信息光学与激光实验讲义最新版
安徽科技学院
信息光学与激光原理
综合实验讲义
理学院物理电子系
主编：刘念
2013 年9月
目录
前言............................................................................................................... 信息光学综合实验
实验一、阿贝成像光路调节与观测 (1)
实验二、低通与高通滤波相关实验 (6)
实验三、 调制空间假彩色编码实验与光学图象的卷积 (9)
实验四、联合傅立叶变换相关图像识别实验 (14)
激光原理综合实验
实验五、He-Ne激光器的调整与工艺测量 (17)
实验六、He-Ne激光器的模式分析 (20)
实验七、半导体泵浦激光原理实验 (25)
实验八、激光的相位测距 (29)
前言
本实验指导书是合我电子科学与技术专业设置的特点，针对我院物理与电子实验中心仪器设备的实际情况编写而成。
本实验指导书分成两个模块，即信息光学综合实验和激光原理综合实验，每个实验模块四个实验项目，共计八个实验项目。在编写过程中力求做到：实验目的具体突出，使学生明确实验基本要求和需要掌握的内容；实验原理叙述清楚，使学生在实验中深入掌握理论依据；实验内容和步骤详略得当，使学生能够在实验中逐步提高实验技能和动手能力；实验后思考题便于进一步分析、讨论、巩固和提高。
在实验指导书编写的过程中，编者得到理学院领导的热情鼓励和大力支持，物电系各位老师的热情帮助，同时，其他院校的教材也为本指导书的编写提供了很好的借鉴，对此表示衷心感谢。由于编者水平有限，加之编写时间仓促，书中难免有不足甚至错误之处，恳请老师和同学们提出宝贵意见，以便不断更新和完善。
物理电子实验中心
2013. 06
第一部分信息光学相关实验
实验一、阿贝成像光路调节与观测
【实验目的】
1. 通过实验，加深对傅里叶光学中空间频率、空间频谱等概念的理解；
2. 了解阿贝成像远离和透镜孔径对透镜成像分辨率的影响。 【实验器材】
光学平台或导轨及附件，He-Ne 激光器，会聚透镜三块（L 1：12mm,L 2:70mm ；L ：250mm ），作为物的样品四个，可调狭缝光阑，各种形状模板，屏板和毛玻璃。 【实验原理】
1.二维傅里叶变换
设有一个空间二维函数),(y x g ，其二维傅里叶变换为
=),(y x f f G F [][]
d xdy y f x f
i y x g y x g y x
??∞
∞
-+-=
)(2exp ),(),(π （1.1）
式中y x f f ,分别为x,y 方向的空间频率，其量纲为L -1
，而),(y x g 又是),(y x f f G 的
逆傅里叶变换，即
=),(y x g F -1
[]=),(y x f f G
[]
y x y x y x
df df y f x f i f f
G ??∞
∞
-+)(2exp ),(π （1.2）
式（1.2）表示任意一个空金函数),(y x g ，可以表示为无穷多个基元函数
[]
)(2ex p y f x f i y x +π的线性叠加，),(y x f f G y x df df 是相应于空间频率为y x f f ,的基
元函数的权重，),(y x f f G 称为),(y x g 的空间频率。
当),(y x g 是一个空间周期性函数时，其空间频率是不连续的离散函数。
2.光学傅里叶变换
理论证明，如果在焦距为F 的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为),(y x g 的图象作为物，并以波长为λ的单色平面波垂直照明图象，则在透镜后焦面（x ’,y ’）上的振幅分布就是),(y x g 的傅里叶变换),(y x f f G ，其中y x f f ,与坐标x ’,y ’的关系为
F
Y f F x f Y x λλ'
,'=
=
（1.3） 故x ’-y ’面称为频谱面（或傅氏面），见图1-1，由此可见，复杂的二维傅里叶变换可以用一透镜来实现，称为光学傅里叶变换，频谱面上的光强分布则为
2
),(y x f f G ，称为频谱，也就是物的夫琅禾费衍射图。
3.阿贝成像原理
阿贝在1873年提出了相干光照明下显微镜的阿贝成像原理，他认为，在相干的光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤：第一步是通过物的衍射光在物镜后焦面上形成一个衍射图，第二步则为物镜后面上的衍射图复合为（中间）像，这个像可以通过目镜观察到。
成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换，第一步把物面光场的空间分布),(y x g 变为频谱面上空家频率分布),(y x f f G ，第二步则是再作一次变换，又
将),(y x f f G 还原到空间分布),(y x g 。
图1-2显示了成像的这两个步骤，为了方便起见，我们假设是一个一维光栅，单色平行光照在光栅上，经衍射分解成为不同的很多束平行光相应于一定的空间频率），经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵，然后代表不同空间频率的光束又重新在像平面上复合而成像。
如果这两傅氏变换完全是理想的，即信息没有任何损失，则像的物应完全相似（可能有放大或缩小），但一般说来像和物不可完全相似，这是由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息），不能进入到芜菁而被丢失了，所以像的信息总是比物的信息要少一些，高频信息主要反映了物的细节，如果高频信息受到了孔径的限制而不能到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不可能在像平面上显示出这些高频信息所反映的细节，这是下痿竟分辨率受到限制的根本原因，特别当物的结构非常精细（如很密的光栅）或物镜孔非常小时，有可能只有0级衍射（空间频率为0）能通过，则在像平面上就完全不能形成像，为加深对上述内容的理解，可参阅 “光学成像系统的分辨本领”。 【实验步骤】
1. 光路调节
本实验基本光路图1-3所示，其中透镜L 1（焦距F 1）、L 2（焦距F 2）组成倒装置望远系统。将激光扩展成具有较大截面的平行光束，L （焦距为F ）则为成像透镜，调节步骤如下：
（1）调节激光管的仰角及转角，使光束平行于光学平台水平面。
（2）放上L
1和L
2
使产生一扩束的平行光并调节它们共轴。
怎样检验L
2出来的光是否平行光？如L
1
的焦距为12mm，L
2
焦距72mm，则扩
束多少倍？
（3）放上物（带光栅的“光”字）及透镜L，调节它们共轴，调节L位置，使大于4m距离的屏上得到清晰的图象，固定物及透镜L位置。（调节成像时，可在物面前暂放一毛玻璃，以便在扩展光照明下，找到成像的精确位置。（4）确定频谱面位置，去掉物，用毛玻璃在L后焦面附近移动，当毛玻璃散射产生的散斑达到最大线度时，毛玻璃上光点最小，此毛玻璃所在平面就是频谱面，将滤波器支架放在此平面上。
2.阿贝成像原理实验
（1）在物平面放上一维光栅，像平
面哂纳感看到沿垂方向的光栅条纹，频
谱面上出现0，±1，±2，±3，…一排
清晰衍射光点，如图1-4中A所示，测
量1，2，3，级衍射点与光轴（0级衍射）
的距离x’，由式（1-3）求出相应空间频
率f x并求光栅的基频。
位置x’/mm 空间频率f
x
/mm-1
一级衍射
二级衍射
三级衍射
（2）在傅氏面上放上可调狭缝及其他附加光阑，按图1-4中A，B，C，D，E分别通过一定的空间频率成分，按下表依次记录像面上的特点及条纹间距，特别注意观察D和E两条件下图像的差异，并对图象变化出适当的解释。
通过的衍射图象情况简要解释
A B C D E
全部
0级0，±1级0，±2级除0级外
（3）取下物面上的一维光栅，换上一个二维正交光栅，则在频谱面上可看到二维离散的光点阵即正交光栅的频谱），像面上可以看到放大了的正交光栅的像，测出像面上的网格间距。
（4）依次在频谱面上放上小孔及不同取向的狭缝光阑（如图1-5），使频谱面上一个光点或一排光点通过，观察并记录像面上的变化，测量像面上的条纹间距，并作出相应的解释。
【思考题】
1.根据本实验结果，你如何理解显微镜、望远镜的分辨本领？为什么说一定孔
径物镜只能具有有限的分辨本领？如增大放大倍数能否提高一起的分辨本领？
实验二、低通与高通滤波相关实验【实验目的】
1.进一步理解阿贝成像原理，掌握二次成像方法。
2.了解光学低通与高通滤波器的实验原理及方法。
【实验器材】
光学平台或导轨及附件，He-Ne激光器，会聚透镜三块（L
1：12mm,L
2
:70mm；
L：250mm），作为物的样品四个，可调狭缝光阑，各种形状模板，屏板和毛玻璃。【实验原理】
本实验是在阿贝成像实验基础上实现的。阿贝成像原理参见实验一。
概括地说，阿贝成像过程分两步：先是“衍射分频”，然后是“干涉合成”。所以如果着手改变频谱，必然引起像的变化。在频谱面上作的光学处理就是空间滤波。最简单的方法是用各种光栏对衍射斑进行取舍，达到改造图像的目的。例如对图2-1（ａ）所示两种具有不同透过函数ｔ（ｘ）的光栅（物），分别如图（ｂ）
所示遮挡其频谱的不同部位，在像面上就会有图（ｃ）（ｄ）（ｅ）那样不同的振幅分布、光强分布和图像效果。图中左列让频谱的零级和±１级通过，像中条纹界限不如原物那样清晰，而且在暗条中间还有些亮；右列挡住零级频谱，图像对比度发生了反转，即原物不透光部分变得比透光部分还要明亮，栅线的边界变成细锐黑线。
图2-1 空间滤波举例
限制高频成分的光栏（如图2-1左方）构成低通滤波器，它能减轻图像的颗粒效应。图右方的光栏只阻挡了低频成分而让高频成分通过，称高通滤波器。高通滤波限制连续色调而强化锐边，有助于细节观察。高级的滤波器可以包括各种形状的孔板、吸收板和移相板等。
【实验步骤】
高低通滤波
（1）将正交光栅与一个透明的“光”字重叠在一起作为物（见图2-2（a）），通过透镜L成像在像平面上。
（2）用毛玻璃L后焦面上物的空间频谱，光栅为一周期性函数，其频谱是有规律排列的离散点阵，而字迹不是周期性函数，它的频谱是连续的，一般不容易看清楚，由于光字笔画较粗，其空间低频成分较多，因此频谱面的光轴面的光轴附近只有光字信息而没有网格信息。
φ的圆孔光阑放在L后面焦面的光轴上，则像面上图（3）将一个mm
1
=
φ的圆孔光阑，图像又有象发生变化，记录变化的特征，换一个mm
3.0
=
和变化？
（4）如果网格为12条/mm，字的笔画粗为0.5 ,从理论上计算，要使网格消失和字迹模糊滤波器应有的空径，并解释上述实验结果。
（5）将频谱面上光阑作一平移，使不在光轴上的一个衍射点通过光阑（参看图2-3），此时在像面上有何现象？
（6）换一漏光“十”字板作为物（见图2-2（b）），并使之成像。
（7）在透镜L的后焦面上放一圆屏光阑挡去空间频谱的中心部分，观察记录像面上的变化。
【思考题】
1.本实验内容中以激光作为光源，有什么优越性？如以钠光或白炽灯代替激光，会产生什么困难，应采取什么措施？
2.我们曾用低滤波器去了图2-2中的网格而保留了“光”字，试设计一个滤波
器能滤去字迹而保留网格。
实验三、θ调制空间假彩色编码实验与光学图象的卷积【实验目的】
1.掌握θ调制法假彩色编码与光学图像卷积的原理，巩固和加深对光栅衍射基
本理论的理解；
2.掌握θ调制法进行空间假彩色编码和光学图像卷积的方法，并做出相应的实
验结果，加深对阿贝成像理论和空间频率滤波的理解。
【实验器材】
光学平台或导轨及附件，He-Ne激光器，会聚透镜三块（L
1：12mm,L
2
:70mm；
L：250mm），作为物的样品四个，可调狭缝光阑，各种形状模板，屏板和毛玻璃。【实验原理】
θ调制法假彩色编码是阿贝二次衍射成像理论的一种巧妙的应用。它是先用不同的光栅分别调制图像的不同部分，制成θ调制片（或称光栅调制片），然后将其置于4f系统的输入面上，并用白光照明。在频谱面上进行适当的空间滤波
处理，便可在输出面上得到假彩色图像。
在一透镜前方放置一块栅线平行等距的光栅，当用一束单色平行光垂直照明时，在透镜的后焦面（即频谱面）上会形成光栅衍射的离散频谱点，其排列方向垂直于光栅栅线的方向。果有一个二维图像，其不同部位受到方向不同的光栅的调制，则频谱面上频谱点的分布也对应于不同的方向。若挡住任一方向的频谱点，则与其对应的那部分图像就会消失。可见，输入图像中的各个部分的频谱，只存在于调制光栅的频谱点附近，这显然是由于各部分图像频谱与其对应的调制光栅的频谱卷积的结果。
如果用白光光源照明θ调制片，则在频谱面上得到色散的彩色谱斑。每个彩色谱斑的颜色分布都是从外向内按照红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序变化。这种现象是易于理解的，因为光栅衍射角的大小与入射角的波长有关。红光的波长最长，故衍射角最大，分布在最外；而紫光的波长最短，故衍射角最小，分布在最里。如果在频谱面上放置一个空间滤波器，让不同方位的谱斑通过不同的颜色，则在像面上可以得到彩色像。由于这种方法是利用不同方位的光栅（彼此转动了θ角）对图像进行调制，因此称其为θ调制技术。又因为它是将图像中不同空间部位编上不同的颜色，故又称空间假彩色编码。θ调制空间假彩色编码就是通过θ调制的处理手段，“提取”白光中所包含的彩色，再“赋予”图像而形成的。
下面我们就上述原理进行物理与数学描述;以4f 系统和正弦光栅调制为例，如图3-1所示，信号t(x1,y1)置于输入平面P1上，在其后紧贴一正弦光栅，后者的振幅频率为：
(3-1)
图3-1 白光处理系统
式中，ν为光栅频率。在单位振幅的准直白光照射下，光栅后表面上的傅振甫分布为：
在频谱面上的空间频谱分布为：
将代入上式，得：
式中，第一项代表物的零级频谱，第二、三项分别是物的±1级谱带，每一个谱带中心位于处，色彩呈彩虹。各个波长的零级物中心位置都是相同的。间隔为的两种色光，其±1级谱的中级谱的中心在x2轴上的偏移量为，设物的空间频带宽度为Wt,则其在x2轴上的空间宽度为;而不同波长物谱能够分离的条件是,由此求得：
式中，为平均波长。显然，只要光栅频率ν远大于物频的带宽Wt ，就可以忽略各波长频谱间的重叠，从而可以在频谱面上对一系列取离散值得波长，像相干处理系统那样进行滤波操作。
【实验步骤】
1. 调制实验
（1）本实验光路如图3-2所示，以
白炽灯为光源，灯前放小孔S，聚光透
镜L
1将S成像于透镜L
2
前面的P
2
面上，
物放在紧靠L
1的P
1
平面上，经L
2
成像
与屏幕P
3上，此光路中频谱面是光源的成像面，即P
2
平面。图
3-2
（2）作为物的样品由薄膜光栅制成，样品上的花、叶、盆等各部位光栅具有不同取向，相同角为60°，如图3-3（a）所示。
（3）将上述样品放在P
1平面，在P
2
面上可看到光栅的衍射图，三行不同取
向的衍射光斑相应于不同取向的光栅（见图3-3（b）），这些衍射极大值除0级以外均有色散。
（4）调节P
2面上滤波器，使像面P
3
上花瓣呈红色，花叶呈绿色，而花盆与
花蕊则为黄色（图3-3(c)）。
图3-3
2.卷积现象的观察
用激光束分别照在20条/mm和200条/mm的两个正交光栅上，观察各自的
空间功率谱（即夫琅禾费衍射图），将两光栅重叠起来，观察并记录其频谱特点，先后转动两光栅之一，频谱面上有何变化？（根据傅里叶变换的卷积定理可解释观察到的现象）。
【思考题】
1.试用卷积定理解释高、低通滤波实验内容的实验现象及θ调制实验。
实验四、联合傅立叶变换相关图像识别实验
【实验目的】
1.深入理解傅立叶变换相关内容
2.学会搭建光路，了解目标识别和图像识别的方法
【实验器材】
傅立叶联合实验仪计算机导轨各类透镜等
【实验原理】
实验通过激光作用使待识别图像（如待识别指纹、文字标识）和参考图像（如参考指纹、文字标识）分别产生相应的像经透镜傅立叶变换后在谱面形成复振幅分布，经平方律介质或器件（如本实验采用的高分辨率的CCD和液晶显示器LCD）将其转换为功率谱，然后观察者可通过相关输出观看待识别图像和参考图像形成的亮斑（相关峰）的亮暗和弥散度来判断二者的相关程度，从而达到识别待测物的目的。
实验中联合傅立叶变换主要基于一下原理：
(
g
(f
如图4-1(,)f x y 、(,)g x y 分别为待识别像、参考像在透镜中的透过率，则经透镜的傅立叶变换后在谱面uv 上形成复振幅分布：
[]()2(,)(,)(,)exp S u v f x a y g x a y i xu yv dxdy f πλ+∞+∞
-∞-∞??
=
++--+??????
22exp (,)exp (,)
i au F u v i au G u v f f ππλλ????=-+-???????? 式中F 、G 分别是f,g 的傅立叶变换。
实验中图像最终判别依据原理：经平均律介质即本实验高分辨率CCD 和液晶显示器LCD 转换后，光信号转换为电信号最终在显示器上呈现亮斑(相关峰)。从光学观点来看，联合变换的功率谱为杨氏条纹，通过傅立叶转换后形成0级和1级亮斑。如果两图像相同干涉加强，形成“峰”的亮度大，若两者部分相同“峰”呈现较暗弥散状态，若不相同，则不形成“峰”。从而可以此达到判别目的。
另外本实验采用空间光调制器CCD\LCD 对形成的复振幅进行实时转换形成功率谱，其主要原理是通过电寻址法进行光电转换，达到转光信号为电信号的目的。 【实验步骤】
搭建光路系统、对光路系统进行调试及最后图像的判别。
实验中搭建光路系统是最主要的内容，其中搭建马赫-曾德干涉系统最为关键。马赫—曾德干涉系统组成了本实验光路系统的和心部分，其组成元件主要如图4-2中的7-15。具体实验操作分为以下三个
（浙江专用版）高考物理二轮复习专题七实验题题型强化第16讲力学和光学实验讲义 力学和光学实验 专题定位 1.熟知各种器材的特性.2.熟悉课本实验，抓住实验的灵魂——实验原理，掌握数据处理的方法，熟知两类误差分析.3.利用所学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，完成新的实验设计． 第16讲 力学和光学实验 1．纸带的三大应用 (1)利用逐差法求解平均加速度(如图) a 1＝x 4－x 13T 2，a 2＝x 5－x 23T 2，a 3＝x 6－x 33T 2?a ＝a 1＋a 2＋a 33 (2)利用平均速度求瞬时速度：v n ＋1＝ x n ＋x n ＋12T (3)利用速度—时间图象求加速度． 2．光电门的应用 (1)求瞬时速度：把遮光条(宽度为d )通过光电门的时间Δt 内的平均速度看做遮光条经过光电门的瞬时速度，即v ＝d Δt . (2)求加速度：若两个光电门之间的距离为L ，则利用速度与位移的关系可求加速度，即a ＝v 22－v 122L . 3．实验的技巧 (1)要根据实验原理来判断是否需要平衡摩擦力，知道正确平衡摩擦力的方法． (2)要清楚钩码(或沙桶)与小车之间的质量关系，并且要清楚在仪器创新或实验原理创新的情形下，该条件是否需要调整． (3)要知道实验数据、图象的处理方法和运用数学知识解题的技巧． 例1 (2019·新高考研究联盟二次联考)如图甲所示，某同学用力传感器探究在小车及传感
器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系． (1)实验中使用的电火花计时器，应接________电源． A ．交流4～6V B ．交流220V (2)该同学将实验器材如图甲所示连接后，沙桶的质量________(填“需要”或“不需要”)远小于小车及传感器总质量，实验时如将细线拉力当成小车及传感器的合外力，则________(填“需要”或“不需要”)先平衡摩擦力． (3)先接通电源，小车由静止释放，获得的一条纸带如图乙，每打5个点取一个计数点，x 1＝ 3.62cm ，x 4＝5.12cm ，由图中数据可求得：2、3两点的距离(即x 3)约为________cm.(结果保留三位有效数字) (4)在实验中，甲、乙两位同学根据实验数据画出如图丙所示的小车的加速度a 和小车所受拉力F 的图象分别为图中的直线Ⅰ和直线Ⅱ，下面给出了关于形成这种情况原因的四种解释，其中可能正确的是________．(多选) A ．实验前甲同学没有平衡摩擦力 B ．甲同学在平衡摩擦力时把长木板的右端抬得过高了 C ．实验前乙同学没有平衡摩擦力 D ．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的右端抬得过高了 答案 (1)B (2)不需要 需要 (3)4.62 (4)BC 解析 (1)电火花计时器，需接220V 交流电源． (2)实验时如将细线拉力当成小车及传感器的合外力，不需要沙桶的质量远小于小车及传感器的总质量，但必须平衡摩擦力，否则细线的拉力不是合力． (3)相邻0.1s 内位移差Δx ＝x 4－x 1 3＝0.50cm ，又x 4－x 3＝Δx 故x 3＝x 4－Δx ＝5.12cm －0.50cm ＝4.62cm.
1.常用的非初等函数：矩形函数、Sinc函数、三角形函数、符号函数、阶跃函数、圆柱函 数。 2.δ函数的定义：a.类似普通函数定义b.序列极限形式定义c.广义函数形式定义 δ函数的性质：a.筛选性质 b.坐标缩放性质 c.可分离变量性 d.与普通函数乘积性质 4.卷积，性质：线性性质、交换律、平移不变性、结合律、坐标缩放性质 5.互相关，两个函数f(x,y）和g(x,y)的互相关定义为含参变量的无穷积分 6.惠更斯-菲涅尔原理：光场中任意给定曲面上的诸面元可以看作是子波源，如果这些子 波源是相干的，则在波继续传播的空间上任意一点处的光振动都可看作是子波源各自发出的子波在该点相干叠加的结果。 7.基尔霍夫理论：在空域中光的传播，把孔径平面上的光场看作点源的集合，观察平面上 的场分布则等于他们所发出的带有不同权重的因子的球面子波的相干叠加。 8.角谱理论：孔径平面和观察平面上的光场分布都可以分别看成是许多不同方向传播的单 色平面波分量的线性组合。 9.点扩散函数：面元的光振动为单位脉冲即δ函数时，这个像场分布函数叫做~。 10.菲涅尔衍射成立的充分条件： 传递函数： 11.泰伯效应：当用单色平面波垂直照明一个具有周期性透过率函数的图片时，发现在该透 明片后的某些距离上出现该周期函数的现象，这种不用透镜就可以对周期物体成像的现象称为~。 12.夫琅禾费衍射： 13.衍射受限系统：不考虑系统的几何像差，仅仅考虑系统的衍射限制。 14.单色信号的复表示：去掉实信号的负频成分，加倍实信号的正频成分。 多色信号的复表示： 16.如果两点处的光扰动相同，两点间的互相干函数将变成自相干函数。 18.光学全息：利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光 波前的全部信息都储存在记录介质中，做记录的干涉条纹图样被称为“全息图”，当用光波照射全息图时，由于衍射原理能能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像，这个波前记录和重现的过程成为~ 19.+1级波（虚像），-1级波（实像），±1级波（赝像） 20.从物光与参考光的位置是否同轴考虑：同轴全息、离轴全息。 从记录时物体与全息图片的相对位置分类：菲涅尔全息图、像面全息图、傅里叶变换全息图。 从记录介质的厚度考虑：平面全息图、体积全息图。 21.菲涅尔全息图：记录平面位于物体衍射光场的菲涅尔衍射区，物光由物体直接照到底片 上 傅里叶全息图：物体或图像频谱的全息记录。
几何光学实验讲义 1.薄透镜焦距测量 实验目的 1.掌握薄透镜焦距的常用测定方法，研究透镜成像的规律。 2.理解明视距离与目镜放大倍数定义； 3.掌握测微目镜的使用。 实验仪器 1.LED白光点光源（需加毛玻璃扩展光源） 2.毛玻璃 3.品字形物屏 4.待测凸透镜（Φ = 50.8mm，f = 150，200mm） 5.平面反射镜 6.JX8测微目镜（15X，带分划板） 7.像屏2个（有标尺和无标尺） 8.干板架2个 9.卷尺 10.光学支撑件（支杆、调节支座、磁力表座、光学平台） 基础知识 1.光学系统的共轴调节 在开展光学实验时，要先熟悉各光学元件的调节，然后按照同轴等高的光学系统调节原则进行粗调和细调，直到各光学元件的光轴共轴，并与光学平台平行为止。 1、粗调：将目标物、凸透镜、凹透镜、平面镜、像屏等光学元件放在光具座（或光学平台）上，使它们尽量靠拢，用眼睛观察，进行粗调（升降调节、水平位移调节），使各
元件的中心大致在与导轨（平台）平行的同一直线上，并垂直于光具座导轨（平台）。 2、细调：利用透镜二次成像法来判断是否共轴，并进一步调至共轴。当物屏与像屏距离大于4f时，沿光轴移动凸透镜，将会成两次大小不同的实像。若两个像的中心重合，表示已经共轴；若不重合，以小像的中心位置为参考（可作一记号），调节透镜（或物，一般调透镜）的高低或水平位移，使大像中心与小像的中心完全重合，调节技巧为大像追小像，如下图所示。 图1-1 二次成像法中物与透镜位置变化对成像的影响 图1-1(a）表明透镜位置偏低（或物偏高），这时应将透镜升高（或把物降低）。而在图(b）情况，应将透镜降低（或将物升高）。水平调节类似于上述情形。当有两个透镜需要调整（如测凹透镜焦距）时，必须逐个进行上述调整，即先将一个透镜（凸）调好，记住像中心在屏上的位置，然后加上另一透镜（凹），再次观察成像的情况，对后一个透镜的位置上下、左右的调整，直至像中心仍旧保持在第一次成像时的中心位置上。注意，已调至同轴等高状态的透镜在后续的调整、测量中绝对不允许再变动 2.薄透镜成像公式 透镜分为会聚透镜和发散透镜两类，当透镜厚度与焦距相比甚小时，这种透镜称为薄透镜．值得注意的是，若透镜太厚，光在透镜中的传播路径便无法忽略，光在透镜里的传播路径就必须做进一步的考虑。 在实验中，必须注意各物理量所适用的符号法则。运算时已知量须添加符号，未知量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。在讨论成像前，我们约定正负号定义（1）光由左往右前进定义为正方向传播。 （2）物体若放在透镜的左方，其物距为负，反之为正。 （3）像若形成在透镜的右方，其像距为正，反之为负。 （4）若是光线与光轴线相交，且相交的锐角是由光线顺时针方向朝光轴线方向旋转扫出来的，这个锐角定义为正，反之为负。
信息光学是现代光学前沿阵地的一个重要组成部分。 信息光学采用信息学的研究方法来处理光学问题，采用信息传递的观点来研究光学系统，这之所以成为可能，是由于下述两方面的原因。 首先，物理上可以把一幅光学图象理解为一幅光学信息图。一幅光学图象，是一个两维的光场分布，它可以被看作是两维空间分布序列，信息寓于其中。而信息学处理的电信号可以看作是一个携带着信息的一维时间序列，因此，有可能采用信息学的观点和方法来处理光学系统。 然而，仅仅由于上述原因就把信息学的方法引入光学还是远远不够的。在光学中可以引入信息学方法的另一个重要原因是光学信号通过光学系统的行为及其数学描述与电信号通过信息网络的行为及其数学描述有着极高的相似性。在信息学中，给网络输入一个正弦信号，所得到的输出信号仍是一个正弦波，其频率与输入信号相同，只不过输出波形的幅度和位相（相对于输入信号而言）发生了变化，这个变化与、且仅与输入信号的性质以及网络特点有关。在光学中，一个非相干的光强按正弦分布的物场通过线性光学系统时，所得到的像的光强仍是同一频率的正弦分布，只不过相对于物光而言，像的可见度降低且位相发生了变化，而且这种变化亦由、且仅由物光的特性和光学系统的特点来决定。很显然，光学系统和网络系统有着极强的相似性，其数学描述亦有共同点。正因为如此，信息学的观点和方法才有可能被借鉴到光学中来。 信息学的方法被引入光学以后，在光学领域引起了一场革命，诞生了一些崭新的光学信息的处理方法，如模糊图象的改善，特征的识别，信息的抽取、编码、存贮及含有加、减、乘、除、微分等数学运算作用的数据处理，光学信息的全息记录和重现，用频谱改变的观点来处理相干成像系统中的光信息的评价像的质量等。这些方法给沉寂一时的光学注入了新的活力。 信息光学和网络系统理论的相似是以正弦信息为基础的，而实际的物光分布不一定是正弦分布，因此，在信息光学中自然必须引入傅里叶分析方法。用傅里叶分析法可以把一般光学信息分解成正弦信息，或者把一些正弦信息进行傅里叶叠加。把傅里叶分析法引入光学乃是信息光学的一大特征。在此基础上引入了空间频谱思想来分析光信息，构成了信息光学的基本特色。 信息光学的基本规律仍然没有超出经典波动理论的范围，它仍然以波动光学原理为基础。信息光学主要是在方法上有了进一步的发展，用新的方法来处理原来的光学问题，加深对光学的理解。当然如果这些发展只具有理论的意义，它就不会像现在这样受到人们的重视，它除了可以使人们从更新的高度来分析和综合光现象并获得新的概念之外，还由此产生了许多应用。例如，引入光学传递函数来进行像质评价，全息术的应用等。
实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧 1.引言 不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成的，因此，掌握一些常用的光学元器件的结构，光学性能、特点和使用方法，对于安排实验光路系统时，正确的选择和使用光学元器件具有重要的作用。 2.实验目的 1)掌握光学专业基本元件的功能； 2)掌握基本光路调试技术，主要包括共轴调节和调平行光。 3.实验原理 3.1光学实验仪器概述: 光学实验仪器主要包括：光源，光学元件，接收器等。 3.1.1常用光源 光源是光学实验中不可缺少的组成部分，对于不同的观测目的，常需选用合适的光源，如在干涉测量技术中一般应使用单色光源，而在白光干涉时又需用能谱连续的光源（白炽灯）；在一些实验中，对光源尺寸大小还有点、线、面等方面的要求。光学实验中常用的光源可分为以下几类： 1）热辐射光源 热辐射光源是利用电能将钨丝加热，使它在真空或惰性气体中达到发光的光源。白炽灯属于热辐射光源，它的发光光谱是连续的，分布在红外光、可见光到紫外光范围内，其中红外成分居多，紫外成分很少，光谱成分和光强与钨丝温度有关。热辐射光源包括以下几种：普通灯泡，汽车灯泡，卤钨灯。 2）热电极弧光放电型光源 这类光源的电路基本上与普通荧光灯相同，必须通过镇流器接入220V点源，它是使电流通过气体而发光的光源。实验中最常用的单色光源主要包括以下两种：纳光灯（主要谱线：589.3nm、589.6nm），汞灯（主要谱线：623.4nm、579.0nm、577.0nm、546.1nm、491.6nm、435.8nm、407.9nm、404.7nm） 3）激光光源 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写：LASER)，是指通过辐射的受激辐射而实现光放大，即受激辐射的光放大。激光器作为一种新型光源，与普通光源有显著的差别。它是利用受激辐射的原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点。①激光器发出的光束有极强的方向性，即光束的发散角很小；②激光的单色性好，或者说相干性好，其相干长度可以达十米甚至数百米；③激光器的输出功率密度大，即能量高度集中。所以激光光源是一种单色性和方向性都好的强光源，已应用于许多科技及生产领域
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[()]x y iz f x f y π+的 线性叠加。即 (,)()exp[2()]x y x y x y g x y G f f f x f y df df π∞ -∞ = +?? (1) x f ，y f 为x,y 方向的空间频率，量纲为1L -；()x y G f f 是相应于空间频率为x f ，y f 的基元函数的权重，也称为光场的空间频率，()x y G f f 可由下式求得： (,)(,)exp[2()]x y G x y g x y i f x f y dxdy π∞ -∞ = -+?? (2) g(x,y)和()x y G f f 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0f 的一维光栅，其光振幅分布展开成级数： 0()exp[2]n n g x G i n f x π∞ =-∞= ∑ 相应的空间频率为f=0，0f ，0f 。 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)，
名词解释 单色平面波 波函数E 取余弦或正弦形式，对应的光波等相面为平面，且等相面上个点的扰动大小时刻相等的光波称为单色平面波。 光学全息 利用光的干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹形式记录下来，使物光波前的全部信息都贮存在记录介质中形成全息图，当用适当光波照射全息图时，由于光的衍射原理能重现原始物光波，从而形成与原物相同的三维像的过程称为光学全息。 色模糊 由于波长不同而产生的像的扩展的现象叫做像的色模糊。 范西泰特—策尼克定理 指研究一种由准单色（空间）非相干光源照明而产生的光场的互强度，特别指研究干涉条纹可冗度。 11222(,) exp()2(,;,)(,)exp ()()j J x y x y I j x y d d z z ψπαβαβαβλλ+∞-∞?? = -?+??????? 其中 22 2222221121[()()]()x y x y z z ππψρρλλ= +--=- 12ρρ分别是点11(,)x y 和点22(,)x y 离光轴的距离 基元全息图 指单一物点发出的光波与参考光波干涉所形成的全息图。 彩虹全息 只利用纪录时在光路的适当位置加一个夹缝，使再现的同时再现狭缝像，观察再现像将受到狭缝再现像的调制，当用白光照明再现时，对不同颜色的光波，狭缝和物体的再现像位于不同颜色的像，犹如彩虹一样的全息图。 判断 1.衍射受限系统是一个低通滤波器。 2.物 000(,)x y μ通过衍射受限系统后的像分布(,)i i i x y μ是000(,)x y μ的理想像和点扩散 (,)i i h x y 的卷积。 3.我们把(,)H ξη称为衍射受限系统的想干传递函数。 4.定义：()()f x h x 为一维函数，则无穷积分 ()()()()() g x f h x d f x h x ααα+∞ -∞ =-=*? 5.二维卷积 (,) (,)(,)(,)(,)(,) g x y f h x y d d f x y h x y αβαβαβ+∞-∞= --=*?? 6.1,()()() ,x x x x x a rect rect a a a a a o ?-≤?*==Λ???其他 7.透镜作用 成像；傅里叶变换；相位因子。
实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它是你要 的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你 要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入 0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学 系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue 上键入25，然后点击ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO 即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO行中的thickness栏上直接键入4。Zemax 的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负 值。再令第2面镜的thickness为100。 9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其中的 Ray Aberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。
%圆孔的夫琅禾费衍射： N=512; r=3; %衍射圆孔的半径 I=zeros(N,N); [m,n]=meshgrid(linspace(-N/16,N/16-1,N)); D=(m.^2+n.^2).^(1/2); I(find(D<=r))=1; subplot(1,2,1),imshow(I); title('生成的衍射圆孔'); % 夫琅禾费衍射的实现过程 L=500; [X,Y]=meshgrid(linspace(-L/2,L/2,N)); lamda_1=630; % 输入衍射波长; lamda=lamda_1/1e6 k=2*pi/lamda; z=1000000; % 衍射屏距离衍射孔的距离h=exp(1j*k*z)*exp((1j*k*(X.^2+Y.^2))/(2*z))/(1j*lamda*z);%脉冲相应 H =fftshift(fft2(h)); %传递函数 B=fftshift(fft2(I)); %孔径频谱 G=fftshift(ifft2(H.*B)); subplot(1,2,2),imshow(log(1+abs(G)),[]); title('衍射后的图样'); figure meshz(X,Y,abs(G)); title('夫琅禾费衍射强度分布')
%单缝的夫琅禾费衍射： N=512; a=25; % 单缝的宽度 b=1000;% 单缝的长度 I=zeros(N,N); [m,n]=meshgrid(linspace(-N/4,N/4,N)); I(-a 实验32 分光计的调节和使用 分光计是用来精确测量角度的光学仪器，物理实验中常用来测量三棱镜的顶角，折射率，研究光栅衍射特性，测光波波长等。每一种应用都需要对分光计进行精确的调节，分光计的结构复杂而精密，调节难度大，其调节是本实验的重点和难点。因此，熟悉分光计的基本结构和掌握它的基本调节要求和方法，对调整和使用其它光学仪器具有普遍的指导意义。 【实验目的】 1. 了解分光计的结构和各部分的作用； 2. 学会用“二分之一调节法”正确调节分光计； 3. 掌握用分光计测角的方法，并测量三棱镜的顶角A。 【实验仪器、用具】 分光计，单色光源，双平面反射镜，三棱镜等。 【实验原理】 1. 分光计的结构与角度测量原理 分光计由望远镜、平行光管、刻度盘、载物台与底座５个部分组成。如图32-1所示。 1-望远镜锁紧螺钉，2-望远镜，3-载物台水平调节螺钉，4-三棱镜，5-分光计主轴，6-载物台，7-平 行光管，8-平行光管狭缝锁紧螺钉，9-平行光管水平调节螺钉，10-游标盘止动螺钉，11-底座，12- 望远镜止动螺钉，13-刻度盘与望远镜固定螺钉，14-刻度盘与游标盘，15-望远镜水平调节螺钉 图32-1 分光计结构示意图 1.1 望远镜 望远镜是由一个长焦距的物镜和一个短焦距的目镜组成。物镜的像方焦点(焦平面)与目镜的物方焦点(焦平面)几乎重合，在它们的共同焦平面处装有一块分划板，用以对望远镜进行调焦。物镜和目镜均为凸透镜的望远镜称为开普勒望远镜，目镜为凹透镜的称为伽利略望远镜。 分光计中望远镜的基本结构与开普勒望远镜一样，不同的是在其分划板上贴有一个特制的直角小棱镜及对分划板的特殊设计(如图32-2)，棱镜的一个直角面紧贴在分划板上，面上除留有一个“╋”字形透光孔以外，其余部分为不透光面。棱镜的另一个直角面朝向镜筒下方，可以从其下方的开孔处射入照明光线(常用发光二极管发出的绿色光)，用以照亮“╋”字窗。分划板上的调焦准线形状为“”形，即在图 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 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。在最后一块分束镜前方两束光的重叠区域放上屏P。若Ⅰ，Ⅱ两束光严格平行，则在屏幕不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。当条纹太密时，必须用显微镜才能观察得到。在屏平面所在处放上全息感光干版，记录下干涉条纹，这就是一块全息光栅。 为了保证干涉条纹质量，光束I和II需要严格水平于光学平台，可在图中最后一个分束镜后面两束光的重叠区内放一透镜，将屏移到透镜的后焦面。细调两块反射镜使光束I和II在屏上的像点处于同一水平线上，这样I、II严格水平于平台。 《光学》期中测试 一、单项选择题. (3×10=30分) 1． 如图，S 1、S 2 是两个相干光源，它们到P 点的距离分别 为r 1 和r 2 ，路径S 1P 垂直穿过一块厚度为t 2 ，折射率 为n 1的介质板，路径S 2P 垂直穿过厚度为t 2折射率为n 2 的另一介质板，其余部分可看作真空，这两条路径的 光程差等于 [ B ] （A ）（r 2+n 2t 2）－(r 1+n 1t 1)； （B ）[r 2+(n 2－1)t 2－[r 1+(n 1－1)t 1 ]； （C ）(r 2－n 2t 2)－(r 1－n 1t 1)； （D ）n 2t 2－n 1t 1。 2． 如图所示，折射率为n 2 、厚度为e 的透明介质薄膜的上方和下方 的透明介质的折射率分别为n 1和n 3 。已知n 1< n 2 < n 3 λ束①与②的光程差是 [ A ] （A ）2 n 2e ； （B ） 2 n 2e - ? λ ； （C ） 2 n 2e - λ ； （D ） 2 n 2e - ? n 2 λ。 3．用白光源进行杨氏双缝干涉实验，若用一个纯红色的滤光片遮盖一条缝，用一个纯蓝色滤光片 遮盖另一条缝，则 [ D ] （A ）纹的宽度将发生改变； （B ）产生红色和蓝色的两套彩色干涉条纹； （C ）干涉条纹的亮度将发生变化； （D ）不产生干涉条纹。 4． 把一平凸透镜放在平玻璃上，构成牛顿环装置当平凸透镜慢慢的向上平移时， 由反射光形成的牛顿环 [ B ] （A ） 向中心收缩，条纹间隔变小； （B ） 向中心收缩，环心呈明暗交替变化； （C ） 向外扩张，环心呈明暗交替变化； （D ） 向外扩张，条纹间隔变大。 5．在单缝夫琅和费衍射装置中，将单缝宽度b 稍稍变宽，同时使单缝沿y 轴正方向作为微小位移， 则屏幕上的中央衍射条纹将 [ C ] （A ） 变窄，同时向上移； （B ） 变窄，同时向下移； （C ） 变窄，不移动； （D ） 变宽，同时向上移； （E ） 变宽，不移动。 S S ① 3 五、光的反射实验 （1）实验目的：探究反射光线沿什么方向射出 （2）器材：可折叠的白纸板，平面镜、刻度尺、量角器、笔 （3）步骤：①将平面镜放在“水平桌面”上，白纸板“垂直”立在平面镜上。 平面镜：充当反射面，可以使反射光线更加明亮，易于观察和记录 白纸板：发生漫反射，显示光的传播径迹，记录实验数据，验证“三 线共面”。 ②将一束光AO 紧贴E 板沿某一个角度声响O 点，观察F 板上出现的 反射光线OB ，保持E 板不动，前后绕着ON 轴转动F 板，观察在F 板上能否看到反射光线OB 。 结论： ①反射时，反射光线、入射光线和法线在同一平面内。 ②反射光线与入射光线分居发现两侧 ③将一束光AO 紧贴E 板沿某一个角度射向O 点，观察F 板上出现的反射光线OB ，在纸板上用铅笔描出入射光线AO 和反射光线OB 的径迹，改变光束入射的角度在做3次，用不同颜色的笔记录每次光的径迹。取下纸板，用量角器量出ON 两侧的∠i 和∠r 的度数，将数据记录在表格中 归纳结论：反射角等于入射角 ④将一束光从F 板射入，会看到反射光线从E 板射出， 结论：反射光线与入射光线分居发现两侧 ⑤将蓝色光束在F 板逆着BO 射入，看到在E 板的反射光线逆着OA 射出。 结论：反射时光路可逆 ⑥将一束光从NO 射入（垂直射入），会看到反射光线逆着原路沿ON 射出，此时∠i=∠r=0o 总结：光的反射定律（略） ⑦如果探究反射角与入射角的关系，则实验要做6次，目的是使结论更趋近于实际关系 六、平面镜成像实验 1、平面镜的作用：（1）改变光路 潜望镜······ （2）成像 2、平面镜成像实验 （1）器材：激光笔、薄玻璃板、支架、大白纸一张、刻度尺、一对一模一样的蜡烛AB 、量角器 （2）方法：等效替代法 用B 蜡烛替代A 蜡烛，与像重合。 （3）步骤： ①将大白纸铺在水平桌面上，用刻度尺在白纸中央画一条直线，用支架将玻璃板垂直立在白纸中央的直线上。 ②将A 蜡烛点燃，放在玻璃板左侧某一位置上，透过玻璃板，看到在玻璃板的右侧出现蜡烛A 的像A ′， ③移动B 蜡烛，使之与A ′重合，在白纸上记录下A 蜡烛与像A ′（即B 蜡烛）对应点的位置。 信息光学研究发展现状 【摘要】从全息思想的提出至今已经有半个多世纪的历史。期间，全息技术的发展取得了很大的成就。梳理一下全息技术的发展以及当今的研究和应用现状，有助于我们深入了解全息技术对生产、生活的重要影响以及其今后的发展方向。 【关键词】全息防伪存储全息透镜 【引言】全息技术一门正在蓬勃发展的光学分支，主要运用了光学原理，是一种不用透镜，而用相干光干涉得到物体全部信息的二部成像技术。如果说全息技术在照相方面的应用与普通照相技术的最大区别，那就是全息技术能够利用激光的相干性原理，将物体对光的振幅和相位反射（或透射）同时记录在感光板上，也就是把物体反射光的所有信息全部记录下来，并能够再现出立体的三维图像。也就是全息技术所记录不是图像，二是光波。全息技术近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中，特别是在现代测试、生物工程、医学、艺术、商业、保安及现代存储技术等方面已显示出特殊的优势。随着全息技术的快速发展，全息技术的产品正越来越多地走向市场、应用于现代生活中。 一、全息技术的发展简介 全息照相技术是1948年英国科学家丹尼斯·伽伯(Dennis Gabor)为改善电子显微镜成像质量提出的重现波前的理论，并因此获得了诺贝尔奖。但当时由于缺乏纯净的能够相互干涉的光，全息图的质量很差。直到十二年以后的1960年，激光器问世，美国密执安大学的埃梅蒂·利斯与朱里斯·尤佩尼克拍成了第一张全息相片，全息技术才有了蓬勃快速的发展。 1948年，伽伯为提高电子显微镜的分辨率，在布拉格的“x射线显微镜”、泽尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法。为了进一步证实其原理，他先后采用电子波与可见光进行了验证，并在可见光中得到了证实，同时制成了第1张全息图。从那时起至20世纪5O年代末期，全息图都是用汞灯作为光源，而且是参考光与物光共 第一章激光的基本概念 §1.1时间相干性和空间相干性 １．相干时间 ２．相干面积 ３．相干体积 §1.2光波模式和光子状态 １．光波模式 ２．光子及其状态 §1.３光与物质的相互作用 １．光与物质相互作用的三过程(自发辐射受激吸收受激辐射)２．爱因斯坦系数间的关系 ３．光子简并度 ４．激光器与起振条件 第二章腔模理论的一般问题 §2.1变换矩阵 １．变换矩阵的基本性质 ２．变换矩阵各元素的意义 §2.2腔的稳定性问题 １．稳定性条件 ２．等效方法 §2.3腔的本征模式 §2.4腔的损耗 1. 平均单程损耗因子 2．光子在腔内平均寿命 3．无源谐振腔的品质因数Q 4．本征振荡模式带宽 第三章稳定球面腔 §3.1共焦腔的振荡模 §3.2光斑尺寸和等价共焦腔 §3.3衍射损耗及横模选择 §3.4谐振频率，模体积和远场发散角第四章高斯光束 §4.1 厄米高斯光束和拉盖尔高斯光束§4.2 高斯光束的q参数 第五章非稳定腔 §5.1 非稳定腔的谐振模 §5.2 几何放大率和功率损耗率 §5.3 单端输出虚共焦腔的设计 第六章电磁场和物质相互作用 §6.1 线性函数 1. 定义 2.自然加宽和碰撞加宽N 3. 多普勒加宽 4. 综合加宽 §6.2 速率方程组 1.三能级系统 2.四能级系统 第七章增益饱和与光放大 §7.1 发射截面和吸收截面 §7.2 小信号增益系数 §7.3 均匀加宽工作物质的增益饱和 1. 反转集居数的饱和 2. 均匀加宽大信号增益系数 §7.4 非均匀加宽工作物质的增益饱和 1. 加宽大信号增益系数 2. 强光作用下弱光的增益系数 第八章激光振荡理论 §8.1激光器的振荡阈值,阈值反转集居数密度 §8.2连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率§8.3多模激光器 §8.4 频率牵引 第九章激光的半经典理论 §9.1处理方法 §9.2 密度矩阵 1.定义 2.性质 §9.3 集居数运动方程迭代解 1. 静止原子的单模理论 2. 运动原子的单模理论 3. 静止原子的多模理论 4. 环形激光器 5. 塞曼激光器 第十章激光的量子理论 §10.1 辐射场的量子化 §10.2 相干态 §10.3 相干态的几个性质 §10.4 约化密度矩阵 §10.5 原子和辐射场的相干作用 §10.6 主方程 §10.7 振荡阈值和增益饱和 §10.8 光子统计 §10.9 内禀线宽 §10.10 激光场的光强涨落 第十一章相干光学瞬态效应 §11.1 二能级系统和辐射场相互作用 §11.2 相干瞬态光学过程 §11.3 相干双光子过程 工程光学实验讲义华南师范大学信息光电子科技学院 前言 工程光学实验室是光学专业的专业基础实验室。计划于2012年建成并投入使用，每次可容纳40人进行实验。 对应的实验课程由应用光学实验和物理光学实验两部分组成，是其相应两门理论课程的配套实验室，学生通过实验可获得较完整的光学知识、光学基本理论、基本技能，以进一步学习光信息技术、现代光电子技术的各门课程打下基础。本实验室主要完成《工程光学》课程的实验环节。目前，工程光学实验室初步建设完成2个应用光学实验，3个物理光学实验。 应用光学实验包括薄透镜焦距的测量、显微镜和望远镜的特性研究2个实验；物理光学实验包括等厚干涉、多光束等倾干涉（法布里-珀罗干涉仪）、偏振3个基本实验。带*号的内容为选作实验环节。 2011-12 光学实验守则 1．请准时进入实验室，保持室内卫生，与实验无关的位物品不准带入实验室。2．要认真预习实验内容，按老师的要求做好实验预习报告，无预习者不得做实验。实验后按要求、按时完成实验报告。 3．实验时首先检查所用仪器设备是否齐全完好，了解仪器正确使用方法。不了解仪器的结构和操作方法时不得动用仪器设备。 4．接通电源时，应注意电源电压，要正确选用仪器所需的相应变压器。防止损坏仪器及触电的危险。 5．避免直视激光等强光源，眼睛尽量不要停留在与光源平高的位置，以免带来不必要的伤害； 6．绝对禁止用手指和不洁物品触摸或擦拭光学零件表面。 7．不得随意动用与本次实验无关的仪器，损坏仪器者要按学校规定赔偿。 8．实验完毕，请整理好仪器设备及室内卫生，经老师检查后方能离开实验室。 实验预习要求 1．实验内容：实验目的和老师提出的要求。 2．实验仪器：所使用的仪器和光学物镜。 3．实验原理：实验光路图及公式。 4．实验方法和步骤。 5．实验结果分析。 6．思考题回答。 7．对本实验提出改进意见。 实验报告内容（上交） 班级：学号：姓名： 1．实际实验光路和步骤简述。 2. 实验数据记录. 3．实验结果分析以及结论。 4．思考题回答。 5．对本实验提出改进意见。 备注: 实验报告可以打印或者手写，实验报告上交时间：实验完成后的两周内。 日期：年月日 光纤耦合与特性测试 一、实验目的 1、了解常用的光源与光纤的耦合方法。 2、熟悉光路调整的基本过程，学习不可见光调整光路的办法。 3、通过耦合过程熟悉Glens的特性。 4、了解1dB容差的基本含义。 5、通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。 二、实验原理 在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问题：即如何从各种类型的发光光源将光功率发射到一根特定的光纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一根光纤耦合到另外一根光纤中去（相对于目前绝大多数光纤器件而言）。对于任一光纤系统而言，主要的目的是为了在最低损耗下，引入更多能量进入系统。这样可以使用较低功率的光源，减少成本和增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。 光学耦合系统的1dB失调容差定义为当耦合系统与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使得耦合效率从最大值下降了1dB时的位置偏移量。1dB失调容差对于实用化的光学耦合系统来说是一个重要的衡量指标．因为任何半导体激光器组件中都存在如何将耦合系统与半导体激光器芯片相对固定(封装)的问题，不论采用何种固定方式，都不可避免地存在由于封装技术不完善及环境因素变化而造成的位置失调现象。一个光学耦合系统具有效大的失调容差就意味着该系统在封装时允许出现较大的位置失调．因而可以来用结构简单、定位精度不太高的低成本封装技术。 光纤系统中，必须考虑光源的辐射空间分布（角分布）、发光面积，光纤的数值孔径、纤芯尺寸和光纤的折射率剖面等等，使尽可能多的光能量进入光纤当中。对于耦合系统，通常要求具有以下几个特点： 1. 大的1dB容差。大的容差是工业生产的一个基本条件，容差越大，才可能产量越大，成本越低。 2. 弱的光反馈。目前低成本光源一般不配置隔离器，所以对于耦合系统来说，弱的光反馈意味着光源的稳定性的提高。 3. 简单易操作、耦合效率高、稳定。 《光学》试题 4 页，五道大题，满分为100分，请考生仔细检查，以免漏答。 一、单项选择题（每小题2分，共10分） 1．波长为400nm和800nm的两条谱线的瑞利散射强度之比为： （A）2 （B）16 （ C）4 （ D）32 ［］ 2．全息照片记录的是 (A) 被拍照物体表面光波光强的分布． (B) 拍照物体表面光波相位的分布． (C) 物光与参考光的干涉图样． (D) 被拍照物体的像． (E) 被摄物体的倒立实像．［］ 3．一束自然光以布儒斯特角入射于平板玻璃,则： (A)反射光束是垂直于入射面振动，而透射光束平行于入射面振动，并都为线偏光. (B)反射光束是平行于入射面振动的线偏振光，而透射光束是部分偏振光. (C)反射光束是垂直于入射面振动的线偏振光，而透射光束是部分偏振光. (D)反射光束和透射光束都是部分偏振光. ［］ 4．在单缝夫琅禾费衍射实验中，若增大缝宽，其他条件不变，则中央明条纹 (A)宽度变小. (B) 宽度变大. (C) 宽度不变，且中心强度也不变. (D) 宽度不变，但中心强度变小．［］ 5．仅用一个偏振片观察一束单色光时，发现出射光存在强度为最大的位置（标出此方向MN），但无消光位置．在偏振片前放置一块四分之一波片，且使波片的光轴与标出的方向MN平行，这时旋转偏振片，观察到有消光位置，则这束单色光是 (A) 线偏振光．(B) 椭圆偏振光． (C) 圆偏振光. （D）自然光. 二、填空题（每小题3分，共24分） 1． 能量为2电子伏特的光子频率为 。 （e=1.6310-19 C ，Js h 34 10 63.6-?=） 2. 一束单色光波在折射率为n 的介质中由A 点传播到B 点，位相改变了2π，问光程改变了_______________________。 ３． 光栅衍射中，欲使双缝夫琅禾费衍射的中央峰内恰好含有11条干涉条纹，则缝宽和缝间距需要满足什么条件______________________。 ４． 用波长λ=632.8nm 的光源照明迈克耳孙干涉仪测量长度时，发现一镜移动一段距离后，干涉条纹移动2000条，这段距离为______________mm 。 ５． 如图所示的劈形薄膜，当上表面BB’平行地向上移动时，条纹将向 移动。 6． 用波长为λ的单色光垂直照射折射率为n 2的劈形膜,各部分折射率的关系是n 1＜n 2＜n 3．观察反射光的干涉条纹，从劈形膜尖开始向右数第5条明条纹中心所对应的厚度e ＝____________________． 7． 一束单色线偏振光沿光轴方向通过厚度为l 的旋光晶体后，若旋光晶体对该 光的旋光率为α，则线偏振光的振动面发生，旋转的角度的表示式为_________． 8. 激光器的基本结构包括三部分，即________________、______________和 __________________． 8小题，共56分） 6分) 若空气中一均匀球形透明体能将平行光束会聚于其背面的顶点上，此透明体的折射率应等于多少？第一轮光学实验讲义(以分组)
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