衍射方法的光电信息变换
光的干涉与衍射光波的波动特性与变化
光的干涉与衍射光波的波动特性与变化光的干涉与衍射：光波的波动特性与变化光是一种电磁波，具有波动特性。
在传播过程中，光波会经历干涉和衍射的现象，这些现象揭示了光的波动本质以及其变化规律。
本文将以干涉和衍射为核心，探讨光的波动特性以及与之相关的变化。
一、干涉现象干涉是指两个或多个光波相遇产生的干涉效应。
干涉可以在空间中产生明暗相间的干涉条纹，这主要归功于光波具有波长和相位的特性。
1. 光波的波长：光的波长是指在光学中波峰与波峰之间或波谷与波谷之间的距离。
不同波长的光波会呈现出不同的颜色，例如红光具有较长的波长，而紫光则具有较短的波长。
2. 光波的相位：光波的相位是指同一波长内的振动状态，相位差则表示不同光波之间的相位偏移。
当两个或多个光波相遇时，其相位差决定了干涉效应的强弱。
干涉现象分为两类：构成干涉的光波可以是来自同一光源的相干光，也可以是来自不同光源的相干光。
1. 来自同一光源的干涉（自相干干涉）：自相干干涉是指光源发出的光波，经由不同路径传播后再次相遇产生干涉效应。
这种干涉现象的重要代表是杨氏双缝干涉实验。
杨氏双缝干涉实验中，光经由两个狭缝后形成的光波在屏幕上产生明暗相间的干涉条纹。
这是由于两个光波的波峰或波谷相遇形成增强效应，而波峰和波谷相遇则形成干涉的消减效应。
通过这种实验，我们可以看到干涉现象明显地表明光的波动特性。
2. 来自不同光源的干涉（外相干干涉）：外相干干涉是指来自不同光源的光波相遇时产生的干涉效应。
这种干涉现象的重要代表是薄膜干涉实验。
薄膜干涉是指当光波从一个介质进入另一个介质时，由于两介质之间的折射率不同而产生的干涉条纹。
这是由于入射光波的一部分被反射，一部分被折射，两者再次相遇产生干涉效应。
通过薄膜干涉实验，我们可以研究光在介质之间传播过程中折射率的性质及介质的厚度。
二、衍射现象衍射是指光波传播时遇到障碍物或通过开口时发生的弯曲现象。
光波的衍射效应进一步展示了光的波动特性以及光波的波长和波前的关系。
第7章光电信息变换下
①光学多普勒（Doppler）差频检测 光学多普勒（ ） 多普勒效应——运动物体能改变入射于其上的波动性质的 多普勒效应 运动物体能改变入射于其上的波动性质的 现象。 现象。 V0(rs-r0) V0 多普勒频移∆f=f -f =V (r -r )/λ 多普勒频移
s 0 0 s 0
物体速度
可推出
PD rs-r0 散射光 θ fs
用单一光电器件检测干涉条纹可以在较小的空间 进行。 进行。检测对象一般是干涉条纹的波数或相位随 时间的变化。适用于测量物体整体位移或速度。 时间的变化。适用于测量物体整体位移或速度。 ①干涉条纹光强检测法
利用干涉仪的光干涉， 利用干涉仪的光干涉，以光电器件直接检测条纹的光强变 化来实现测量。 化来实现测量。 用光电接收器检测干涉条纹时， 用光电接收器检测干涉条纹时，光电信号不仅取决于条纹 的光强对比， 的光强对比，而且决定于接收器的光阑尺寸和干涉条纹之 间宽度的比例关系。 间宽度的比例关系。
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测 从信息处理的角度来看， 信息对光频载波的调制和解调的过程。 信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型 的干涉仪器或干涉装置是光频波的调制器和解调 器。可用最常见的干涉仪来说明这个模型。 可用最常见的干涉仪来说明这个模型。
2.单频光相干的条纹检测 2.单频光相干的条纹检测
7.4.1 干涉方法的光电信息变换
1. 光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准， 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几 何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、 何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向 和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。 和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。
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衍射及成像原理范文
衍射及成像原理范文衍射是指光线通过一个不透明的物体后，经过一定的传播过程后形成新的光场分布的现象。
光的衍射是由光波的干涉效应引起的，光波与物体相互作用后会发生干涉，使得光的传播方向和强度发生变化。
衍射的成像原理是基于光波的干涉效应。
当光线通过一个小孔或细缝时，光波会发生衍射现象，波前会弯曲，光线会出现多个方向的弯曲和交叠。
当这些光线进入到相机或人眼中，会形成一个新的光场分布，即图像。
具体来说，衍射成像原理包括：1.菲涅尔衍射原理：当光线通过一个小孔或细缝时，会形成一系列的圆环状亮暗相间的衍射条纹，称为菲涅尔衍射图样。
这些衍射条纹是由光波的干涉效应引起的，可以通过解菲涅尔衍射公式计算得到。
2.艾里斑：当光线通过一个不规则形状的孔或细缝时，会形成许多不规则形状的亮暗相间的斑点，称为艾里斑。
艾里斑是由于光波的衍射和干涉效应引起的，在成像过程中会产生一定的模糊度。
3.双缝干涉：当光线通过两个并排的小孔或细缝时，会形成一系列亮暗相间的干涉条纹。
这是由于两个光源产生的光波在空间中发生干涉引起的，可以通过解双缝衍射公式计算得到。
衍射成像原理应用于许多领域，包括光学显微镜、望远镜、光学传感器等。
在这些应用中，光线经过镜头、透镜或其他光学元件衍射后，形成的光场分布会被转换成可见的图像。
这些图像可以被探测器捕获并进一步处理和分析。
总结来说，衍射及成像原理是光波在通过物体并干涉后形成新的光场分布的现象。
通过衍射成像原理，我们可以理解光的衍射现象，解释各种干涉条纹的产生机制，进一步应用于光学成像和传感器技术中。
基于光电器件的衍射型光学神经网络系统
研究现状与发展
光学神经网络的研 究现状
光学神经网络的发 展趋势
基于光电器件实现 衍射型光学神经网 络的国内外研究现 状
研究内容与方法
研究内容
设计并实现一种基于光电器件的衍射型光学神经网络系统，包括硬件架构、 模型算法和实验验证等
研究方法
采用理论分析和实验验证相结合的方法，对所提出的光学神经网络系统进行 评估和分析，包括模型训练、测试和性能评估等
需要进一步研究光电器件的可靠性和稳定性，以 确保系统在实际运行中的稳定性和可靠性。
应用前景与挑战
基于光电器件的衍射型光学神经网络系统具有广泛的应用前景，特别是在图像处 理、模式识别、人工智能等领域。
面临的挑战包括如何将研究成果转化为实际应用，以及如何进一步优化系统性能 以满足不断增长的计算需求。
随着技术的不断发展，该领域将会有更多的研究机会和挑战。
02
基于光电器件的光学神经 网络基础
光学神经网络概述
光学神经网络的发展
光学神经网络是近年来发展迅速的一种新型神经网络，具有高速 度、高精度和高稳定性的优点。
光学神经网络的基本结构
光学神经网络由输入层、隐藏层和输出层组成，通过在各层之间 传递光学信号进行计算。
光学神经网络的应用领域
光学神经网络在图像处理、语音识别、自然语言处理等领域具有 广泛的应用前景。
随机梯度下降算法
该算法用于优化衍射型光学神经网络的性能，通过随机选择一小部分数据样本进行训练，并计算误差梯度来更 新网络参数，以加速网络的训练过程。
网络训练与优化
网络训练过程
首先，将衍射型光学神经网络中的光电器 件初始化，然后使用反向传播算法和随机 梯度下降算法对网络进行训练，通过多次 迭代逐渐优化网络的权重和偏置参数。
光的衍射与光的干涉定律
光的衍射与光的干涉定律光的衍射与光的干涉定律是光学中的两个重要概念，在研究光的传播和性质时起着关键的作用。
本文将详细介绍光的衍射与光的干涉定律，并探讨其应用及相关实验。
一、光的衍射光的衍射是指当光通过一个物体的边缘或者孔径时，光波的传播方向和振动方向发生改变，产生新的光波现象。
根据赫维兹原理，当光通过一个孔径时，会在光屏上产生圆形的衍射斑。
光的衍射主要遵循以下定律：1. 衍射定律：光的衍射现象可以由赫维兹原理描述，即每一点成为次级波源，波源的干涉形成衍射现象。
2. 衍射图样定律：根据衍射现象可推导出不同孔径的物体在光屏上的衍射图样，如单缝衍射、双缝衍射等。
3. 衍射角定律：衍射角定律描述了衍射的角度与波长、孔径尺寸等因素之间的关系，可以用来计算衍射的位置和强度。
光的衍射广泛应用于科学研究和实际应用中，例如天文学中的天体观测、光刻技术中的微影制程等。
二、光的干涉光的干涉是指两个或多个光波相遇形成干涉图样的现象。
光的干涉可以分为两类：构成干涉的光源可以是同一光源的两个光波，或者来自不同光源的光波。
光的干涉遵循以下定律：1. 干涉定律：干涉图样可以由菲涅尔原理和赫维兹原理解释。
菲涅尔原理认为光波的振幅在干涉区域内叠加，赫维兹原理认为每一点成为次级波源形成干涉现象。
2. 干涉条纹定律：干涉现象产生的条纹可以通过叠加图案观察到，例如Young双缝干涉实验中的明暗条纹。
3. 干涉色定律：干涉现象还可以产生彩色条纹，根据不同波长的光波受干涉程度不同，出现不同颜色的现象。
光的干涉在波动光学研究中具有重要的应用，例如干涉仪的设计和测量，薄膜干涉等。
三、光的衍射与干涉实验为了验证光的衍射与干涉定律，科学家开展了大量实验。
其中一些经典的实验包括：1. 杨氏双缝干涉实验：将光通过两个狭缝，在光屏上形成明暗条纹，用以验证光的干涉理论。
2. 单缝衍射实验：通过一个狭缝使光通过，在光屏上观察到衍射图样，验证光的衍射理论。
3. 惠更斯衍射实验：将光通过一个孔径，观察到光的衍射现象，验证衍射定律。
3.5单缝衍射光强的分布
实验光路图：
S a
θ
θ1
图五
Pθ x P0
实验原理图：
注： I 0为P0处光强
I 为P 处光强
2．激光器与单缝之间的距离以及单缝与探测器之间的距离均调在 50cm 左右。点燃氦氖 激光管，取工作电流不大于 6mA，为保证激光器输出电流稳定，一般半小时 以后进行测
I/I0
-2.46π -1.43π
-3π -2π
-π
1.43π 2.46π
u
O
π
2π
3π
图二
夫琅和费双缝衍射： 其处理方法与夫琅和费单缝衍射的处理方法相同.如图三所示,
L1
L2
aθ
P0
S
b
a
Pθ
f1
f'2
图三
设双缝是两个宽度同为 a 的狭缝,中间隔着宽度为 b 的不透明部分,并把 d a b 称为缝距,
3.5 单缝衍射光强的分布
光波的波振面受到阻碍时，光绕过障碍物偏离直线而进入几何阴影区，并在屏幕上出现 光强不均匀分布的现象叫做光的衍射。研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动性的 理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，如光谱分析、晶体结构分析、全息照相、 光信息处理等。衍射使光强在空间重新分布，通过光电转换来测量光的相对强度，是近代测 试技术的一个常用方法。光的衍射分菲涅耳近场衍射和夫琅禾费远场衍射两大类，其中夫琅 禾费衍射在理论上处理较为简单。本实验仅研究单缝和双缝夫琅禾费衍射。 一、实验目的要求
测量：
记录衍射条纹的光强度（光电流 I）和相应的位置坐标 x
单缝衍射光强的分析
135实验5-16 单缝衍射光强的分析光波的波振面受到阻碍时，光绕过障碍物偏离直线而进入几何阴影区，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象，叫做光的衍射。
研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动性的理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，如光谱分析、晶体结构分析、 全息照相、 光信息处理等。
衍射使光强在空间重新分布，通过光电转换来测量光的相对强度，是近代测试技术的一个常用方法。
光的衍射分菲涅耳近场衍射和夫琅禾费远场衍射两大类，其中夫琅禾费衍射在理论上处理较为简单。
本实验仅研究单缝夫琅禾费衍射。
【实验目的】1．加深对衍射理论的理解。
2．掌握用计算机采集系统实时获得曲线并分析单缝夫琅禾费单缝衍射的光强分布规律。
【实验器材】计算机、CCD 光强分布仪、He-Ne 激光器、单缝、偏振光减光器。
【实验原理】夫琅禾费单缝衍射的光强分布规律如图5-16-1所示，将单色点光源S 置于透镜L 1的前焦点上， 从L 1中射出的平行光垂直照射在宽度为a 的狭缝上，通过狭缝所形成的衍射光经透镜L 2会聚到位于其后焦平面的观察屏上，衍射光在观察屏上形成一组明暗相间的条纹。
中央条纹最亮，其宽度约为其它亮条纹宽度的两倍，这组条纹就是夫琅禾费单缝衍射条纹。
设中央亮纹的光强为0I ，可以导出夫琅禾费单缝衍射的光强分布规律为20sin ⎪⎭⎫⎝⎛=ααI I (5-16-1)若为平行光垂直射向单缝，则 (sin )/a απθλ=式中λ是单色光的波长；a 是为单缝的宽度；θ是衍射角。
根据上面的光强公式，可得单缝衍射的特征如下：（见图5-16-2）当α=0时，光强最大，最大光强0I 称为主极大，主极大的强度与光源强度和缝的宽度有关。
当παk = (其中k=±1，±2，±3…)时，光强为零，出现暗纹，暗纹处的衍射角满足a k /sin λθ=。
另外，相邻两暗纹间都有一个次极大。
通过计算可知，这些次极大图5-16-1 夫琅禾费单缝衍射图5-16-2 单缝衍射的相对光强分布136 出现在sin ./a θλ=±143，./a λ±246，./a λ±347，…处，它们的强度与主极大强度之比0/I I 依次约为0.047，0.017，0.008…。
光电测量 第六讲 干涉与衍射测量
一、干涉测量
1.
干涉与衍射测量
光干涉基本原理
（1）基于电磁场的线性叠加原理 （2）各点电场矢量的矢量和： E = E1 + E 2 + ... 各点电场矢量的矢量和： （3）由于麦克斯韦方程为线性微分方程，所以其解的线性组合仍然是其解 由于麦克斯韦方程为线性微分方程， （4）强激光高强度电磁场情况下，有明显的线性偏差 强激光高强度电磁场情况下， E：电场强度矢量 ：
2 2 2
N λ0 ∆λ0 λ0 N λ0 ∆n 2 2 2 2 ∆L = + ∆N + + [(20 − t ) L0 ∆a] − (aL0 ∆t ) + (∆δ ) + (∆x) 8n n 8n λ0 8n
第六讲
干涉与衍射测量
P点： E ( P, t ) = A cos ϖ (t − k0 ⋅ r ) + φ = A cos(ϖ t − k ⋅ r + φ )
c
P点比原点的光扰动时间滞后：k0 ⋅ r c
平面波：与传播方正交的平面上场点的相位相同。 平面波：与传播方正交的平面上场点的相位相同。
第六讲
பைடு நூலகம்ϖk 0
= E1 + E 2 + 2 E1 • E 2 cos θ
2 2
相位差： θ
= k1 • r − k2 • r + (δ1 − δ 2 ) = r • (k1 − k2 ) + (δ1 − δ 2 )
干涉的四种情况： 干涉的四种情况 ： （ 1）振动方向正交 ； （ 2）振动方向随机变化 ； （ 3）振动方向恒定且 ） 振动方向正交； ） 振动方向随机变化； ） 不正交，初相位为时间的函数，则初相位差在不同时间间隔内随机取值； 不正交 ， 初相位为时间的函数 ， 则初相位差在不同时间间隔内随机取值 ； （ 4）稳定的平 ） 干涉的四种情况：请同学们分析！ 干涉的四种情况：请同学们分析！ 均振动方向，不正交。无限长时间内初相位保持恒定或初相位随是时间的函数，非恒量， 均振动方向，不正交。无限长时间内初相位保持恒定或初相位随是时间的函数， 非恒量， 但有相关性，使得初相位差对时间的平均值保持恒定。 但有相关性，使得初相位差对时间的平均值保持恒定。
光电检测器件与技术复习题2013
光电检测器件与技术复习题一、填空题1、通常把光电效应分为三类：（外光电效应），（内光电效应）和（光生伏特效应）。
2、光敏电阻的工作原理是基于（内光电效应）。
3、光电池的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。
其中应用最广的是（硅光电池），这是因为它有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。
4、热电偶分为（标准化）与（非标准化）两大类，热电极材料有金属、非金属和半导体几大类。
金属中又有廉价金属、贵金属和难熔金属等。
常见的热电偶材料有：康铜、Cu 、Fe 、W 、NiCr 、NiAl 、Ni 、Pt 、PtRh 、Ag 等。
5、热敏电阻是（吸收）辐射、晶格振动使器件温度（上升），阻值发生变化。
6、当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为（光电子）。
7、光电效应存在一个阈频率0ν，当入射光的频率（0νν<）时，不论光的强度如何都没有光电子产生。
8、光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。
入射光波长与光敏器件相对灵敏度或相对光电流间的关系即为该元件的（光谱特性）。
9、在一定照度下，光电流I 与光敏元件两端电压V 的对应关系，称为（伏安特性）。
10、测量普朗克参数h 的关键是正确的测出（截止电压S U ），但实际上由于光电管制作工艺等原因，给准确测定截止电压带来了一定的困难。
实际测量的光电管伏安特性曲线与理论曲线有明显的偏差。
11、光电传感器是将光信号转换成电信号的一种传感器。
它的理论基础是（光电效应），这类效应大致可以分为三类：第一类是（外光电效应），即在光照射下，能使电子逸出物体表面。
利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。
第二类是（内光电效应），即在光照射下，能使物体的电阻率发生变化。
这类器件包括各类半导体光敏电阻。
测量光的波长方法
测量光的波长方法
测量光波长的方法有多种，以下列举几种常见的方法：
1. 干涉法（如杨氏实验）：利用干涉现象来测量光的波长。
将光束分为两束，使它们经过不同的光程后再重合，观察干涉条纹的移动来确定波长。
2. 衍射法：利用衍射现象来测量光的波长。
将光束通过一个狭缝或光栅后，观察衍射图样，根据衍射图样的形状和参数来计算波长。
3. 光栅法：利用光栅的作用来测量光的波长。
将光通过光栅后，在屏幕上观察到一系列的光条纹，根据光栅常数和光条纹的位置来计算波长。
4. 分光仪法：使用分光仪来测量光的波长。
分光仪能将光束按照波长进行分离，然后通过观察不同波长处的光强来确定波长。
5. 光电效应法：利用光电效应来测量光的波长。
将光束照射到光电效应表面，根据光电效应产生的光电流的频率或截止电压来计算波长。
这些方法都有其适用范围和精确度，根据具体的实验要求和条件选择合适的方法。
X射线衍射试验原理
分子晶体结构测试结果数据图表
有机晶体结构解析模型
样品：polyoxotungstoeuropate 分子式：(Eu(BW11O39)(W5O18) 样品尺寸：0.10X0.10X0.10mm 分子量：4840.67 空间群：PI
X射线源： MO靶 测试温度：173K
样品：C20H32CUF6N4O8SI 样品尺寸：0.40X0.30X0.30mm 分子量：662.12 空间群：P4/mmm
X射线源：MO靶 波长：0.71069
日本岛津X射线衍射仪
卧式测角仪
德国布鲁克D8X射线衍射仪
立式测角仪
日本理学18KW X射线衍射仪
高分辨双晶衍射仪
通过在X射线入射端装配平板分光晶体，可以得到单色 化的且平行性提高的X射线。将其照射到单晶、薄膜样品上， 可以进行高角度分辨率的X射线测试。
德国布鲁克D8X射线衍射仪构造组成
c cos φ = nλ
旋转
φ
衍射线 底片
底片
P
入射X射线 晶体样品
φ A R
O
表示等同周期的测定方法:
旋转轴
C = nλ/cos φ
周转晶体法实验特点：
1、特征X射线 2、点焦点 3、入射线与样品之间角度变 化 4、样品为已知 照射晶面的晶体 5、接收衍射信息为底 片 6、照相时样品360度旋转. 7、圆筒底片
周转晶体法照片
3、粉末照相法
特征X射线及多晶体样品。样品为块状或粉末状多晶体，由 于样品中为数及多的小晶粒取向各不同，因此总可以在许多 小晶粒中满足一定掠射角θ的要求，从而可以产生衍射的作用。 样品可以固定不动或旋转、摆动增加晶面和入射X射线间形 成有利的衍射角的几率，这种方法通称为粉末法。
衍射光学技术及其应用
连续位相BOE
台阶位相衍射光学元件的制作需要多次重复掩模图形转印和 刻蚀(或薄膜淀积)过程，加工环节多、周期长、且对准精度 难以控制。
连续位相衍射光学器件：一次成形且无离散化近似。
• 无掩膜方法 激光直写、电子束直写 • 有掩膜方法 灰阶掩膜 移动掩膜或旋转掩膜等
直写法
电子束：最小水平线宽<0.5m
polarization rotator
beam multiplexer
wavefront sampler
2、如何设计衍射光学器件？
标量衍射理论： 菲涅耳衍射与夫琅和费衍射 空间线性变换系统中的输入输出变换问题
？
位相恢复问题：已知光学系统输入面光场振幅 与位相分布，如何计算衍射光学器件的位相分 布以正确调制入射光场，高精度地给出预期输 出振幅分布，实现所需功能。 解的存在性和唯一性？
Dammann光栅的应用：并行共焦显微镜
CCD Confocal Pinhole Array Lens Spacial Filter Dammann Grating Filter
Laser
Lens
Dichroic
Objective
Sample
Paralell Confocal Detection System Based on Dammann Gratings
SA算法借鉴不可逆动力学的思想，是一种基于蒙特卡洛 迭代求解法的启发式随机优化方法。它不同于局部搜索之处 在于以一定的概率选择邻域中评价函数值大的状态，从理论 上讲，是一种全局优化算法。
爬山—模拟退火混合算法：
局部搜索方向 (爬山法):
+ 全局优化 (SA)：
优化的位相分布：
以一定概率跳出局部极值点
光的衍射与干涉的计算与分析
使用短波长光源
采用短波长光源可以提高光学仪器的分辨率，因为短波长光源具有 更高的衍射极限。
采用超分辨技术
通过特定的算法或技术，可以在一定程度上突破光学仪器的衍射极 限，进一步提高分辨率。
光学表面反射相移测量技术
激光干涉测量法
应用
用于解释和计算薄膜干涉实验的结果，如彩色肥皂泡、油膜和增透膜等的光学现象。
干涉效率计算
干涉效率定义
01
衡量干涉现象中光能的利用效率的参数，通常表示为干涉条纹
的可见度或对比度。
计算方法
02
通过计算干涉条纹的光强分布、对比度和可见度等参数，评估
干涉现象的效果和质量。
应用
03
用于优化干涉实验的设计和参数选择，提高干涉测量的精度和
最小偏向角法
通过测量光线在光学材料中的最小偏向角，可以 计算出该材料的折射率。
椭偏测量法
利用椭偏仪测量光学材料反射光的偏振状态变化 ，从而计算出该材料的折射率。
干涉测量法
通过干涉测量原理来测量光学材料的折射率，具 有更高的测量精度和分辨率。
06
总结与展望
研究成果总结
衍射现象研究
通过实验和理论计算，深入研究了光的衍射现象，包括衍 射光栅、单缝衍射、双缝干涉等，揭示了衍射现象的物理 本质和规律。
衍射与干涉关系
联系
衍射和干涉都是光波动性质的体现，它们都与光的波长和障 碍物的大小有关。在某些情况下，衍射和干涉可以同时发生 。
区别
衍射是光遇到障碍物或小孔时偏离直线传播的现象，而干涉 是两束或多束相干光波叠加时产生的光强周期性变化的现象 。衍射主要关注光的传播路径变化，而干涉关注光强的分布 和变化。
光学信息处理实验报告
光学信息处理实验报告光学信息处理实验报告引言光学信息处理是一门研究如何利用光学原理和技术来处理和传输信息的学科。
它在通信、计算机科学、图像处理等领域有着广泛的应用。
本实验旨在通过实际操作和观察，探索光学信息处理的原理和技术，并对其应用进行分析和评估。
实验一：光的干涉与衍射在实验一中，我们使用干涉与衍射现象来实现光的信息处理。
首先，我们将一束激光通过一个狭缝，产生一条狭缝衍射的光斑。
然后，我们将光斑通过透镜进行聚焦，并观察光斑的衍射现象。
通过调整透镜的位置和焦距，我们可以改变光斑的大小和形状，从而实现对光的信息进行处理。
实验二：光的全息术实验二中，我们使用全息术来实现光的信息存储和再现。
首先，我们使用激光将被记录的物体进行照射，并将光波与参考光波进行干涉。
然后，我们使用光敏材料记录干涉图样，形成全息图。
最后，我们使用激光将全息图进行照射，通过光的衍射和干涉效应，将记录的物体再现出来。
通过调整照射光的角度和波长，我们可以改变再现物体的位置和形状，实现对光的信息进行存储和再现。
实验三：光的调制与解调实验三中，我们使用光的调制与解调技术来实现光的信息传输。
首先，我们将待传输的信息通过光电调制器将其转化为光信号。
然后，我们使用光纤将光信号传输到接收端。
在接收端，我们使用光电解调器将光信号转化为电信号，并通过解调器将其还原为原始的信息。
通过调整调制器和解调器的参数，我们可以实现对光信号的调制和解调，从而实现对光的信息进行传输。
实验四：光的图像处理实验四中，我们使用光的图像处理技术来实现对图像的处理和分析。
首先，我们将待处理的图像通过光学透镜进行聚焦，并通过光敏材料记录图像。
然后，我们使用图像处理软件对记录的图像进行数字化处理，包括滤波、增强、分割等操作。
最后，我们使用激光将处理后的图像进行再现。
通过调整图像处理软件的参数，我们可以实现对图像的不同处理效果，从而实现对光的信息进行处理和分析。
结论通过本次实验，我们深入了解了光学信息处理的原理和技术，并通过实际操作和观察，对其应用进行了分析和评估。
衍射分析
当（h+k+l）为奇数，F = 0，F 2 = 0
即对体心晶胞，（h+k+l）等于奇数时的衍射强度为0。 例如（110）,（200）,（211）,（310）等均有散射； 而（100）,（111）,（210）,（221）等均无散射
面心晶胞：四个原子坐标分别是（0 0 0）和（½ ½ 0）, （ ½ 0 ½ ）,（0 ½ ½）。
hkl
dhkl
(1)
X射线衍射与可见光反射的差异
(b)可见光的反射只是物 体表面上的光学现象， 而衍射则是一定厚度内
许多间距相同晶面共同
作用的结果。
1
1’
2 A B
C
hkl 2’
dhkl
(2)入射线波长与面间距关系
sin
2
/ d 1
所以要产生衍射，必须有
d > /2 这规定了X衍射分析的下限： 对于一定波长的X射线而言，晶体中能产生衍射 的晶面数是有限的。 对于一定晶体而言，在不同波长的X射线下，能 产生衍射的晶面数是不同的。
劳 厄 斑 劳厄实验 （1912 年）
什么是衍射？
发生相长干涉的方向受光的波长和光栅刻线间隔控制
X射线的产生
由于 X-Ray是高能电磁波，必由高能过程产生
1)固体靶源 电子在高压电场中轰击金属靶
2) 同步辐射
3) 等离子体源
4) 核反应
5) 同位素
6) 其他
封闭式X射线管
X射线管由阳极靶和阴极灯丝组成，两者之间作用有高电压， 并置于玻璃金属管壳内。阴极是电子发射装置，受热后激发 出热电子；阳极是产生X射线的部位，当高速运动的热电子 碰撞到阳极靶上突然动能消失时，电子动能将转化成X射线。
光学中的正弦与余弦衍射
光学中的正弦与余弦衍射光学是研究光的传播、反射、折射和衍射等现象的学科。
其中，衍射是光学中非常重要的一个现象，它是光通过孔隙或物体边缘时发生的弯曲和扩散现象。
正弦与余弦衍射是衍射现象中的两种常见形式，它们在光学研究和应用中具有广泛的应用价值。
正弦衍射是指光通过具有周期性结构的物体时，产生的衍射图样呈现正弦形态的现象。
这种衍射图样通常表现为一系列明暗相间的条纹，称为衍射条纹。
正弦衍射可以通过干涉现象来解释。
当光通过物体时，不同位置的光波会发生干涉，形成衍射条纹。
这些条纹的间距和强度分布与物体的周期性结构有关。
余弦衍射是指光通过具有周期性变化的光栅或光束时，产生的衍射图样呈现余弦形态的现象。
与正弦衍射不同，余弦衍射的衍射图样通常表现为一系列亮暗相间的点或斑块，称为衍射斑。
余弦衍射的产生与光栅的周期性变化有关，光通过光栅时，不同位置的光波会发生干涉，形成衍射斑。
这些斑块的位置和强度分布与光栅的周期性变化有关。
正弦与余弦衍射在光学领域有着广泛的应用。
其中，正弦衍射常用于测量物体形状和表面粗糙度。
通过观察正弦衍射条纹的形态和间距，可以推断出物体的形状和表面的粗糙度。
这种方法被广泛应用于光学检测、工业制造和医学诊断等领域。
而余弦衍射则常用于光栅的制作和光谱分析。
光栅是一种具有周期性变化的结构，通过光栅可以将光分解成不同波长的光谱。
余弦衍射的衍射斑位置和强度分布与光栅的周期性变化有关，通过观察衍射斑的形态和间距，可以推断出光栅的周期性变化。
这种方法被广泛应用于光栅的制作和光谱仪的设计。
除了正弦与余弦衍射外，还有其他形式的衍射现象在光学中也有重要的应用。
例如，菲涅耳衍射是一种近场衍射现象，它发生在光通过孔隙或物体边缘时，光波的相位和振幅发生变化。
菲涅耳衍射常用于显微镜和望远镜的设计，以及光学薄膜的制备。
总之，正弦与余弦衍射是光学中重要的现象，它们在光学研究和应用中具有广泛的应用价值。
通过观察正弦衍射条纹和余弦衍射斑块的形态和间距，可以推断出物体的形状、表面粗糙度和光栅的周期性变化。
衍射 傅里叶变换
衍射是一种物理现象，傅里叶变换是数学上的概念。
衍射是指光或电磁波在传播过程中遇到障碍物时，绕过障碍物的边缘向前传播的现象。
这种现象可以发生在任何介质中，包括固体、液体和气体。
傅里叶变换是一种将函数转换为频域表示的方法，它通过将函数分解为正弦和余弦函数的线性组合来描述信号的频率成分。
傅里叶变换广泛应用于物理学、工程学、信号处理等领域。
如果您对这两个概念感兴趣，建议您查阅相关的专业书籍或文献资料，以获取更详细的信息和知识。
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使高频率光波载有各种信息的装置称为调制器。 从已调制信号中分离并提取出有用信息，即恢复原始信息的 过程称为解调。
• 2. 光电信息调制的分类 光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型。
（1）按时空状态分类 ① 时间调制：载波随时间和信息变化。 ② 空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。 ③ 时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。
式中，V（t）调制函数，根据调制参量的不同可以分为：
振幅调制（AM）：调制参量为φm[V(t) ] ；
频率调制（FM）：调制参量为 v(t )；
相位调制（PM）：调制参量为载波的初始相位。
① 振幅调制
光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例变化，而频率、
相位保持不变的调制方法称幅度调制或调幅。此时，m[V (t)]
调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。
b kL L （7.4-21）
xk S
图7-44所示为L＝1m处， 不同宽度b形成的衍射图样。 可见b的微小变化将引起条 纹位置和间隔明显变化。
可用目测或光电方法测量出条纹间距，求得b值或变化量。 测量微小间隔、位移或振动等。测量精度可达0.01～0.5mm。
• 2 夫琅和费细丝衍射
如图7-45所示，激光器发出的激光束照射细丝（被测物）时，
m[V (t)] [1 mV(t)]m
(t) 0 [1 mV(t)]m sin t
（7.5-3）
式中，V（t）是调制函数，规定；m是调制度或调制深度，表
示V（t变 化
载波幅度
1
以最简单的正弦调制函数为例讨论幅度调制的一般规律， 分析调幅波的形成过程和它的频谱分布。
图7-48所示调幅波及其频谱情况。
图7-48（a）为按单一谐波规律变化的信息，V(t)=sin(Ωt+Φ) ，式 中，Ω=2πf 为谐波角频率；F、φ为相应的频率和初相位。 图7-48（b）所示为正弦载波。当被传送信息V(t)=sin(Ωt+Φ) 初
始相位φ=0时，被调制的载波信号为
t 0 1 msinΩt m sint
(t) 0 m sin t
式中，φ 为光通量直流分量，一般不载荷任何信息；φ 和ω
0
m
为载波交变分量的振幅和频率。
光载波不能是负值，载波的交变分量总是叠加在直流分量之
上，被测信息可对交流分量的振幅、频率或者初相位等进行调
制，使之随信息变化。一般情况，调制后的载波形式为
(t ) 0 m[V(t )](sin{[V(t )]t [V(t )（]}7.5-1）
bsin
b
b sin sin
2k (2k
2 1)
2
（7.4-21）
式中， ±号表示亮暗条纹条纹分列两侧；k为级数。
b变小，衍射条纹将向两边扩展，条纹间距增大。激光衍
射图样明亮清晰，衍射级次很高。 屏幕离狭缝距离L远大于狭缝宽度b，去掉透镜仍可在屏幕上
得到夫琅和费衍射图样。由于 角很小。可得
在屏幕上形成夫琅和费衍射图样。通过测量两暗点或亮点间隔S，
便可得到细丝直径d
d f
S d 随条纹位置和间距
之变化。
若屏幕处安装线阵CCD传感 器件，便可直接读出亮、暗条纹 的间距，即测出细丝直径。
测量范围约为0.01～0.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度 一般为0.1mm，也可高达0.05mm。
基准棱与被测物组成的狭缝，在p处产生衍射图样。
被测物作简谐振动时，振动方程为
xk=XMsinωt，则狭缝宽度变为b=XMsinωt，
xk
b
kL X M sin t
xk为定值， xk' 的变化使光电器件所接收的光强随之变化。 若满足XM b/ 2 条件，便可以直接测出物体振动的幅度。
7.5 时变光电信息的调制
• 7.5.1 调制的基本原理与类型
1. 载波与调制 人为地使载有信息的低频光变换成高频信号波的过程称为调
制。载有信息的高频波被称为载波信号。 通常利用单色且有确定初位相的相干光作为光载波。可以通
过振幅、频率、相位、偏振和传播方向等参数载荷信息。 通过载波会使传输信息的能力大为增强，使信息的安全性、
对于频谱分布在F0△F（Ω=2πF0）范围内的任意函数
V(t) ，所对应的调幅波频谱是由以载波频率f0为中心的一系列边 频组成，分别为f0F1；f0F2；…；f0ΔF。
频谱图如图7-48(e)所示。若调制信号具有连续的带宽Fmax， 则调幅波的频带是f0Fmax，带宽为Bm=2 Fmax，其中Fmax是调制 信号的最高频率（图中虚线）。
3 . 应用举例 利用激光衍射传感器可测量微小间隔（如薄膜材料表面涂层
厚度），微小直径（如漆包线，棒料直径变化量），薄带宽度
（如钟表游丝），狭缝宽度，微孔孔径，微小位移以及能转换成
位移的物理量如重量、温度、振动、加速度、压力等。
例：激光衍射振幅测量仪
如图7-47所示为激光衍射测量振动幅度的原理。激光入射到
（7.5-4）
相应的波形图如图7-48(c)所示。
将式(7.5-4)用三角公式展开，得到调幅波的频谱
t
0
m
sin t
1 2
m m
cos
Ωt
cos
Ωt
相应的频谱如图7-48(d)所示。
可见，正弦调制函数调幅信号除零频率分量外还包含有三个谐
波分量，即以f0为中心频率的基频和基波振幅之半、频率分别为 （f0+F0）、（f0-F0）的两个分量。
• 7.4.2 衍射方法的光电信息变换 ▪ 1、夫琅和费单缝衍射
如图7-43所示，单色平行激光垂直入射到宽度为b的狭缝AB
上，经透镜后，在焦平面处衍射图样。图中AC垂直BC，若衍射
角为 的平行光束经透镜聚焦在P点，光线从狭缝A、B两边到
达P点的光程差为
BC bsin
P点的亮暗由BC值决定， 用式（7.4-21）表示
（2）按载波波形和调制方式分类 ① 直流载波：不随时间而只随信息变化的调制； ② 交变载波：载波随时间周期变化的调制。交变载波又分为
连续载波与脉冲载波方式。 连续载波调制方式包括调幅波、调频波、调相波。 脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频等内容。
• 3. 典型的调制方法
(1) 连续波调制
连续波调制的光载波通常具有谐波的形式，用下列函数描述