光电信息技术专业导论.pptx
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• 慢化光速意义非凡 使光子停止，操纵光子以便把信息输入光子，然后根据需要再将光子发往某地 以及 某时再发--新一代计算机的曙光。 由于光学装置天生就具有难以置信的高带宽，因此，截留光的方法使得光子可以被 储 存，从而芯片上可以储存海量数据。 数据流领域的革命。 “过量的数 据常常在同一时候抵达某些点”。假设数据是通过 光子而非电子传输，那么根据赫斯的理论，就可以通过给光子设置限速，使某些频 率的数据传输减速，以便其它数 据通过。
第六讲 光学和光信息科学
双孔干涉实验
干涉现象
光的干涉
杨氏双孔干涉
S1 * S*
S2 *
x
k=+2 k=+1
k= 0
I
k=-1 k=-2
相干条件
相干条件要求： 1. 两成员波的频率（因而波长）相同； 2. 两成员波的初位相之差桓定； 3. 两成员波的振动方向相同。
----光程相差等于半个波长，亮条纹变暗条纹! ----可见光波长数量级: 10 –7 m
应用
用迈克耳孙干涉仪测量长度 （误差不超过± / 2）
迈克耳孙干涉仪
用迈克耳孙干涉仪观察到 的烛焰附近的对流气体
利用干涉现象检验平面的平整度
实际的 暗纹位 置
试件 标准件
应该出 现暗纹 的位置
CD原理
一束激光分为两束 当两束光光程差为半波长的 奇数倍时:相消干涉,出现暗点 偶数倍时:增强干涉,出现亮点 CD片上有突点,突点与平点差为半波长的
全息干涉技术
利用二次曝光全息图可以将物体变化 状况记录在同一张全息照片上。再现时就 得到相互交迭的像，这两个或多个光波就 会发生干涉，从干涉条纹的分析中可以得 出物体的变化情况。这就是全息干涉技术，
镜前，加一片双色性微晶制的偏振片。则可大 大减弱反射光，能使湖面上的物体拍摄得更清 楚。
可消除在夜间行车时汽车头灯耀眼灯光对 迎面汽车司机的影响
2、偏光眼镜：观看立体电影片
(a)
(b)
(c)
(a)用偏振干涉仪观察到的悬浮在水面上的昆虫
(b) 用偏振干涉显微镜观察到的碳化硅晶体
(c) 在正交偏振片间观察到的硫代硫酸钠晶体
体全息图：当d << l 时，在记录介质的厚度方向 上将布满干涉条纹，于是就构成了一幅体全息图。
全息术应用
全息电影和全息电视 利用体息图的角度选择性和颜色选择性，可
以在一张体全息图中贮存许多景物信息，这只须 在拍摄每一景物时，把全息照片的位置转动一下。 再现时，只须将全息照片放在激光光束中转动， 便能把景物互不干扰地相继显示出来，在照片的 后面就可以看到活动的立体景物，这就是立体电 影。假如把全息图记录在电视摄像机的感光面上， 然后电视台把信号发射出去，当电视接收机收到 了信号，并用激光照明时，就能再现所摄的景象， 这就是立体电视。
奇数倍 与另一束光发生干涉 ----出现亮暗不同的点
光的衍射
光通过微小障碍物后发生的现象
a 垂直单狭缝 b 更窄的单狭缝 c 矩孔 d 三角孔 e 方孔 f 正多边形 g 正方网格
惠更斯原理
1680年荷兰物理学家惠更斯提出： 介质中波动传到的各点都可看作是一个新的波
源——子波源；在其后的任一时刻，由于波源发射的 子波波阵面组成的包迹就决定新的波面。
当光由介质n1射入n2 临界角ic
ic=sin-1(n2/n1) 全反射:入射角i1>ic，入射光全部反射 光纤 内层n1≈1.8，外层内层n2≈1.4
ic ≈ 51°
捕获彩虹
• 折射率--指光在真空中的运动速度，和在某种 介质中减慢的运动速度之比。
• 英国科学家，2007在11月15日 《自然》 • “超材料”是一种人造的电磁-光学材料，即在
全息显微技术
要测量样品中浮动粒子的大小、分布及 其它性质。由于这些粒子在不停地运动， 所以观测时根本来不及将显微镜调焦到这 些粒子上，有的还要求在某一时刻把体积 中的粒子全部拍摄下来。 全息显微技术--用短脉冲激光来照明样品， 拍摄一定体积内粒子的运动状况，再现时 就可以将粒子的大小、粒子的瞬时分布状 况用显微镜层层聚焦、逐次观察。
t+ Δ t 时 刻 波 阵 面
t 时刻波阵面
惠更斯原理
爱里斑
• 光通过圆孔后在屏幕上形成的衍射亮斑 半角宽 △a=0.61w/R W—光波长， R—圆孔半径
--圆孔越大爱里斑越小 ----记者的大炮筒照相机
衍射应用
① 光谱分析：如衍射光栅光谱仪。 ② 结构分析：衍射图样对精细结构有一种相 当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析 结构，如X射线结构学。 ③ 衍射成像：在相干光成像系统中，引进两 次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技 术和光学信息处理。
透明材料中置入一些微型的金属包含物。
• 负折射率的特性。 折射率为正，意味着光基本上还是朝同一方向 运动。“超材料”的负折射率特性使 得光在一定程度上按原方向折回，这样一来，光的运行速度就慢慢地减缓下来，直 至停止。
• 将这种“超材料”夹在两种普通的材料中间，且一端宽一端窄。这种宽度差异可以 使光的不同波长 停留在不同点上，最后实现“当每个频率成分都被截留时，所有 光波的分布呈立体状”，这样就可以在“超材料”上形成一道彩虹。
④ 衍射再现波阵面：这是全息术原理中的重 要一步。
光的偏振
平面偏振光：线偏振光(光的电矢量的振动方向 不变) ，部分偏振光。
圆（椭圆）偏振光：偏振光的电矢量的末端在 于传播方向的xy平面上的轨迹是圆或椭圆。
平面偏振光
圆偏振光的波场分布
线偏振光 部分偏振光
自然光
应用
1、偏振滤光片 最简单的应用为在照相机这一类仪器的物
液晶显示器（LCD）
通过改变电场 改变液晶分子排列 改变偏振光偏振方向 是否透过
未施加电压时
偏振片 入射光
TN排列盒
偏振片 光透过
施加电压时
偏振片 入射光
TN排列盒
偏振片 光遮断
液晶显示器的构造
玻璃基板 透明电极 外周封接剂 分子取向层
偏振片
偏振片
分子取向层 液晶 透明电极 玻璃基板 反射板
全反ห้องสมุดไป่ตู้和光纤
全息照相
全息照相的原理 光波所带信息: 振幅--光强 频率--频色 位相 振动方向
全息记录
全息记录 通过干涉的方法记录
了物光波上各点的全部光 信息，包括振幅和位相， 这就是所谓波前的全息记 录。
平面全息图和体全息图
平面全息图：根据记录介质感光层的厚度l 与干 涉条纹间距d之比来区分，当d >> l 时，记录介质 相当于一薄层，在其厚度方向上没有干涉条纹， 称为平面全息图。
第六讲 光学和光信息科学
双孔干涉实验
干涉现象
光的干涉
杨氏双孔干涉
S1 * S*
S2 *
x
k=+2 k=+1
k= 0
I
k=-1 k=-2
相干条件
相干条件要求： 1. 两成员波的频率（因而波长）相同； 2. 两成员波的初位相之差桓定； 3. 两成员波的振动方向相同。
----光程相差等于半个波长，亮条纹变暗条纹! ----可见光波长数量级: 10 –7 m
应用
用迈克耳孙干涉仪测量长度 （误差不超过± / 2）
迈克耳孙干涉仪
用迈克耳孙干涉仪观察到 的烛焰附近的对流气体
利用干涉现象检验平面的平整度
实际的 暗纹位 置
试件 标准件
应该出 现暗纹 的位置
CD原理
一束激光分为两束 当两束光光程差为半波长的 奇数倍时:相消干涉,出现暗点 偶数倍时:增强干涉,出现亮点 CD片上有突点,突点与平点差为半波长的
全息干涉技术
利用二次曝光全息图可以将物体变化 状况记录在同一张全息照片上。再现时就 得到相互交迭的像，这两个或多个光波就 会发生干涉，从干涉条纹的分析中可以得 出物体的变化情况。这就是全息干涉技术，
镜前，加一片双色性微晶制的偏振片。则可大 大减弱反射光，能使湖面上的物体拍摄得更清 楚。
可消除在夜间行车时汽车头灯耀眼灯光对 迎面汽车司机的影响
2、偏光眼镜：观看立体电影片
(a)
(b)
(c)
(a)用偏振干涉仪观察到的悬浮在水面上的昆虫
(b) 用偏振干涉显微镜观察到的碳化硅晶体
(c) 在正交偏振片间观察到的硫代硫酸钠晶体
体全息图：当d << l 时，在记录介质的厚度方向 上将布满干涉条纹，于是就构成了一幅体全息图。
全息术应用
全息电影和全息电视 利用体息图的角度选择性和颜色选择性，可
以在一张体全息图中贮存许多景物信息，这只须 在拍摄每一景物时，把全息照片的位置转动一下。 再现时，只须将全息照片放在激光光束中转动， 便能把景物互不干扰地相继显示出来，在照片的 后面就可以看到活动的立体景物，这就是立体电 影。假如把全息图记录在电视摄像机的感光面上， 然后电视台把信号发射出去，当电视接收机收到 了信号，并用激光照明时，就能再现所摄的景象， 这就是立体电视。
奇数倍 与另一束光发生干涉 ----出现亮暗不同的点
光的衍射
光通过微小障碍物后发生的现象
a 垂直单狭缝 b 更窄的单狭缝 c 矩孔 d 三角孔 e 方孔 f 正多边形 g 正方网格
惠更斯原理
1680年荷兰物理学家惠更斯提出： 介质中波动传到的各点都可看作是一个新的波
源——子波源；在其后的任一时刻，由于波源发射的 子波波阵面组成的包迹就决定新的波面。
当光由介质n1射入n2 临界角ic
ic=sin-1(n2/n1) 全反射:入射角i1>ic，入射光全部反射 光纤 内层n1≈1.8，外层内层n2≈1.4
ic ≈ 51°
捕获彩虹
• 折射率--指光在真空中的运动速度，和在某种 介质中减慢的运动速度之比。
• 英国科学家，2007在11月15日 《自然》 • “超材料”是一种人造的电磁-光学材料，即在
全息显微技术
要测量样品中浮动粒子的大小、分布及 其它性质。由于这些粒子在不停地运动， 所以观测时根本来不及将显微镜调焦到这 些粒子上，有的还要求在某一时刻把体积 中的粒子全部拍摄下来。 全息显微技术--用短脉冲激光来照明样品， 拍摄一定体积内粒子的运动状况，再现时 就可以将粒子的大小、粒子的瞬时分布状 况用显微镜层层聚焦、逐次观察。
t+ Δ t 时 刻 波 阵 面
t 时刻波阵面
惠更斯原理
爱里斑
• 光通过圆孔后在屏幕上形成的衍射亮斑 半角宽 △a=0.61w/R W—光波长， R—圆孔半径
--圆孔越大爱里斑越小 ----记者的大炮筒照相机
衍射应用
① 光谱分析：如衍射光栅光谱仪。 ② 结构分析：衍射图样对精细结构有一种相 当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析 结构，如X射线结构学。 ③ 衍射成像：在相干光成像系统中，引进两 次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技 术和光学信息处理。
透明材料中置入一些微型的金属包含物。
• 负折射率的特性。 折射率为正，意味着光基本上还是朝同一方向 运动。“超材料”的负折射率特性使 得光在一定程度上按原方向折回，这样一来，光的运行速度就慢慢地减缓下来，直 至停止。
• 将这种“超材料”夹在两种普通的材料中间，且一端宽一端窄。这种宽度差异可以 使光的不同波长 停留在不同点上，最后实现“当每个频率成分都被截留时，所有 光波的分布呈立体状”，这样就可以在“超材料”上形成一道彩虹。
④ 衍射再现波阵面：这是全息术原理中的重 要一步。
光的偏振
平面偏振光：线偏振光(光的电矢量的振动方向 不变) ，部分偏振光。
圆（椭圆）偏振光：偏振光的电矢量的末端在 于传播方向的xy平面上的轨迹是圆或椭圆。
平面偏振光
圆偏振光的波场分布
线偏振光 部分偏振光
自然光
应用
1、偏振滤光片 最简单的应用为在照相机这一类仪器的物
液晶显示器（LCD）
通过改变电场 改变液晶分子排列 改变偏振光偏振方向 是否透过
未施加电压时
偏振片 入射光
TN排列盒
偏振片 光透过
施加电压时
偏振片 入射光
TN排列盒
偏振片 光遮断
液晶显示器的构造
玻璃基板 透明电极 外周封接剂 分子取向层
偏振片
偏振片
分子取向层 液晶 透明电极 玻璃基板 反射板
全反ห้องสมุดไป่ตู้和光纤
全息照相
全息照相的原理 光波所带信息: 振幅--光强 频率--频色 位相 振动方向
全息记录
全息记录 通过干涉的方法记录
了物光波上各点的全部光 信息，包括振幅和位相， 这就是所谓波前的全息记 录。
平面全息图和体全息图
平面全息图：根据记录介质感光层的厚度l 与干 涉条纹间距d之比来区分，当d >> l 时，记录介质 相当于一薄层，在其厚度方向上没有干涉条纹， 称为平面全息图。