信息光学与激光实验讲义最新版

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：