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1、1,6 波动光学应用举例,一.相控阵列雷达二.全息术三.光信息处理四.非线性光学,2,一.相控阵雷达,m确定时 调节I 则 相应改变,可以获得更高级次的条纹（分辨率高）,3,改变 即可改变 0 级衍射光的方向,相邻入射光的相位差,4,2.相控阵雷达,(1)扫描方式,相位控制扫描,频率控制扫描,(2)回波接收,通过同样的天线阵列接收,5,无机械惯性 可高速扫描 一次全程扫描仅需几微秒由计算机控制可形成多种波束 能同时搜索、跟踪多个目标不转动 天线孔径可做得很大 辐射功率强、作用距离远、分辨率高,3.相控阵雷达的优点,如地形测绘、,气象监测、,导航、,测速（反射波的多普勒频移）,相控阵雷达除军事应
2、用外，还可民用：,6,设在澳大利亚Sydney大学的一维射电望远镜阵列,（N=32，=21cm，a=2m，阵列长213m）,7,阵列宽31m，有1792个辐射单元。,能探测到5500公里范围内的10m2大小的物体。,用于搜索洲际导弹和跟踪人造卫星。,设在美国鳕角（Cape cod）的相控阵雷达照片,8,二.全息照相,D.Gabor 1948年提出 激光出现后很快发展 1971年获诺贝尔物理学奖,1.特点 普通照相 全息照相记录内容 振幅频率 振幅频率相位(全部信息)理论 几何光学 波动光学(相干光源)再现图像 平面 立体,9,2.拍摄,参考光在底片上各点振幅相同 相位也相同 物光则不同,10,
3、产生环状干涉条纹干涉极大处为暗环 制成正片后为亮环全息照片为无数套环状条纹的叠加,r0,r0+2,r0+3,分析一个点的物光,r0+,11,0级,1级,-1级,3.再现,用原波长的参考光照射,12,大于一级的光强很弱 可不考虑,衍射光在原来的物点产生相长干涉得到原物的实像,左方得到虚像,双光束干涉-正弦光栅,13,再现立体图像,14,再现立体图像,15,再现立体图像,16,白光全息,17,信息编码和译码,全息电影无损检测,4.应用,如一张玻璃片,信息贮存 106-109 bit/mm2,18,三.光信息处理信息光学也称为变换光学或付里叶光学基本概念起源于上世纪后期，20世纪60年代激光问世后
4、迅速发展为一门新的学科,空域付里叶变换（付里叶光学基础）：把一个空间周期的函数用一系列正弦基元展开,时域付里叶变换：把一个时间周期函数用一系列正弦基元展开 如一波列可分解为无穷单一频率的平面波,19,1.基本物理量 与时域付里叶变换对比如波动：时域 空域,空间周期,时间周期,时间频率,空间频率,时间角频率,空间角频率,20,物面,2.基本思想 用频谱的语言分析物面的信息 用改变频谱的手段来处理信息3.基本装置,21,典型装置：,编码 解码,22,23,入射光经物平面发生夫琅禾费衍射,在L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹,此即物的空间频谱,第一步：,各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干,第二步：,叠
5、加形成物的像,成像过程可分解为两步：,24,对夫琅禾费衍射的新认识：,数学上-付里叶变换空域中的付里叶变换-以正弦为基元付里叶频谱分析器-理想的夫琅禾费衍射装置中的透镜对空间周期函数（例如光栅）做了一个付里叶变换 且把频谱显示在透镜的焦平面上一定空间频率的信息被一束特定方向的衍射波输送出来。光学计算术,25,一个透镜就是一个光学模拟计算机,光学模拟计算机的优点：,1）能直接处理连续函数 不需要抽样离散化2）能直接处理二元函数 f(x,y)3）是并行输入 光束交叉可独立传播 4）速度快 不受 RC 时间常数限制5）装置简单 价格低,26,光学模拟计算机的不足：,1）直接处理数据信号很困难,2）易
6、受干扰,3）只能进行付氏变换运算 作其它运算困难,光学专家和计算机专家们正在探索光学计算,机由模拟化走向数字化,利用光学双稳态元件,（如一些电光晶体器件）,可以在电信号的控制下 达到透光和不透光,即实现（0，1）状态,从而可实现数字化,27,光开关的速度 10亿次/秒 运算速度 100万次/秒 不久达到 几亿次/秒,1990.1.29 贝尔实验室 数字光处理器：,1993年 1cm2 GaAs衬底上集成了一百多个 电泵浦微型激光器,光计算机要求光子元件小型化、集成化 集成光路,光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。,美国防部将此列为22项关键技术之一。,同年美国研制成了世界上首台光计算机。
7、,28,改变频谱可改变物光的信息,在频谱面上放置空间滤波器 可改造空间频谱,空间滤波,5.空间滤波,29,30,6.光信息处理举例,轮廓突出和低对比度图形的识别（边缘增强）,物体边缘以内及背景光强变化较慢,边缘亮度变化剧烈 高频成分丰富,物体某部分的亮度与背景亮度之比叫对比度,主要是低频,和直流成分,31,从而突出轮廓亮度 形成亮的镶边。,作法：,在物的频谱面F上放一个高通滤波器,（玻璃片中心镀个不透明的斑），,挡掉0级和低频,成分，,高频滤波和轮廓突出,32,33,光学去污,用纯净网格谱的正片滤波,用纯净网格谱的负片滤波,可得到纯净网格,可得到污点,光学去污主要用于工业制版(大规模集成电路）
8、,检查模版上的污点（噪声）或复制模版,34,光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物,的付氏谱进行比较 从而找出待测目标,特征识别系统可以做到：,从卫星照片中检测军事目标,从文件中检测某个字,从细胞中检测癌细胞,进行航空测量,光学特征识别,光学侦破（指纹识别）,35,例如指纹识别：,36,调制（假彩色编码）,（光栅拼成）,物,像,频谱面,37,模糊图象处理（离焦模糊、运动模糊）,关键是找到T,G(fx，fy)模糊图象的谱。,设：G(fx，fy)清楚图像的谱，,模糊因子，,令：,滤波后,则,38,消模糊处理前的碑文,处理后的碑文（唐诗）,39,以达到对图象信息进,光学下册，赵凯华、钟锡华。从波光学
9、到信息光学，宋菲君。大学物理学（第四册）张三慧等。,参考书目,总之，信息处理的关键在于研究清楚信息的,频谱特征，,然后针对它研制相应的空间滤波器，,从而按照需要改变频谱，,行处理的目的。,40,四.非线性光学,非线性现象,选择合适的晶体，可得连续可调激光器,倍频,混频,41,光致透明 强光时，物质的吸收系数与光强有关强光可使物质分子的一半处在激发态 透明强光的自聚焦现象折射率随光密度的增加而增加 类似于凸透镜,破坏性,42,1.强光与被动介质的相互作用,2.强光与激活介质的相互作用,如：光学整流、光学倍频、光学混频、光自聚焦等。,如：受激拉曼散射、受激布利渊散射。,被动介质是指这种介质在与强光
10、作用时，其自身的特征频率并不起作用。,激活介质是指这种介质在与强光作用时，它能以其特征频率影响与之相互作用的光波。,一）非线性光学现象的分类：,43,二）光学现象来源于极化强度,在各向同性的介质中，极化强度：,、分别为各阶极化系数，,它们都是与E无关的常量，由介质的性质决定。,44,从理论上可证明：,线性光学,非线性光学,非线性极化系数较大的介质称为非线性介质,原子内部的平均场强：,45,三）非线性光学现象的解释,与入射光同频率的光,光学倍频（optical frequency doubling),光学整流(optical rectification),1.若,46,直流项,基频项,倍频项,和、差项,2.若,波动结束,
