信息光学与激光实验讲义最新版
光信息专业基础实验2讲义(09级使用)_1
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。
信息光学专题知识讲座
(2)成像。
透镜一般由光密介质玻璃(n=1.5)做成。
1. 薄透镜旳位相调制作用 薄透镜：就是厚度和透镜表面曲率半径相比很小旳透镜。
对于薄透镜，能够近似
以为光线进入透镜旳位
O
I
置（x,y）与光线射出透
镜旳位置相同。
所以，一种薄透镜旳作用只是使入射波前受到延迟，延迟旳 多少正比于透镜各点旳厚度。
fy)
其中
fx
x0
f
,
fy
y0
f
与2-4-13式比较后不难发觉，这正是f(x,y)旳夫琅和费衍射 成果！正是因为这个原因，实践中夫琅和费衍射试验往往 都是经过一种正透镜来实现旳。
g( x0, y0 ) 还不是 f ( x, y) 旳傅立叶变换，它多了一种相位因子；
exp if ( fx2 f y2 )
3－1 透镜旳傅立叶变换性质
对于透镜，我们并不陌生，透镜是光学成像系统最主要旳 器件，我们这里讲透镜不是从几何光学旳角度去讨论它，而是 从波动光学旳角度去研究它，同学们会随即旳讨论中发觉讨论 旳成果和几何光学旳成果完全一致。当然，衍射旳效果是不能 用几何光学旳措施去讨论旳。 透镜有两个非常主要旳性质：
磨镜者公式：
1 f
(n
1)
1 R1
1 R2
假如用单位振幅旳平面波入射到透镜上，这时入射波复振幅，
U1(x, y) 1
出射光波复振幅，
U2(x, y)
U1( x, y)PL ( x, y)
exp i
k 2f
(x2
y2 )
2. 透镜旳傅立叶变换性质
会聚透镜最突出旳旳性质之一就是它固有旳进行二维傅立叶变换 旳本事。 假定光源是单色旳，也就是说我们所研究旳系统是相干系统。
激光 课件(人教版)
很大的能量
刀”;激发核反应等
2.全息照相 （1）与普通照相技术的比较：普通照相技术所记录的只是光 波的能量强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的_相__位__信息. （2）原理：全息照相的拍摄利用了光的_干__涉__原理，使_参__考__光__ 和物光在底片上相遇，发生干涉，形成复杂的干涉条纹.这要 求参考光和物光必须具有很高的_相__干__性. （3）观察全息照片时要用_激__光__照射照片，从另一侧面观察.
一般取最小厚度d满足2d= （此波长为光在该种介质中的波长）
2
由于白光中含有多种波长的光，所以增透膜只能使其中一定波 长的光相消.因为人对绿光最敏感，一般选择对绿光起增透作 用的膜，所以在反射光中绿光强度几乎为零，而其他波长的光 并没有完全抵消，所以增透膜呈现淡紫色. 【特别提醒】增透膜的“增透”应理解为：两束反射光相互抵 消，反射光的能量减少，由于总的能量是守恒的，反射光的能 量被削弱了，透射光的能量就必然得到增强.增透膜是通过“消 反”来确保“增透”的.
（注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左到右 的位置顺序上）
2.增透膜 为了减少光学装置中的反射光的损失， 可在元件表面涂一层透明薄膜，一般 是氟化镁. 如图所示，在增透膜的前后表面反射 的两列光波形成相干波，相互叠加，当路程差为半波长的奇数 倍时，在两个表面反射的光产生相消干涉，反射光的能量几乎 等于零.
薄膜干涉及其应用 【探究导引】
如图所示是带有增透膜的眼镜，请思考下列问题： （1）增透膜的厚度应该有多厚？ （2）薄膜干涉是哪两束光干涉得到的？ （3）用干涉法检查平面的平整度时，若出现干涉条纹不是直 条纹，如何判断平面的凹凸情况？
【要点整合】 1.用干涉法检查平面平整度 如图甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照 射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的. 如果被测表面某处凹下，则对应亮条纹（或暗条纹）提前出现， 如图乙中P条纹所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现， 如图乙中Q所示.
信息光学课件
电磁场与麦克斯韦方程
电磁场的基本概念
电磁场是由电场和磁场组成的， 它们之间存在相互作用。
麦克斯韦方程
描述了电磁场变化的四个基本方程 ，包括电场的散射方程、磁场的散 射方程、电场的波动方程和磁场的 波动方程。
电磁场的能量守恒
电磁场在空间中传播时，其能量不 会消失也不会凭空产生，即电磁场 的能量守恒。
将光学传感技术应用于物联网领域，实现智能化 、远程化和自动化的监测和控制。
3
光学传感器的集成与小型化
通过集成和优化光学器件，实现光学传感器的微 型化和便携化，满足不同应用场景的需求。
05 信息光学实验与实践教学 环节设计
实验内容与目标设定
实验内容
信息光学实验包括干涉、衍射、光学 信息处理等基本实验，以及一些综合 性和创新性实验。
信息光学课件
目录
CONTENTS
• 信息光学概述 • 信息光学基础理论 • 信息光学器件与系统 • 信息光学前沿技术与发展趋势 • 信息光学实验与实践教学环节设计 • 信息光学课程评价与总结反思环节设计
01 信息光学概述
信息光学定义与特点
信息光学定义
信息光学是一门研究光学信息的 获取、传输、处理、存储和显示 的科学。
傅里叶变换与信息光学
傅里叶变换
是一种将时域信号转换为频域信号的数学工具，常用于信号处理 和图像处理等领域。
信息光学的基本概念
信息光学是一门研究光波在空间和时间上传递、处理和存储信息的 科学。
信息光学的应用
信息光学在通信、生物医学成像、军事等领域有着广泛的应用，如 光纤通信、光学显微镜、光学雷达等。
03 信息光学器件与系统
光学器件分类与特点
主动光学器件
最新光学与激光实验讲义
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。
2024年激光原理与技术课件课件
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。
激光原理与应用讲 课件
光的干涉与衍射
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点相遇时，由 于光波的相位关系不同，导致光强分布发生变化的现象。干 涉现象是双缝实验中明暗条纹形成的原因。
光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，光波发生弯 曲的现象。衍射现象使得光波能够绕过障碍物，继续向前传 播。
光的受激辐射
光的受激辐射是指处于激发态的原子在特定频率的光照射 下，会释放出与照射光频率相同的光子的现象。受激辐射 是产生激光的重要机制之一。
当一个光子与一个处于基态的原子相互作用时，该原子会 吸收光子的能量并跃迁到激发态。随后，该原子会释放出 一个与原先照射光频率相同的光子，同时自身回到基态。
激光的特性
国家安全规范
各国政府和相关机构也制定了相 应的激光安全规范，规定了激光 产品的生产和销售要求、使用限 制等，以确保公众的安全。
2023 WORK SUMMARY
THANKS
感谢观看
REPORTING
激光去痘
利用激光能量杀死引起 痘痘的细菌，量破坏毛囊 的生长能力，从而达到
永久脱毛的效果。
军事领域
01
02
03
激光制导
利用激光束对导弹进行精 确制导，提高导弹的命中 精度和作战效果。
激光雷达
利用激光束对目标进行探 测和定位，具有高精度、 高分辨率、抗干扰能力强 等优点。
PART 05
激光的安全与防护
激光的生物效应
光热效应
激光照射生物组织后，组织吸收光能 转化为热能，引起局部温度升高，可 能导致组织损伤。
光化学效应
电磁场效应
激光产生的电磁场能够影响生物组织 的电磁特性，对细胞和分子产生影响 。
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物理电子实验中心
2013． ０6
【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L１(焦距F1)、Ｌ2（焦距F2)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Ｌ１和L2使产生一扩束的平行光并调节它们共轴。
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”。
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。
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ﻩ９
实验四、联合傅立叶变换相关图像识别实验ﻩ13
激光原理综合实验
实验五、Hｅ-Nｅ激光器的调整与工艺测量16
实验六、He－Nｅ激光器的模式分析１９
实验八、激光的相位测距２8
ﻩ前言ﻩ
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。
【实验原理】
1．二维傅里叶变换
设有一个空间二维函数 ,其二维傅里叶变换为
F (1.1）
式中 分别为ｘ,y方向的空间频率,其量纲为L-1，而 又是 的逆傅里叶变换,即
Ｆ－1 (1.２）
式(１.２)表示任意一个空金函数 ,可以表示为无穷多个基元函数 的线性叠加, 是相应于空间频率为 的基元函数的权重, 称为 的空间频率。
怎样检验Ｌ2出来的光是否平行光？如L1的焦距为１２mm，Ｌ2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。
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。
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ｆx并求光栅的基频。
位置x’/ຫໍສະໝຸດ m空间频率fx/mm-1
一级衍射
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（Ｌ1:12ｍm,L2:7０ｍm;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。
信息光学与激光实验讲义最新版
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ﻩ
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
前言ＩI
信息光学综合实验
实验一、阿贝成像光路调节与观测ﻩ1
当 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 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 的傅里叶变换 ,其中 与坐标x’,y’的关系为
（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 ，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 变为频谱面上空家频率分布 ,第二步则是再作一次变换,又将 还原到空间分布 。