波动光学应用讲解

(2)回波接收 通过同样的天线阵列接收
4
3.相控阵雷达的优点 ?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…
相控阵雷达除军事应用外，还可民用：
如地形测绘、 气象监测、 导航、 测速（反射波的多普勒频移）?
物光则不同 9
分析一个点的物光 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+3? r0+2? r0+?
r0
10
3.再现
激光器
用原波长的参考光照射
-1级 0级
参考光
1级
底 片
物光 11
-1级 0级
1级
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
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
光计算机要求光子元件小型化、集成化
——集成光路 美国防部将此列为22项关键技术之一。
1993年 1cm2 GaAs 衬底上集成了一百多个
电泵浦微型激光器
同年美国研制成了世界上首台光计算机。
光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一27 。
?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
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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
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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
演示全 息照8像
2. 拍摄
激光器
参考光 底 片
物光
参考光在底片上各点振幅相同 相位也相同
5.空间滤波 改变频谱可改变物光的信息 — 空间滤波 在频谱面上放置空间滤波器 可改造空间频谱
F
F
F
低通 滤波器
高通 滤波器
带通 滤波 器
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x
?
y
物
L
保留 fx 的频谱：
? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
x ??????????????????x????????? ????????
? ?
?
??
§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
1
一.相控阵雷达 1.光线斜入射时的
光栅方程
d(sin? ? sin i) ? m?
光栅 L d sin i
?
i
λ
f
观察屏
p
o
d sin?
m确定时 调节I 则? 可以获得更高级次的
相应改变
条纹（分辨率高）
2
例如 令 m = 0 则
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
?
? F (t) ? f (? )e?i2π?td? ??
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 18
1.基本物理量 与时域付里叶变换对比
如波动： 时域
空域
时间周期 T
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光学模拟计算机的不足： 1）直接处理数据信号很困难 2）易受干扰 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
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1990.1.29 贝尔实验室 数字光处理器：
A ?+1
?
??1
发子波
? +1
? ?
0 ?1 f
相
干 叠
加
A? 成
像
成像过程可 分解为两步：
物面 L
F
频谱面
像平面
第一步：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
第二步：各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干
叠加形成物的像
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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
d ?sin? ? d ?sin i
相邻入射光的相位差
Δ? ? d ?sini ?2π ? d ?sin? ?2π
?
?
sin? ? ? ?Δ?
2π d
改变? ? 即可改变 0 级衍射光的方向
3
2. 相控阵雷达
一维阵列的相控阵雷达
d
移
?相
?
微波源 器
靶目标
n
辐射单元
(1)扫描方式 ? 相位控制扫描 ? 频率控制扫描
?
?
? ?
??????????????????
F
? ? ? ? ? ? ? ? ?
y
??
???
5
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 ） 6
设在美国鳕角 （Cape cod ）的相控阵雷达照片
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。
双光束干涉--正弦光栅
大于一级的光强很弱 可不考虑
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再现立体图像
13
再现立体图像
14
再现立体图像
15
白光全息
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4.应用
?信息贮存
106 - 109 bit/ mm 2
?信息编码和译码
参考光
底
激光器
片
?全息电影 ?无损检测
物光
如一张玻璃片
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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 迅速发展为一门新的学科
空间周期 ?
时间频率 ? ? 1
T
空间频率 f ? 1
?
时间角 频率
? ? 2π?
空间角 频率
k ? 2πf ? 2π
?
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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
物 面
空间 频谱 分析 系统
空 间 频 谱
频谱 处理 系统
处理 后的 物像
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典型装置： 编码
解码
A ?+1
?
??1
?
?
f
f
f
物 面
Lห้องสมุดไป่ตู้
F
频谱面
L
物 面
空间 频谱 分析 系统
空 间 频 谱
频谱 处理 系统
处理 后的 物像
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4.阿贝（E. Abbe ）成像原理
阿贝从波动光学角度 对透镜成像做了新解释
A ?+1
?
??1
发子波
? +1
? ?
0 ?1 f
相
干
叠
加
A? 成
像
物面 L
F
频谱面
像平面
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