V 时 工作点选定在调制曲线线性区 中心 可获 得线性调制 如图 3 a 所示 把 V0 V 2 代入式 16 可得 sin1 2 1 t V V T m 17 9 从式 17 看出 T 50 调制器输 出信号和调制信号 的频率相同 为线性 调制 a b 图 3 晶体调制曲线 2 当 V0 0 Vm V 时 由式 16 可推得 2cos1 8 1 2 t V V T m 18 由式 18 看出 输出信号的频率是调制信号频率的二倍 即产生了 倍 频失真 如图 3 b 所示 3 当 V0 V Vm V 时 由式 16 可得 19 2cos1 8 1 1 2 t V V T m 由式 19 可见 T 100 输出信号的频率仍是调制信号频率的二倍 为 倍频 失真 实验内容与步骤实验内容与步骤 按图 4 放置光学元件和连接线路 在本实验中 铌酸锂晶体l 60mm d 2 5mm 电光系数 22 6 8 10 12m V n0 2 2956 ne 2 2044 激光 632 8nm 10 图 4 光路连接 激光器起偏器电光晶体1 4波片检偏器白屏光电探测器 激光电源 电光调制信号源 CH1CH2 探测 信号 解调 信号 音频 信号 示波器 CH2CH1 衰减探头 1 1 调调节节光光路路和和 观观察察晶晶体体 锥锥光光干干涉涉图图样样 移走 1 4 波片和电光晶体 利用单轴晶体锥光干涉图来调节 激光沿晶体光 轴入射 打开激光器电源 调节激光管和其他光学元件的高度和位置 使激光束 通过各光学元件的中心 固定起偏器于某个位置 如0o 旋转检偏器使其输出 消光 起偏器与检偏器的偏振轴方向垂直 由于晶体的不均匀性 在检偏振片后面放置白屏可看到一 弱光点 然后紧 靠晶体光输入端放一张镜头纸 这时在白屏 上可观察到单轴晶 体的锥光干涉图样 如图 5 所示 一个暗 十字图贯穿整个图 四周为明暗相间的同心干涉圆环 十字 形中心同时也是圆 环的中心 它对应着晶体的光轴方向 十 字形方向对应于两 个偏振片的偏振轴方向 在调节过程中要 反复微调晶体 使 干涉图样中心与光点位置重合 并尽可能 使图样对称 完整 确保光束既与晶体光轴平行 又从晶体中心穿过 然后耐心 仔细地调节晶体使干涉图样出现清晰的暗十字 且十字的一条线平行于x 轴 拍摄该锥光干涉图 光路 调节好后 锁紧滑动座固定各部件 并在后面实验中保 持光路不变 2 2 测测量量调调制制曲曲线线和和半半波波电电压压 1 1 倍倍频频法法 晶体同时加直流电压和交流信号 从零开始逐步增大直流电压 观察解调信号波形的 倍频失真 相邻两次倍频失真对应的直流电压之差即为半波 电压 U 具体方法是 按图 4 连线 信号源 音频选择 开关拨至 模拟 正弦波 的输出幅度尽可能调大 A 直流电压 V0 0 关闭高压开光 缓慢调节 晶体 图 5 锥光干涉 11 的微调螺杆 调高示波器的垂直偏转灵敏度 最高为 2mv 格 当示波器观察 到的解调信号波形频率是调制信号的两 倍时 记下直流电压 V1 拍摄调制信号 与解调信号波形 B 保持光路不变 打开 高压开光 从零开始逐步增大直流电 压 当调信号频率第二次 出现倍频失真时 拍摄 调制信号与解调信号波形 记 下直流电压 V2 由 V2 V1得到半波电压 V 并与式 8 计算的 V 理论值比较 计算相对误差 2 2 极极值值法法 晶体上只加直流电压 不加交流信号 把直流电压从小到大逐 渐改变 输出的光强将会出现极小值和极大值 相邻极小值和极大值对应的直流 电压之差即是半波电压 V 具体方法是 信号源 音频选择 开关拨至 音频 相当于 正弦波的输出 幅度为零 从零开始按 10V 步长增加晶体直流电压V 直到 250V 用数字万 用表测量信号源 解调信号 的输出电压 用 T 表示 画T V关系曲线 由图 确定半波电压的数值 V 并与式 8 计算的 V 理论值比较 计算相对误差 一般而言 极值法测得的半波电压的准确性比倍频法低 3 3 用 用1 41 4波片改变工作点 观察输出特性波片改变工作点 观察输出特性 关闭晶体的直流电压 在晶体和偏振片之间放入1 4波片 绕光轴缓慢旋转1 4波 片 当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴x y 方向时 输出光线性调制 当波片的 快慢轴分别平行于晶体的x y轴时 输出光出现 倍频 失真 1 4波片旋转一周 将出 现四次线性调制和四次倍频失真 拍摄线性调制和倍频失真时调制信号与解调信号波 形 晶体加直流偏压和采用1 4波片均可改变电光调制器的工作点和得到相同的调制效 果 但两种方法的调制机理不同 用1 4波片可免去高压电源 电路更简单 4 4 光光通通讯讯演演示示 信号源的 音频信号 接 MP3 解调信号 接有源扬声器 音频选择 开关拨至 音频 晶体加V 2 偏压或旋转 1 4 波片 使晶体进入线性 调制区 此时可听到 MP3 播放的音乐 注意 MP3 不够电时 要及时充电 改变加在 晶体上的直流电压 或旋转 1 4 波片 观察音乐 音量和音质的 变化 用不透明物挡住激光 则音乐停止 不档激光 则音乐响起 说明实现了激光通 讯 把音乐信号接到示波器上 可看到音乐波形 它是由不同频率的正弦波迭加 而成的 记录实验现象并解释 注意事项注意事项 1 本实验使用的晶体最大安全电压约为500V 超过 500V 易损坏 2 激光器电源高压约 1000V 注意安全 3 实验过程中 避免激光直射 眼睛以免伤害 12 4 实验仪所用光学器件均为精密仪 器 小心 操作 思考题思考题 1 电光晶体调制器应满足什么条件才能使输出波形不失真 工作在线性工作区 2 电光晶体横向调制有什么优点 横向电光调制的优点是半波电压低 驱动功率小 应用较为广泛 3 用1 4波片改变工作点观察调制现象时 为何只出现线性调制和倍频失真 而没有其它失真 4 如何保证激光正入射晶体的端面 怎样判断 不是正入射时有何影响 5 起偏器和检偏器既不正交又不平行时 会出现什么实验现象 参考文献参考文献 1 安毓英等 光电子技术 北京 电子工业出版社 2004 2 朱京平 光电子技术基础 北京 科学出版社 2003 实验三实验三 光学传递函数的测量和成像系统像质评价光学传递函数的测量和成像系统像质评价 光学成像系统是信息传递的系统 光波携带输入图像的信息从物平面传播到像平 面 输出像的质量完全取决于光学系统的传递特性 理想成像要求物平面与像平面之 间一一对应 实际中 点物不能成点像 其原因就是通过成像系统后像质会变坏 传 13 统的光学系统像质评价方法是星点法和鉴别率法 但它们均存在自身的缺点 1 20 世纪 50 年代 霍普金斯 H H Hopkins 提出了光学传递函数的概念 其 处理方法是将输入图像看作由不同空间频率的光栅组成 通过研究这些空间频率分量 在系统传递过程中丢失 衰减 相移等变化的情况 计算出光学传递函数的值并作出 曲线来表征光学系统对不同空间频率图像的传递性能 这种方法是一种比较科学和全 面的评价成像系统成像质量的方法 现在人们广泛用传递函数作为像质评价的判据 使质量评价进入客观计量 实验目的实验目的 1 了解传递函数测量的基本原理 掌握传递函数测量和成像质量评价的近似方法 2 通过对不同空间频率的矩形光栅成像的方法 测量透镜的调制传递函数 预备问题预备问题 1 什么是光学成像 为什么会产生成像失真 2 传统的评价成像质量好坏的方法有哪些 它们有何优缺点 3 25lp mm 的光栅表示什么意思 实验仪器实验仪器 实验系统的基本组成 硬件包括 三色面光源 目标板 待测透镜和 CCD 软件包括 图像采集软件 调制传递函数计算软件 图 5 1 传递函数实验装置 三色面光源 目标板 待测透镜 CCD 实验原理实验原理 任何二维物体 g x y 都可以分解成一系列沿 x 方向和 y 方向的不同空间频率 vx vy 的简谐函数 物理上表示正弦光栅 的线性叠加 yxyxyx dvdvyvxvivvGyxg 2exp 14 5 1 式中 vx vy 是物体函数 g x y 的傅里叶谱 它表示物体所包含的空间频率 vx vy 的成分含量 其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓 高频成分则表征物 体的细节 当该物体经过光学系统后 各个不同频率的正弦信号发生两种变化 首先是对比 度下降 其次是相位发生变化 而相应的 vx vy 变为像的傅里叶谱 这一 yx vvG 综合过程可表示为 5 2 式中 H vx vy 称为光学传递函数 它是一个复函数 可以表示为 5 3 它的模 m vx vy 被称为调制传递函数 modulation transfer function MTF 相位部分 vx vy 则称为相位传递函数 phase transfer function PTF 对像的傅里叶谱 再作一次逆变换 就得到像的复振幅分布 yx vvG 5 空间频率是用一种叫 光栅 的目标板来测试 它的线条从黑到白逐渐过渡 见 图 5 2 图 5 2 正弦光栅及其规一化光强分布 a 调制度 m 1 b 调制度 m 1 1 0 1 0 相邻的两个最大值的距离是正弦光栅的空间周期 单位是毫米 空间周期的倒数 就是空间频率 Spatial Frequency 单位是线对 毫米 lp mm 正弦光栅最亮处与最暗 处的差别 反映了图形的反差 对比度 设最大亮度为 Imax 最小亮度为 Imin 我们用 yxyxyx vvHvvGvvG yxyxyx dvdvyvxvivvGyxg 2exp yxyxyx vvjvvmvvH exp 15 调制度 Modulation 表示反差的大小 调制度 m 定义如下 5 很明显 调制度介于 0 和 1 之间 图 5 2 a 表示 m 1 的情况 图 5 2 b 表示 m 1 的情况 显然 调制度越大 反差越大 当最大亮度与最小亮度完全相等时 反差完 全消失 这时的调制度等于 0 光学系统的调制传递函数表示为给定空间频率情况下 像和物的调制度之比 5 MTF vx vy 表示在传递过程中调制度的变化 一般说 MTF 越高 系统的像越清晰 显然 当 MTF 1 时 表示像包含了物的全部信息 没有失真 但由于光波在光学系 统孔径上发生的衍射以及像差 包括光学元件设计中的余留像差及装调中的误差 信 息在传递过程中不可避免要出现失真 总的来讲 空间频率越高 传递性能越差 除 零频以外 MTF 的值永远小于 1 平时所说的光学传递函数往往就是指调制度传递函 数 MTF 图 5 3 给出一个光学镜头的 MTF 曲线 图 5 3 光学镜头的 MTF 曲线 本实验用 CCD 对矩形光栅的像进行抽样处理 测定像的归一化的调制度 并观 察离焦对 MTF 的影响 一个给定空间频率下的满幅调制 调制度 m 1 的矩形光栅目标物如图 5 4 a 所示 横坐标是光栅的分布 纵坐标是规一化光强分布 如果光学系统生成无失真像 则抽 样的结果只有 0 和 1 两种数据 像仍为矩形光栅 如图 5 4 b 在软件中对像进行抽 样统计 其直方图为一对 函数 位于 0 和 1 如图 5 4 c 横坐标是规一化光强从 0 1 纵坐标是对应于光强值的统计结果 yx yxi yx vvm vvm vvMTF 0 minmax minmax II II m 16 a b c 图 5 4 a 满幅调制 调制度 m 1 的矩形光栅目标函数 b 对矩形光栅的无失真像进行抽样 样点用 表示 c 直方图统计 由于衍射及光学系统像差的共同效应 实际光学系统的成像不再是矩形光栅 如 图 5 5 a 所示 波形的最大值 Imax和最小值 Imin的差代表成像的调制度 对图 5 5 a 所示图形实施抽样处理 其直方图见图 5 5 b 找出直方图高端的极大值 mH和低端 极大值 mL 它们的差 mH mL近似代表在该空间频率下的调制传递函数 MTF 的值 为了比较全面地评价系统的像质 除了要测量出高 中 低不同频率下的 MTF 还应 测定不同视场下的 MTF 曲线 Amax Amin a b mH mL 图 5 5 a 对矩形光栅的不完善像进行抽样 抽样点用 表示 b 直方统计图 镜头是照相机的关键部件 用MTF曲线可以定量评价镜头成像质量的优劣 图5 6 是照相机镜头随频率 变化的两条MTF函数曲线 两个镜头系统I和II的截止频率 当 17 某一频率的对比度下降至零时 说明该频率的光强分布已无亮度变化 即把该频率叫 截止频率 I和 II不同 I II 但曲线在 低频部分的值较 大得多 对摄影而言 曲线 的 MTF值大于曲线 说明镜头 较镜头 有较高的分辨率 且镜头 在低 频部分有较高的对比度 用镜头 能拍摄出层次丰富 真实感强的图像 由于人眼的 对比度阈值大约为0 03 在图8 6中MTF 0 03处 曲线 的MTF值大于 曲线 说明镜 头 用作目视系统较镜头 有较高的分辨率 在实际评价成像质量时 不同的使用目 的 其MTF的要求不一样 但镜头的MTF值越接近1 镜头的性能越好 图 5 6 镜头的 MTF 曲线图 实验内容及步骤实验内容及步骤 参照光路示意图调整光路 将各部件固定到导轨上 调节目标板 待测透镜 CCD 同轴等高 将 CCD 与图像采集卡相连 打开图像采集软件 确定 CCD 和图像采集卡工作是 否正常 用 CCD 在成像系统 或透镜 的像平面接收 调节目标板的位置 使目标板在 显示器屏幕中得到相对清晰的放大像 一个条纹单元完整充满软件的显示窗口 目标板上有不同空间频率的矩形光栅 每个单元由水平条纹 竖直条纹 全黑 全白四个部分组成 选择想要测量的空间频率的条纹单元 移动目标板使该单元移到 光路中心 点击软件窗口左侧的 局部存储 按钮 此时整个图像静止 屏幕上会出现一红色 方框 按住鼠标左键将该方框拖至水平条纹部分 双击方框内部 将所采集图像的数 据文件起名并保存至 Mcad 文件夹中 文件后缀为 prn 不变 如此如此依次再将竖直条 纹部分 全白部分 全黑部分采集并保存至 Mcad 文件夹中 应保证红色方框跨三条 以上的明暗条纹 运行 Mcad 文件夹中的 MTF new MCD 文件 将先前保存在 Mcad 文件夹中的水 平 竖直 白 黑的 4 个文件名分别粘贴 18 在 MTF new MCD 文件相应位置的引号内 该程序将会自动处理 并在最后给出水平 方向和竖直方向的图文并茂的处理过程和 MTF 值 目标板上共有四种空间频率可供测量对比 光源分别发出红 绿 蓝三色光 可以用来分别测出三种波长光照明下的 MTF 值 按照以上实验过程 可以完成待测透镜的 MTF 曲线的测量 思考题思考题 1 通过网络了解光学传递函数 调制传递函数在照相机镜头上的应用 2 根据实验得到的待测透镜的 MTF 曲线 分析此透镜的性能 参考文献参考文献 1 吕乃光 傅里叶光学 第 2 版 北京 机械工业出版社 2006 2 大恒新纪元科技股份有限公司 数字式光学传递函数测量和透镜像质评价 实验讲义 3 J W Goodman Introduction to Foufier optics McGRAW HILL New York 1968 4 G W Boreman Transfer function techniques in Handbook of Optics vol II Chapter 32 M Bass E W Van Stryland D R Williams W L Wolfe Eds McGRAW HILL 1995 19 附录附录 数字式光学传递函数测量和透镜象质评价实验用 CCD 对矩形光栅的像进行抽样处 理 测定像的归一化调制度 并观察离焦对 MTF 的影响 以下给出纵向视场中 相同 波长 相同频率的单色蓝光分别在四种不同空间频率下所得到的数据 1 空间频率为 10 的矩形光栅作目标物 2 空间频率为 25 的矩形光栅作目标物 3 空间频率为 50 的矩形光栅作目标物 20 4 空间频率为 80 的矩形光栅作目标物 根据以上数据 作出在纵向视场的 MTF 曲线如图 5 7 所示 图 5 7 纵向视场的 MTF 曲线 以上是四种不同空间频率下所得到的数据 表明不同空间频率下的成像效果 实 验证明了空间频率越高 MTF 值越低 成像质量越差 传递性能越差 空间频率越低 MTF 值越高 成像质量越好 传递性能越好 我们观察 MTF 曲线时 可以参考以下规 律 1 MTF 曲线越高越好 越高说明成像系统光学质量越好 综合反差和分辨率来看 MTF 曲线以下包含面积越大越好 21 2 MTF 曲线越平直越好 越平直越说明边缘与中间一致性好 边缘严重下降说明边 角反差与分辨率较低 实验四实验四 白光数字图像信息处理实验白光数字图像信息处理实验 光学信息处理技术是近 20 多年来发展起来的研究领域 在现代光学中占有重要的 位置 光学信息处理可以完成对二维图像的传输 变换 增强 恢复 彩色编码等操 作 光学信息处理的理论基础是阿贝二次衍射成像理论 阿贝成像理论认为 物体通 过透镜成像的过程是物体发出的光波经过物镜 在其后焦面上产生夫琅和费衍射的光 场分布 即第一次衍射的像 傅立叶频谱 然后该衍射像作为新的波源 由它发出的 次波在像面上干涉而构成物体的像 称为第二次衍射成像 如图 6 1 所示 许多的处 理是在频谱面上进行 图 6 1 阿贝成像理论示意图 实验目的实验目的 1 了解光学图像信息处理的基本理论和技术 2 通过实验 了解空间滤波 假彩色编码等 预备问题预备问题 1 什么是阿贝成像理论 2 了解阿贝 波特实验的原理 图 6 2 实验系统光路与装置 22 3 了解空间频谱 空间滤波等概念 实验仪器实验仪器 图 6 2 是本实验的系统光路与装置 系统包含了白光光源 溴钨灯 小孔滤波器 准直镜 输入物体 傅立叶变换透镜 频谱滤波器 场镜 彩色 CCD 彩色监视器等 实验原理实验原理 1 1 阿贝成像及空间滤波实验 阿贝成像及空间滤波实验 图6 3是利用阿贝成像原理设计的图像处理系统 为物平面 由点光源 通过透 镜形成的平行光照射此平面上的图片 衍射屏 后焦面 为变换面 在此平面上 形成图片的频谱 通过此频谱面的光在 上相干叠加生成像 为像平面 物物平平面面 频频谱谱面面 像像平平面面 1 P S 2 P 3 P 如果输入物体是一维光栅 竖条纹 在频谱面上放置一个遮光屏 只允许某些空 间频率的光信号通过 这样所得到的像就只含有和透过的空间频率相对应的光信息 可以取得原图像信息中那些人们特别感兴趣的光学信息 放在频谱面上的遮光屏起到 选频选频的作用 因而遮光屏又称为空间滤波器空间滤波器 图 6 4 a 滤波器让所有的频谱点通 过 输出面上出现与原物一样的图像 图 6 4 b 滤波器只在中央留有一个孔的遮 光屏 这样的滤波器只让 0 级通过 网格全部消失在像平面上没有呈现原图像 图 6 4 c 让 级和 级频谱通过 输出平面上看到了明暗相间的条纹 但清晰度很低 图 6 4 d 让 级和 级 级频谱通过 输出平面上看到了明暗相间的条纹 清晰度有提高 图 6 4 e 让 级和 级频谱通过 输出平面上看到的像 其周 期是物周期的一半 像的结构是余弦振幅光栅 图 6 4 f 档去 0 级 输出图像 但衬度反转 L1 图 6 3 空间滤波光路示意图 23 输出图象 空间滤波器 图6 4 各种空间滤波的输出效果 a b c d e f 调制实验调制实验 调制技术是阿贝成像原理的一种巧妙应用 它将原始像变换成为按一定角度的 光栅调制像 将该调制像置于光路中 白光通过这个物片后 将产生数条不同取向的 彩色光谱 每一条彩色光谱对应于物片上的一个部分 对于物片的不同部分截取不同 的彩色 可形成图像的彩色像 实现假彩色编码 从而得到彩色的输出像 由于这种 彩色图像是对不同角度 的光栅产生的光学信息选择的结果 所以称之为 调制 实验实验 1 光路如图 6 5 所示 按图调节各部件使它们共轴 使图像经透镜成像于毛玻 璃屏 此时图像的像不显彩色 图 6 5 调制光路 2 物片如图 6 6 a 天安门分成三分 如蓝天 红墙 黄地 以不同方向的 光栅予以调制 三部分光栅互成一定角度 水平带相应于地 竖直带相应于墙 斜带 相应于天 白光通过这个物片后 在傅里叶焦平面上会出现不同方向的彩色光谱带 如图 6 6 c 所示 每一条彩色光谱对应于物片上的一个部分 3 制作滤波器 使图像中墙所对 24 应的一级光谱中红光能透过 地所对应的一级光谱中黄光能透过 天所对应的一级光 谱中蓝光能透过 如图 6 6 d 白色区域表示透光部分 黑色表示不透光部分 将 此滤波器放在傅氏面上 使开口对准所需的色光 则在毛玻璃屏上的像呈现彩色 蓝 天 红墙 黄地 如 图 6 6 b 所示 图 6 6 调制 实验内容及步骤实验内容及步骤 1 按照空间滤波实验的要求搭光路 4f 系统 在物面位置放置彩色画片 打开白光 光源和彩色监视器开关 拿走 CCD 镜头盖 按照同轴等高的原则调节光路 使得监视 器上显示清晰的彩色图片画面 装上单色光源 正交光栅作为输入物 在平行单色光照射下 在频谱面放置不同 的滤波器改变物的频谱结构 观察像面上的输出结果并记录下来 装上白光光源 调制板作为输入物 在白光照射下 在频谱面对三个衍射方向 的一级频谱分别进行红 绿 蓝滤波 观察输出像面上出现的彩色图像 将结果记录 下来 思考题思考题 1 各种空间滤波器 低通 高通 方向 分别有什么作用 2 调制技术实验里 原图像上画上不同方向的刻线 光栅 起什么作用 参考文献参考文献 1 吕乃光 傅里叶光学 第 2 版 北京 机械工业出版社 2006 25 2 大恒新纪元科技股份有限公司 彩色编码摄影光学 数字图像信息处理 实验讲义 3 母国光 方志良等 用三色光栅在黑白感光胶片拍摄彩色景物 仪器仪表学报 1983 4 124 4 母国光等 光学 北京 人民教育出版社 1978 379 400 实验五实验五 固体激光器的倍频与调固体激光器的倍频与调 Q 技术技术 半导体泵浦固体激光器 Diode Pumped solid state Laser DPL 是以激光二极管 LD 代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器 具有效率高 体积小 寿命长等 一系列优点 在光通信 激光雷达 激光医学 激光加工等方面有巨大应用前景 是 未来固体激光器的发展方向 本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理 和调试技术 以及其调 Q 和倍频的原理和技术 实验目的实验目的 掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法 了解固体激光器倍频的基本原理 掌握固体激光器被动调 Q 的工作原理 进行调 Q 脉冲的测量 实验原理实验原理 半导体激光泵浦固体激光器工作原理 半导体激光泵浦固体激光器工作原理 上世纪 80 年代起 生长半导体激光器 LD 技术得到了蓬勃发展 使得 LD 的功率 和效率有了极大的提高 也极大地促进了 DPSL 技术的发展 与闪光灯泵浦的固体激 光器相比 DPSL 的效率大大提高 体积大大减小 在使用中 由于泵浦源 LD 的光束 发散角较大 为使其聚焦在增益介质上 必须对泵浦光束进行光束变换 耦合 泵浦 耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种 其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激 光器 具有体积小 结构简单 空间模式匹配好等优点 侧面泵浦方式主要应用于大 功率激光器 本实验采用端面泵浦方式 端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两 种方式 直接耦合 直接耦合 将半导体激光器的发光面紧贴增益介质 使泵浦光束在尚未发散开之前便 被增益介质吸收 泵浦源和增益介质之间无光学系统 这种耦合方式称为直接耦合方 式 直接耦合方式结构紧凑 但是在实际应用中较难实现 并且容易对 LD 造成损伤 间接耦合 间接耦合 指先将 LD 输出的光束进行准直 整形 再进行端面泵浦 常见的方法有 组合透镜系统聚光 用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合 自聚焦透镜耦合 由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合 优点是结构简单 准直光斑 的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径 26 光纤耦合 光纤耦合 指用带尾纤输出的 LD 进行泵浦耦合 优点是结构灵活 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直 压缩发散角 然后采用组合透 镜对泵浦光束进行整形变换 各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜 耦合效率高 本实 验的压缩和耦合如图 2 所示 LD 激光晶体 LD激光晶体组合透镜 激光晶体自聚焦透镜LDLD光纤激光晶体 1 2 3 4 图 1 半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式 1 直接耦合2 组合透镜耦合3 自聚焦透镜耦合4 光纤耦合 Nd YAGLD耦合系统电源 TEC和 散热片 快轴准直 光纤微透镜 图 2 本实验 LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图 激光晶体 激光晶体 27 图 3 Nd YAG 晶体中 Nd3 吸收光谱图 激光晶体是影响 DPL 激光器性能的重要器件 为了获得高效率的激光输出 在一定运 转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的 目前已经有上百种晶体作为增益介质实 现了连续波和脉冲激光运转 以钕离子 Nd3 作为激活粒子的钕激光器是使用最广 泛的激光器 其中 以 Nd3 离子部分取代 Y3Al5O12晶体中 Y3 离子的掺钕钇铝石榴石 Nd YAG 由于具有量子效率高 受激辐射截面大 光学质量好 热导率高 容易 生长等的优点 成为目前应用最广泛的 LD 泵浦的理想激光晶体之一 Nd YAG 晶体 的吸收光谱如图 3 所示 从 Nd YAG 的吸收光谱图我们可以看出 Nd YAG 在 807 5nm 处有一强吸收峰 我们 如果选择波长与之匹配的 LD 作为泵浦源 就可获得高的输出功率和泵浦效率 这时 我们称实现了光谱匹配 但是 LD 的输出激光波长受温度的影响 温度变化时 输 出激光波长会产生漂移 输出功率也会发生变化 因此 为了获得稳定的波长 需采 用具备精确控温的 LD 电源 并把 LD 的温度设置好 使 LD 工作时的波长与 Nd YAG 的吸收峰匹配 另外 在实际的激光器设计中 除了吸收波长和出射波长外 选择激光晶体时还需要 考虑掺杂浓度 上能级寿命 热导率 发射截面 吸收截面 吸收带宽等多种因素 端面泵浦固体激光器的模式匹配技术 端面泵浦固体激光器的模式匹配技术 图 4 是典型的平凹腔型结构图 激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜 并 作为输入镜 镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜 这种平凹腔容易形成稳定 的输出模 同时具有高的光光转换效率 但在设计时必须考虑到模式匹配问题 f L R 泵浦光激光输出 激光晶体 输出镜 图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式 如图 4 所示 则平凹腔中的 g 参数表示为 1 1 11 L g R 2 2 1 L g R 28 根据腔的稳定性条件 时腔为稳定腔 故当时腔稳定 12 01g g 2 LR 同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上 该处的光斑尺寸为 1 2 2 0 L RL 本实验中 R1为平面 R2 200mm L 80mm 由此可以算出大小 0 所以 泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该 这样可使泵浦光与基模振荡 0 模式匹配 在容易获得基模输出 半导体激光泵浦固体激光器的被动调 半导体激光泵浦固体激光器的被动调 Q 技术技术 目前常用的调 Q 方法有电光调 Q 声光调 Q 和被动式可饱和吸收调 Q 本实验采用的 Cr4 YAG 是可饱和吸收调 Q 的一种 它结构简单 使用方便 无电磁干扰 可获得 峰值功率大 脉宽小的巨脉冲 Cr4 YAG 被动调 Q 的工作原理是 当 Cr4 YAG 被放置在激光谐振腔内时 它的透过 率会随着腔内的光强而改变 在激光振荡的初始阶段 Cr4 YAG 的透过率较低 初始 透过率 随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加 当谐振腔增益等于谐振腔损 耗时 反转粒子数达到最大值 此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值 随着泵浦的 进一步作用 腔内光子数不断增加 可饱和吸收体的透过率也逐渐变大 并最终达到 饱和 此时 Cr4 YAG 的透过率突然增大 光子数密度迅速增加 激光振荡形成 腔 内光子数密度达到最大值时 激光为最大输出 此后 由于反转粒子的减少 光子数 密度也开始减低 则可饱和吸收体 Cr4 YAG 的透过率也开始减低 当光子数密度降 到初始值时 Cr4 YAG 的透过率也恢复到初始值 调 Q 脉冲结束 半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术 半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术 光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时 光波电场会出现极化现象 当强光激光 产生后 由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系 而是明显的表现出二次及 更高次的非线性效应 倍频现象就是二次非线性效应的一种特例 本实验中的倍频就 是通过倍频晶体实现对 Nd YAG 输出的 1064nm 红外激光倍频成 532nm 绿光 常用的倍频晶体有 KTP KDP LBO BBO 和 LN 等 其中 KTP 晶体在 1064nm 光 附近有高的有效非线性系数 导热性良好 非常适合用于 YAG 激光的倍频 KTP 晶 体属于负双轴晶体 对它的相位匹配及有效非线性系数的计算 已有大量的理论研究 通过 KTP 的色散方程 人们计算出其最佳相位匹配角为 90 对应的 有效非线性系数 deff 7 36 10 12V m 倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种 腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振 腔之内 由于腔内具有较高的功率密度 因此较适合于连续运转的固体激光器 腔外 29 倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术 较适合于脉冲运转的固体 激光器 实验内容及步骤实验内容及步骤 LD 安装及系统准直安装及系统准直 将 LD 电源接通 通过上转换片观察 LD 出射光近场和远场的光斑 测量 LD 经快 轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线 将耦合系统 激光晶体 输出镜 Q 开关 准直器等各元器件安装在调整架和滑 块上 将准直器安装在导轨上 利用直尺将其调整成光束水平出射 中心高度 50mm 水平并且水平入射在激光晶体中心位置 通过调整架旋钮微调耦合系统的倾斜和俯仰 使晶体反射光位于准直器中心 并 且准直光通过晶体后仍垂直进入 LD 通过调整架旋钮微调 Nd YAG 晶体的倾斜和俯仰 重复上一步的调节步骤 在准直器前安装 T1 输出镜 调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心 半导体泵浦固体激光器实验 半导体泵浦固体激光器实验 实验装置图 Nd YAG耦合系统输出镜准直器 15mm 80mm 探测器LD电源 TEC和 散热片 20mm 图 5 半导体泵浦固体激光器实验装置图 在准直器前安装 T1 输出镜 调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中心 根 据实验装置图设置其与晶体之间的距离 打开 LD 电源 缓慢调节工作电流到 1 3A 微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光 然后微调激光晶体 耦合系统 使激 光输出得到最大值 将将 LD 电流调到最小 然后从小到大渐渐增大电流调到最小 然后从小到大渐渐增大 LD 电流 从激光阈值电流开始 电流 从激光阈值电流开始 每格每格 0 2A 测量一组固体激光器系统输出功率 结合测量一组固体激光器系统输出功率 结合 LD 的功率的功率 电流关系 在实电流关系 在