信息光学与激光实验讲义最新版

光信息专业基础实验讲义09光信息科学与技术专业佛山科学技术学院光电信息与技术实验室编写实验一 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)。

【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】1．什么是光栅常数？什么是空间频率？２．什么是线性曝光？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】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。

图2-1 (a)黑白光栅 (b)正弦光栅(a) (b)【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：θ1、θ2 分别为两束相干光与（x y ）平面的法线夹角，θ1+θ2= θ 为两束光的会聚角。

光学与激光实验讲义光学与激光实验实验讲义华南师范大学信息光电子科技学院仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢46光学与激光实验目录光学与激光实验 (2)目录 (2)实验二腔内选频单纵模He-Ne激光器 (14)实验三 He-Ne激光器谐振腔调整及外参数测量 (21)实验四声光调制锁模激光器 (35)仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢46实验一氦氖多谱线激光器在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。

实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。

一、实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。

对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。

介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。

对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。

总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。

由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。

初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。

稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。

小信号增益与阈值增仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢46益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。

1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2P i（2P i是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。

激光技术实验讲义激光原理与技术实验讲义赵江编审激光安全⼗项基本事项1. 除⾮在特殊情况下，使⽤激光器⼀般都必须在密闭室内空间。

2. 不要直视激光光束，对⼤功率红外或紫外的不可见光尤其要注意。

3. 操作激光时不要戴⼿表、⼿饰等反射较强的饰物。

4. 任何时候都不要忘记戴防护镜。

5. 对不可见的激光关闭后应⽤ IR 或 UV 卡检查⼀下是否真的关闭。

6. 激光器⼯作时要将不⽤的光导⼊到光束垃圾桶。

7. 对⾃制的光路部分最好⽤⼀个防护罩罩起来。

8. 保持光路⾼度在⼈的视线以下，⼯作时弯腰、低头、或拣地上的东西都是⾮常危险的。

9. 在激光⼯作地点的门⼝和室内贴上警⽰标签。

10. 所有激光器操作⼈员必须经过培训。

⽬录实验⼀激光谐振腔的调试 (1)实验⼆氦氖激光束光斑⼤⼩和发散⾓测量 (7)实验三共焦球⾯扫描⼲涉仪与氦氖激光束的模式分析 (12)实验四脉冲固体激光器的调试与参数测量 (25)实验五电光调Q和倍频实验 (35)实验六半导体激光器系列实验 (47)实验七半导体激光器端⾯泵浦和腔内倍频实验 (54)实验⼀激光谐振腔的调试⼀、实验⽬的1．掌握激光谐振腔结构，并学会稳定激光谐振腔的设计2．掌握谐振腔调试⽅法及技术⼆、实验仪器Las —Ⅲ型调腔实验仪三、实验原理1．激光的⾃激振荡和光学谐振腔激光的原意是受激辐射的光放⼤（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）。

由爱因斯坦关系式：3213218A h n h B c νπνν== （1.1）121212B f B f =及⿊体辐射普朗克公式：1-=KT h eh E νν（1.2）可得光⼦简并度n 为：21212121338A W A B c h n ===ννρνπρ（1.3）其中νρ为单⾊能量密度。

由于受激辐射产⽣相⼲光⼦，⽽⾃发辐射产⽣⾮相⼲光⼦。

从（1.3）式出发，要产⽣激光就需要提⾼光⼦简并度，使受激辐射远远强于⾃发辐射。

激光原理与技术课件课件激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。

激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。

本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。

二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。

在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。

而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。

2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。

这个过程是激光产生的核心原理。

3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。

当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。

同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。

三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。

这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。

2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。

相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。

3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。

这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。

4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。

这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。

四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。

激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。

目录第一章信息光学的数学基础1.1 光学中常用的非初等函数 (1)1.1.1 矩形函数 (1)1.1.2 阶跃函数 (5)1.1.3 符号函数 (8)1.1.4 三角形函数 (10)1.1.5 斜坡函数 (13)1.1.6 圆域函数 (14)1.1.7 非初等函数的运算和复合 (15)1.2 光学中常用的初等函数 (17)1.2.1 sinc 函数 (17)1.2.2 高斯函数 (19)1.2.3 贝塞尔函数 (24)1.2.4 宽边帽函数 (27)1.3 函数的变换 (28)1.3.1 一维函数的变换 (28)1.3.2 可分离变量的二维函数的特性 (31)1.3.3 几何变换 (33)1.4 δ函数和梳状函数 (38)1.4.1 广义函数的含义 (38)1.4.2 δ函数的定义 (40)1.4.3 δ函数的性质 (49)1.4.4 δ函数的导数 (54)1.4.5 复合δ函数 (56)1.4.6 用δ函数描述光学过程的一个例子 (57)1.4.7 梳状函数 (59)1.5 周期函数 (64)1.5.1 周期函数的含义 (64)1.5.2 正弦函数 (66)1.5.3 周期脉冲序列 (67)1.6 离散函数 (70)1.6.1 单位脉冲序列 (70)1.6.2 单位阶跃序列 (72)1.6.3 矩形序列 (73)1.6.4 正弦型序列 (74)1.6.5 斜变序列 (75)1.6.6 实指数序列 (76)1.6.7 复指数序列 (76)1.6.8 随机序列 (77)1.7 复值函数 (77)1.7.1 复数 (77)1.7.2 复值函数 (79)1.7.3 几个常数的关系式和恒等式 (82)习题 1 (83)第二章傅里叶变换和系统的频域分析2.1 一维函数的傅里叶变换 (86)2.1.1 傅里叶级数 (86)2.1.2 傅里叶积分定理 (96)2.1.3 傅里叶变换 (97)2.1.4 极限情况下的傅里叶变换 (104)2.1.5 δ函数的傅里叶变换 (105)2.1.6 常用一维函数傅里叶变换对 (114)2.2 二维函数的傅里叶变换 (116)2.2.1 二维函数傅里叶变换的定义 (116)2.2.2 极坐标系中的二维傅里叶变换 (118)2.2.3 常用二维函数傅里叶变换对 (121)2.3 傅里叶变换的性质 (121)2.3.1 傅里叶变换的基本性质 (121)2.3.2 虚、实、奇和偶函数的傅里叶变换 (124)2.4 傅里叶变换的MATLAB 实现 (126)2.4.1 符号傅里叶变换 (126)2.4.2 离散傅立叶变换 (127)2.4.3 快速傅里叶变换 (130)2.5 卷积和卷积定理 (137)2.5.1 卷积的定义 (137)2.5.2 卷积的计算 (138)2.5.3 函数f (x, y)与δ函数的卷积 (148)2.5.4 卷积的效应 (150)2.5.5 卷积运算的基本性质 (152)2.5.6 卷积的MATLAB 实现 (154)2.6 相关和相关定理 (157)2.6.1 互相关 (157)2.6.2 自相关 (159)2.6.3 归一化互相关函数和自相关函数 (161)2.6.4 有限功率函数的相关 (162)2.6.5 相关的计算方法 (162)2.6.6 相关的MATLAB 实现 (167)2.7 傅里叶变换的基本定理 (170)2.7.1 卷积定理 (170)2.7.2 互相关定理 (171)2.7.3 互相关定理 (173)2.7.4 自相关定理 (174)2.7.5 巴塞伐定理 (174)2.7.6 广义巴塞伐定理 (175)2.7.7 导数定理或微分变换定理 (differential transform theorem) 1752.7.8 积分变换定理 (176)2.7.9 转动定理 (176)2.7.10 矩定理 (176)习题2 (178)第三章线性系统和光场的傅里叶分析3.1 线性系统的概念 (180)3.1.1 信号和信息 (180)3.1.2 系统的概念 (180)3.1.3 线性系统 (182)3.1.4 线性平移不变系统 (183)3.2 线性系统的分析方法 (184)3.2.1 正交函数系 (184)3.2.2 基元函数的响应 (188)3.2.3 线性平移不变系统的传递函数 (193)3.2.4 线性平移不变系统的传递函数 (195)3.3 光场解析信号表示 (199)3.3.1 单色光场的数学形式和复数表示 (199)3.3.2 准单色光场的复数表示 (201)3.3.3 多色光场的复数表示 (203)3.4 光场的复振幅空间描述 (206)3.4.1 球面波的复振幅 (206)3.4.2 球面波的近轴近似 (207)3.4.3 平面波的复振幅 (212)3.5 二维光场的傅里叶分析 (216)3.5.1 平面波的空间频率 (216)3.5.2 球面波的空间频率 (222)3.5.3 复振幅分布的空间频谱和角谱 (222)3.5.4 局域空间频率 (224)3.5.5 复杂光波的分解 (225)3.6 函数抽样与函数复原 (228)3.6.1 一维抽样定理 (228)3.6.3 空间-带宽积 (239)3.6.4 线性光学系统的分辨率 (242)习题3 (242)第四章标量衍射理论 (248)4.1 从矢量电场到标量电场 (251)4.1.1 波动方程 (251)4.1.2 亥姆霍兹方程 (253)4.2 基尔霍夫衍射理论 (254)4.2.1 惠更斯-菲涅耳原理 (254)4.2.2 格林定理 (256)4.2.3 基尔霍夫积分定理 (257)4.2.4 基尔霍夫衍射公式 (260)4.2.5 菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 (263)4.2.6 球面波的衍射理论 (265)4.3 衍射在空间频域的描述 (268)4.3.1 从空间域到空间频域 (268)4.3.2 谱频的传播效应 (269)4.3.3 角谱的传播 (272)4.3.4 孔径对角谱的效应 (273)4.3.5 传播现象作为一种线性空间滤波器 (276)4.4 衍射的菲涅耳近似和夫琅禾费近似 (277)4.4.1 菲涅耳近似 (277)4.4.2 夫琅禾费近似 (280)4.4.3 夫琅禾费衍射与菲涅耳衍射的关系 (280)4.4.4 衍射屏被会聚球面波照射时的菲涅耳衍射 (281)4.4.5 衍射的巴俾涅原理 (283)4.5 菲涅耳衍射的计算 (285)4.5.1 周期性物体的菲涅耳衍射 (285)4.5.2 矩形孔的菲涅耳衍射 (291)4.5.3 特殊矩形孔的菲涅耳衍射 (300)4.5.4 圆孔的菲涅耳衍射 (303)4.6 夫琅禾费衍射的计算 (306)4.6.1 矩形孔和狭缝 (307)4.6.3 衍射光栅 (313)4.6.4 圆形孔径 (324)习题 4 (329)第五章光学成像系统的空域描述及傅里叶分析 (336)5.1 成像系统和透镜的结构及变换作用 (336)5.1.2 透镜的结构及变换作用 (337)5.2 透镜作为相位变换器 (341)5.2.1 薄透镜的厚度函数 (341)5.2.2 薄透镜的相位变换及其物理意义 (343)5.3 透镜的傅里叶变换性质 (345)5.3.1 透镜的一般变换特性 (345)5.3.2 物在透镜之前 (349)5.3.3 物在透镜后方 (353)5.4 透镜的空间滤波特性 (355)5.4.1 透镜的截止频率、空间带宽积和视场 (356)5.4.2 透镜孔径引起的渐晕效应 (359)5.5 光学系统的一般模型 (363)5.5.1 光阑 (363)5.5.2 入射光瞳和出射光瞳 (366)5.5.3 黑箱模型 (368)5.6 衍射受限光学系统成像的空域分析 (370)5.6.1 衍射受限系统的点扩散函数及成像 (370)5.6.2 正薄透镜的点扩散函数 (374)5.6.3 相干照射下衍射受限系统的成像规律 (375)5.6.4 成像系统的线性特性 (377)习题 5 (378)第六章光学成像系统的频谱分析和传递函数 (384)6.1 光成像系统像质评价概述 (384)6.1.1 星点检验法 (385)6.1.2 图像分辨率板法 (388)6.2 光学传递函数的基本概念 (394)6.2.1 以点扩散函数为基础的定义 (397)6.2.2 以正弦光栅成像为基础的定义 (401)6.2.3 以光瞳函数表示的光学传递函数 (404)6.2.4 组合成像系统的光学传递函数 (405)6.3 衍射受限相干成像系统的相干传递函数 (406)6.3.1 相干传递函数 (406)6.3.2 相干传递函数的角谱解释 (415)6.4 衍射受限系统非相干成像的频域分析—非相干传递函数 (416)6.4.1 非相干成像系统的光学传递函数(OTF) (417)6.4.2 OTF 和CTF 的关系 (421)6.4.3 衍射受限的OTF (421)6.4.4 有像差系统的传递函数 (426)6.5 线扩散函数和刃边扩散函数 (429)6.5.1 线扩散函数和刃边扩散函数的概念 (429)6.5.2 相干线扩散函数和相干刃边扩散函数 (431)6.5.3 非相干线扩散函数和刃边扩散函数 (433)6.6 相干与非相干成像系统的比较 (434)6.7 光学传递函数的测量 (436)6.7.1 光学传递函数测量装置 (436)6.7.2 光学传递函数测量步骤 (439)6.7.3 光学传递函数测量准确度 (440)6.7.4 光学传递函数的测量环境 (445)6.7.5 光学传递函数的测量数据的修正和表示 (447)6.7.6 光学传递函数的测量方法 (448)6.7.7 光学传递测量装置的检定 (450)6.7.8 光学传递标准装置 (450)6.7.9 离散采样系统光学传递测量 (451)习题 6 (452)第七章部分相干理论 (457)7.1 光的干涉理论 (457)7.1.1 叠加原理 (458)7.1.2 光波的干涉 (458)7.1.3 相干和非相干叠加 (460)7.1.4 干涉条纹的可见度 (462)7.2 互相干函数和相干度 (463)7.2.1 互相干函数的定义 (464)7.2.2 杨氏干涉条纹的几何结构 (468)7.2.3 互相干函数的谱表示 (470)7.3 时间相干性和相干时间 (471)7.3.1 时间相干性 (471)7.3.2 相干时间的定义 (476)7.3.3 傅里叶变换光谱技术 (477)7.4 空间相干性 (479)7.5 准单色条件下的干涉和互强度 (480)7.6 范西泰特-策尼克定理 (483)7.6.1 范西泰特-策尼克定理 (484)7.6.2 相干面积 (486)7.6.3 均匀圆形光源 (486)7.7 互相干函数的传播和广义惠更斯原理 (488)习题 7 (491)第八章光学全息 (496)8.1 光学全息概述 (496)8.1.1 全息术的发展简史 (496)8.1.2 全息照相的基本特点 (498)8.1.3 全息图的类型 (500)8.2 全息照相的基本原理 (501)8.2.1 全息照相的基本过程 (501)8.2.2 波前记录 (502)8.2.3 记录过程的线性条件 (503)8.2.4 波前再现 (504)8.3 同轴全息图和离轴全息图 (507)8.3.1 同轴全息图 (507)8.3.2 离轴全息图 (510)8.4 基元全息图 (514)8.4.1 基元全息图 (514)8.4.2 基元光栅 (515)8.5 菲涅耳全息图 (517)8.5.1 点源全息图和基元波带片 (517)8.5.2 几种特殊情况的讨论 (521)8.6 像全息图 (524)8.6.1 再现光源宽度的影响 (524)8.6.2 再现光源光谱宽度的影响 (525)8.6.3 色模糊 (527)8.6.4 像全息图的制作 (528)8.7 傅里叶变换全息图 (529)8.7.1 傅里叶变换全息图的原理 (530)8.7.2 准傅里叶变换全息图 (532)8.7.3 无透镜傅里叶变换全息图 (533)8.8 彩虹全息 (535)8.8.1 二步彩虹全息 (535)8.8.2 一步彩虹全息 (536)8.8.3 彩虹全息的色模糊 (537)8.9 相位全息图 (540)8.10 模压全息图 (541)8.10.1 模压全息图的制作 (542)8.10.2 全息烫印箔 (542)8.10.3 动态点阵全息图 (543)8.11 体积全息 (543)8.11.1 透射体积全息图 (544)8.11.2 反射全息图 (546)8.12 平面全息图的衍射效率 (546)8.12.1 振幅全息图的衍射效率 (547)8.12.2 相位全息图的衍射效率 (548)8.13 全息记录介质 (549)8.13.1 基本术语 (549)8.13.2 E-D曲线和特性曲线 (551)V8.13.3 全息记录介质的分类 (554)习题 8 (558)第九章光学信息处理技术 (562)9.1 引言 (562)9.2 早期研究成果 (563)9.2.1 阿贝成像理论 (563)9.2.2 阿贝-波特(Abbe-Porter)实验 (564)9.2.3 泽尼克相衬显微镜 (568)9.2.4 改善的照片质量 (570)9.3 空间频率滤波系统 (571)9.3.1 空间滤波系统 (571)9.3.2 空间滤波的傅里叶分析 (572)9.3.3 滤波器的种类及应用举例 (576)9.4 相干光学信息处理 (580)9.4.1 相干光学信息处理系统 (580)9.4.2 多重像的产生 (581)9.4.3 图像的相加和相减 (581)9.4.4 光学微分—像边缘增强 (584)9.4.5 综合孔径雷达 (586)9.5 非相干光学信息处理 (588)9.5.1 相干光与非相干光处理的比较 (588)9.5.2 非相干空间滤波 (589)9.5.3 基于几何光学的非相干处理 (593)9.6 白光信息处理 (594)9.7 光计算 (595)9.7.1 光学矩阵运算 (596)9.7.2 光学互连 (597)9.7.3 光学神经网络 (598)习题 9 (598)。

信息光学实验讲义（二）指导教师：刘厚通安徽工业大学数理学院实验三全息光栅的制作引言光栅是一种重要的分光元件,在实际中被广泛应用。

许多光学元件, 例如单色仪、摄谱仪、光谱仪等都用光栅作分光元件;与刻划光栅相比, 全息光栅具有杂散光少、分辨率高、适用光谱范围宽、有效孔径大、生产效率高, 成本低廉等突出优点。

实验目的1、了解全息光栅的原理；2、掌握制作全息光栅的常用光路和调整方法；3、掌握制作全息光栅的方法。

基本原理（1）全息光栅当参考光波和物光波都是点光源且与全息干板对称放置时可以在干板上形成平行直条纹图形，这便是全息光栅。

采用线性曝光可以得到正弦振幅型全息光栅。

从光的波动性出发，以光自身的干涉进行成像，并且利用全息照相的办法成像制作全息光栅，这是本节的内容。

（2）光栅制作原理与光栅频率的控制用全息方法制作光栅, 实际上就是拍摄一张相干的两束平行光波产生的干涉条纹的照相底片，当波长为λ的两束平行光以夹角 交迭时, 在其干涉场中放置一块全息干版, 经曝光、显影、定影、漂白等处理, 就得到一块全息光栅。

相邻干涉条纹之间的距离即为光栅的空间周期d (实验中常称为光栅常数) 。

如图2-1所示：图2-1全息光栅制作原理示意图有多种光路可以制作全息光栅。

其共同特点是①将入射细光束分束后形成两个点光源，经准直后形成两束平面波；②采用对称光路，可方便地得到等光程。

如图2-2和图2-3所示。

Ⅰ图 2-2 全息光栅制作实验光路图MSPL1L2L1234567891011121314151617SPML350150100270200150L1L2图 2-3 全息光栅制作实验光路图图2-2采用马赫-曾德干涉仪光路,它是由两块分束镜（半反半透镜）和两块全反射镜组成，四个反射面接近互相平行，中心光路构成一个平行四边形。

从激光器出射的光束经过扩束镜及准直镜，形成一束宽度合适的平行光束。

这束平行光射入分束板之后分为两束。

一束由分束板反射后达反射镜，经过其再次反射并透过另一个分束镜，这是第一束光；另一束透过分束镜，经反射镜及分束镜两次反射后射出，这是第二束光。

《信息光学》课程实验讲义与教案编写者：翁嘉文参考教材：自编《信息光学讲义》华南农业大学应用物理系2009年5月目录实验一阿贝成像原理与空间滤波 (2)实验二θ调制 (8)实验三利用光栅滤波实现图像相加减 (13)实验四利用复合光栅实现光学微分处理 (18)实验五马赫－曾德尔干涉仪 (23)实验六三维形貌测量 (26)实验七数字全息 (32)实验教案 (36)阿贝成像原理与空间滤波一个光信号与它的频谱是同一事物在两个空间的表现，光信号分布于坐标空间（x , y ）,而它的频谱存在于频率空间（f x , f y ）。

由信号到频谱可以通过透镜来实现。

1873年阿贝（E.Abbe ，1840－1905）在显微镜成像原理的研究中，首次提出了在相干光照明下显微镜两次成像的概念。

阿贝成像理论以及阿贝—波特实验告诉人类：可以通过对信号的频谱进行处理(滤波)来达到对信号本身作相应处理的目的。

这正是现代光学信息处理最基本的思想和内容。

本实验对加深傅里叶光学空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解，熟悉阿贝成像原理，了解透镜孔径对成像分辨率的影响以及对研究现代光学信息处理均有十分重要的意义。

一、实验目的1. 了解信号与频谱的关系以及透镜的傅里叶变换功能。

2. 掌握现代成像原理和空间滤波的基本原理，理解成像过程中“分频”和“合成”的作用。

3. 掌握光学滤波技术，观察各种光学滤波器产生的滤波效果，加深对光学信息处理基本思想的认识。

二、实验原理1、光学傅里叶变换一个光学信号是空间变量),(y x g y x ,的二维函数，其傅里叶变换被定义为:= (1)∫∫+∞∞−•+•−=dxdy ey x g f f G y f x f j y x y x )(2),(),(π)},({y x g FT 符号FT 表示傅里叶变换。

本身也是两个自变量的函数。

分别是与),(y x f f G y x f f ,y x f f ,y x ,方向对应的空间频率变量。

信息光学实验讲义（一）指导教师：刘厚通安徽工业大学数理学院实验三阿贝成像原理和空间滤波(天津拓扑)一、实验目的了解付里叶光学基本原理的物理意义，加深对光学中的空间频谱和空间滤波等概念的理解。

二、实验原理1、傅立叶变换在光学成像系统中的应用。

在信息光学中、常用傅立叶变换来表达和处理光的成像过程。

设一个xy平面上的光场的振幅分布为g(x,y)，可以将这样一个空间分布展开为一系列基元函数exp[iz二(f x x f y y)]的线性叠加。

即□0g(x, y) = G( f x f y)exp[2 二(f x X f y y)]df x df y-oO(1)f x，f y为x,y方向的空间频率，量纲为L ；G(f x f y)是相应于空间频率为f x，f y的基元函数的权重，也称为光场的空间频率，G(f x f y)可由下式求得：Q0G(x, y)= g(x, y)exp[ -2i 二"x f y y)]dxdy⑵g(x,y)和G( f x f y)实际上是对同一光场的两种本质上等效的描述。

当g(x,y)是一个空间的周期性函数时，其空间频率就是不连续的。

例如空间频率为f o的一维光栅，其光振幅分布展开成级数：Q0g(x) G n exp[i2二nf°x]n =•：::相应的空间频率为f=0，f o，f o。

2、阿贝成像原理傅立叶变换在光学成像中的重要性，首先在显微镜的研究中显示出来。

E.阿贝在1873年提出了显微镜的成像原理，并进行了相应的实验研究。

阿贝认为，在相干光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤，第一个步骤是通过物的衍射光在物镜后焦面上形成一个初级衍射(频谱图)图。

第二个步骤则为物镜后焦面上的初级衍射图向前发出球面波，干涉叠加为位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。

成像的这两步骤本质上就是两次傅立叶变换，如果物的振幅分布是g(x,y)，可以证明在物镜后面焦面x' , y'上的光强分布正好是g（x,y）的傅立叶变换I IG（f x f y）。