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1、光信息专业基础实验2讲义09级使用1光信息专业基础实验讲义09光信息科学与技术专业佛山科学技术学院光电信息与技术实验室编写实验一 全息光栅的制作全息光栅作为一种重要的分光元件, 近年来在光全息、光通信、光互连、光交换、光计算等方面获得了广泛的应用。与刻划光栅相比，全息光栅具有没有鬼线、杂散光少、分辨率高、适用光谱范围宽、有效孔径大、生产效率高、衍射效率高、成本低廉和易于制作等突出优点。 另外,全息法制作光栅的特点主要体现在以下几点:1) 光路的排布灵活,适合制作不同空间频率的光栅；2) 光栅尺寸可做得很大；3) 制作效率高；4) 若制作正交正弦光栅，全息法则更显优越。正是因为这些优点使全息光栅

2、在光栅的研制中独领风骚1。光栅质量的好坏取决于栅条的平行性和等周期性。单色均匀平面波是制作全息光栅的理想用光2。全息光栅中使用较多的有黑白光栅和正弦光栅，亮度按矩形函数变化的光栅称为黑白光栅；亮度按正弦函数变化的周期图形叫做正弦光栅，见图2-1(a)和(b)。【实验目的】1. 掌握空间频率较低的全息平面光栅的制作原理与方法；2. 学会在全息台上光学元件的共轴调节技术、扩束与准直的基本方法，熟练地获得和检验平行光；3. 学会测定全息光栅的空间频率。【预备问题】1什么是光栅常数？什么是空间频率？什么是线性曝光？什么曝光情况下获得正弦光栅？什么情况下获得黑白光栅？了解正弦光栅和黑白光栅的衍射图样有何

3、不同。【实验仪器】光学防震平台，He-Ne激光器，定时器，50%分束镜，平面镜，全息干板，像屏，底片夹，透镜，显影、定影用具，读数显微镜等。【实验原理】两列同频率的相干平面光波以一定夹角相交时，在两光束重叠区域将产生干涉现象。如图2-2(a) 所示，在z=0的（x y）平面（该平面垂直于纸面）上将接收到一组平行于y轴的明暗相间的直条纹，其光强分布和条纹间距分别为（2-1） （2-2）式中：1、2 分别为两束相干光与（x y）平面的法线夹角，1+2= 为两束光的会聚角。当两束光对称入射即1=2= /2 时，有 （2-3）令为干涉条纹的空间频率，则 （2-4）如果在z=0处平行于（x y）平面放置

4、一块全息干板，如图2-2（b）所示，则经曝光、显影、定影等处理后，即可获得一张全息光栅。当空间频率 比较小时，称之为低频全息光栅。 1. 实验光路本实验采用马赫曾德尔干涉光路，如图2-3所示。它主要由两块50%的分束器BS1、BS2和两块全反射镜M1、M2组成。四个反射面互相平行，中心光路构成一个平行四边形。扩束镜C和准直透镜L共焦后产生平行光（为了提高平行光的质量还可以在C和L的公共焦点处加上针孔滤波器E，在C和L间适当位置加入光阑D），平行光射到BS1上分成两束，这两束光经过M2、M3反射后在BS2上相遇发生干涉，在BS2后面的白屏（或毛玻璃屏）P上可观察到干涉条纹，如果条纹太细可用显微镜

5、来观察，干涉条纹为等距直条纹。用记录介质放在干涉场中记录条纹，经曝光、显影、定影等处理后就得到低频全息光栅。2. 空间频率的估算由式（2-3）可以看出，干涉条纹的间距d是由两光束的会聚角 决定的。改变角便可获得不同光栅常数的光栅。当 比较小时，d/，/，因此，只要测出 ，便可估算光栅的空间频率。具体办法是将透镜L0放在两光束重叠区，则两光束在L0的后焦面上会聚成两个亮点，如图2-4所示。若两亮点间的距离为x0，透镜焦距为f，则两光束的会聚角 可表示为= x0/f ，光栅的空间频率为： （2-5） 【实验内容及步骤】1. 调节激光光束平行于工作台面，用自准直法调整各光学元件表面与激光束主线垂直。

6、2. 按图2-3光路依次加入光学元件，调整好马赫曾德尔干涉光路，使两光束到达P屏的光程相等。调节M1和BS2使两光束在P屏处重合。3. 调节扩束镜C和准直透镜L使之产生平行光。4. 实验要求制作=100/mm和=20/mm光栅各一块，按要求预先计算出两光束在透镜L0的后焦面上形成的两亮点间的距离x0。5. 屏P处放入透镜L0，使其与光束共轴。然后调整BS2的方位，使两个亮点沿水平方向拉开到预定距离x0。x0值可用钢尺或读数显微镜测量。6. 撤去透镜L0，关闭光开关，将全息干板置于P屏处，稳定数十秒钟后进行曝光。注意控制曝光时间，当经显影、定影、水洗干燥后得到全息光栅。曝光处于全息干版的线性感光

7、区内，得到的是正弦型全息光栅。7. 用激光束垂直照射全息光栅，用一白纸在光栅后方空间观察衍射图样。8. 测出自制全息光栅的空间频率，并与设计值相比较。【注意事项】1. 眼睛不能直接对着激光观察。观察光斑时应将激光束照射在白屏上进行观察。 2. 光学元件通光表面应保持清洁，切勿用手、布片、纸片等擦拭。 3. 拍摄前几分钟及整个曝光时间内，人员必须离开全息台并保持静止，以防止震动，确保全息照相在稳定状态下进行。【思考题】1怎样的曝光条件可以得到正弦型全息光栅？ 2. 用激光束正入射照明正弦型全息光栅，得到的衍射图样会有什么特点？3. 设计一个拍摄全息光栅的光路，希望能减少光学元件的使用。【参考文献

8、】1 类成新, 李凤灵.全息光栅实验系统的制作. 山东理工大学学报(自然科学版).21(6),2007.78-80.2 黄德康,曹望和,朱茂华等.高质量全息光栅的制作.光学技术.28(3),2002.255-256.注释*鬼线：光栅是刻有大量等距刻痕的光学元件。在刻制过程中，刻痕位置稍有差错，就会明显影响光栅的光学效果。刻机周期性重复出现的误差，使光程差发生相应的变化，用这样的光栅所形成的光谱，往往在每根强度谱线两侧伴随有一系列杂乱的弱线，这就叫“罗兰鬼线”，简称“鬼线。实验二 电光调制及声光调制在外加电场的作用下，晶体的折射率发生变化，此现象称为电光效应。在输入光强恒定时，晶体外加随时间变化

9、的调制电信号，则输出光强随调制信号电压变化而变化，该现象称为电光调制。电光调制响应时间很短（10-10s），在激光通信、激光测距、激光调Q、光学处理等方面得到了广泛的应用。【实验目的】1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法；2.观察电光调制实验现象，并测量电光晶体的参数；3.实现模拟信号光通讯。【预备问题】1.什么是普克尔电光效应，什么是横向电光调制？ 2.什么是电光晶体的半波电压，如何测量？3.光通信中，铌酸锂晶体的工作点应选在调制曲线的什么位置，如何实现？ 【实验仪器】光学导轨，起偏器，检偏器，/4波片，He-Ne激光器及电源，铌酸锂(LiNbO3）晶体，电光调制信号源，硅光电探测器，有源音

10、箱，MP3声音源，双踪示波器。【实验原理】1.电光效应 通常,电场E 引起折射率n 的变化用下式表示: (1) 式中a和b为常数，n0为E =0时的折射率。由一次项aE引起折射率变化的效应称为线性电光效应或普克尔电光效应（pokells），由二次项bE2 引起折射率变化的效应称为二次电光效应或克尔效应（kerr）。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。晶体在外加电场作用时，折射率椭球的三个主轴位置和长度随与外加电场的大小和方向及晶体的性质发生变化。晶体的电光效应分为横向电光效应和纵向电光效应两种，电场方向与光的传播方向平行时产

11、生的电光效应称为纵向电光效应（以KDP晶体为代表），电场方向与光的传播方向垂直时产生的电光效应称为横向电光效应（以晶体为代表）。光在各向异性晶体中传播时，不同方向光的折射率不同，通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。在本实验中，我们只做LiNbO3晶体横向调制实验。铌酸锂晶体属于三角晶系，3m晶类，主轴z方向有一个三次旋转轴，光轴与z轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为: （2）式中n0和ne分别为晶体寻常光和非常光的折射率,如图1所示。加上电场后折射率椭球发生畸变，当x轴方向加电场，光沿z轴方向传播时，垂直于光轴z轴方向的折射率椭球截面由圆变为椭圆，晶体

12、由单轴晶变为双轴晶，此截面椭圆方程为: （3）其中的称为电光系数。对上式进行主轴变换，可得到: （4）考虑到1，经化简，有: （5） 此时折射率椭球截面的椭圆方程简化为: （6）由式（5）看出，铌酸锂晶体在X轴向加电场后，新折射率椭球绕z轴转动了450，转角大小与外加电场的大小无关，而椭圆的长度与外加电场成线性关系。当光沿晶体光轴z方向传输时，经过长度为l的晶体后，x、y方向的偏振光产生的位相差为： （7） 式中d为晶体在x方向的尺寸，Vx为加在晶体方向的电压。当 =（光程差/2）时，晶体所加的电压称为“半波电压”，以V 表示。由式(7)得半波电压为： （8）将式（8）代入（7），得相位差为：

13、 (9)由式（7）看出，铌酸锂晶体横向电光效应产生的位相差不仅与外加电压Vx成正比，还与晶体长度比l/d有关。因此，在实际运用中，为了减小Vx，通常使l/d较大，即晶体被加工成细长的扁长方体。2.电光调制 图2为横向电光调制原理图，起偏器的偏振方向平行于X轴，检偏器平行于Y轴，因此入射光经起偏器后变为平行于X轴的线偏振光，它在铌酸锂晶体的感应轴x 和y（相对x、y轴旋转45o）投影的振幅和位相均相等，则位于晶体表面（z =0）的光波可表示为：, （10）所以，入射光的强度为： （11）当光通过长为l的铌酸锂晶体后，x和y两分量之间产生相位差，即 （12）通过检偏振片出射的光，是该两分量在y轴上

14、的投影之和， （13）输出光强It可写成： （14）所以光强的透过率T为： (15)将式（9）代入式（15），则： （16）式中V0是加在铌酸锂晶体的直流偏压，Vmsint是交流调制信号，Vm是振幅，是调制信号频率。从式(16)看出，透过率T随加在晶体两端的电压V0或Vm变化而变化，这就是电光强度调制的原理。T与V0或Vm 是非线性关系，若工作点选择不适合，会使输出信号发生畸变。3.调制信号对光输出特性的影响 （1）当V0 = V /2 、Vm V 时，工作点选定在调制曲线线性区中心，可获得线性调制，如图3（a）所示。把V0 = V /2代入式（16），可得： （17）从式（17）看出，T50

15、%，调制器输出信号和调制信号的频率相同，为线性调制。（2）当V0 = 0，Vm V 时，由式（16）可推得： （18）由式（18）看出，输出信号的频率是调制信号频率的二倍，即产生了“倍频失真，如图3（b）所示。（3）当V0 =V 、Vm V 时，由式（16）可得： （19）由式（19）可见，T100%，输出信号的频率仍是调制信号频率的二倍，为“倍频”失真。【实验内容与步骤】按图4放置光学元件和连接线路。在本实验中，铌酸锂晶体l =60mm，d =2.5mm，电光系数22 =6.810-12m/V, n02.2956，ne2.2044，激光=632.8nm。1.调节光路和观察晶体锥光干涉图样 移

16、走1/4波片和电光晶体，利用单轴晶体锥光干涉图来调节激光沿晶体光轴入射。打开激光器电源,调节激光管和其他光学元件的高度和位置，使激光束通过各光学元件的中心。固定起偏器于某个位置（如0o）,旋转检偏器使其输出消光（起偏器与检偏器的偏振轴方向垂直）。由于晶体的不均匀性，在检偏振片后面放置白屏可看到一弱光点，然后紧靠晶体光输入端放一张镜头纸，这时在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图样，如图5所示：一个暗十字图贯穿整个图，四周为明暗相间的同心干涉圆环；十字形中心同时也是圆环的中心，它对应着晶体的光轴方向，十字形方向对应于两个偏振片的偏振轴方向。在调节过程中要反复微调晶体，使干涉图样中心与光点位置重合，

17、并尽可能使图样对称、完整，确保光束既与晶体光轴平行，又从晶体中心穿过。然后耐心、仔细地调节晶体使干涉图样出现清晰的暗十字，且十字的一条线平行于x轴，拍摄该锥光干涉图。光路调节好后，锁紧滑动座固定各部件，并在后面实验中保持光路不变。2.测量调制曲线和半波电压 （1）倍频法：晶体同时加直流电压和交流信号，从零开始逐步增大直流电压，观察解调信号波形的倍频失真，相邻两次倍频失真对应的直流电压之差即为半波电压。具体方法是：按图4连线，信号源“音频选择”开关拨至“模拟”，正弦波的输出幅度尽可能调大。（A）直流电压V0 =0（关闭高压开光），缓慢调节晶体的微调螺杆，调高示波器的垂直偏转灵敏度（最高为2mv/

18、格），当示波器观察到的解调信号波形频率是调制信号的两倍时，记下直流电压V1，拍摄调制信号与解调信号波形。（B)保持光路不变，打开高压开光，从零开始逐步增大直流电压，当调信号频率第二次出现倍频失真时，拍摄调制信号与解调信号波形，记下直流电压V2。由V2-V1得到半波电压V，并与式（8）计算的V理论值比较，计算相对误差。（2）极值法：晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直流电压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即是半波电压V。具体方法是：信号源“音频选择”开关拨至“音频”（相当于正弦波的输出幅度为零）。从零开始按10V步长增加晶体直流电压V(直

19、到250V)，用数字万用表测量信号源“解调信号”的输出电压（用T表示），画T-V关系曲线，由图确定半波电压的数值V ，并与式（8）计算的V理论值比较，计算相对误差。一般而言，极值法测得的半波电压的准确性比倍频法低。3用1/4波片改变工作点，观察输出特性 关闭晶体的直流电压，在晶体和偏振片之间放入1/4波片。绕光轴缓慢旋转1/4波片，当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴x、y 方向时，输出光线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的x、y轴时，输出光出现“倍频”失真。1/4波片旋转一周，将出现四次线性调制和四次倍频失真，拍摄线性调制和倍频失真时调制信号与解调信号波形。晶体加直流偏压和采用1/4波片均可

20、改变电光调制器的工作点和得到相同的调制效果，但两种方法的调制机理不同，用1/4波片可免去高压电源，电路更简单。4.光通讯演示 信号源的“音频信号”接MP3,“解调信号”接有源扬声器，“音频选择”开关拨至“音频”，晶体加V /2偏压或旋转1/4波片,使晶体进入线性调制区，此时可听到MP3播放的音乐。注意MP3不够电时，要及时充电。改变加在晶体上的直流电压或旋转1/4波片，观察音乐音量和音质的变化。用不透明物挡住激光，则音乐停止，不档激光，则音乐响起，说明实现了激光通讯。把音乐信号接到示波器上，可看到音乐波形，它是由不同频率的正弦波迭加而成的。记录实验现象并解释。【注意事项】1.本实验使用的晶体最

21、大安全电压约为500V，超过500V易损坏。2.激光器电源高压约1000V，注意安全。3.实验过程中，避免激光直射眼睛以免伤害。4.实验仪所用光学器件均为精密仪器，小心操作。【思考题】1.电光晶体调制器应满足什么条件才能使输出波形不失真？ 工作在线性工作区。2.电光晶体横向调制有什么优点？ 横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。3.用1/4波片改变工作点观察调制现象时，为何只出现线性调制和倍频失真，而没有其它失真？4.如何保证激光正入射晶体的端面，怎样判断？不是正入射时有何影响？ 5.起偏器和检偏器既不正交又不平行时，会出现什么实验现象？ 【参考文献】1 安毓英等.光电子技

22、术.北京：电子工业出版社，20042 朱京平. 光电子技术基础.北京：科学出版社，2003实验三 光学传递函数的测量和成像系统像质评价光学成像系统是信息传递的系统，光波携带输入图像的信息从物平面传播到像平面，输出像的质量完全取决于光学系统的传递特性。理想成像要求物平面与像平面之间一一对应。实际中，点物不能成点像，其原因就是通过成像系统后像质会变坏。传统的光学系统像质评价方法是星点法和鉴别率法，但它们均存在自身的缺点1。20世纪50年代，霍普金斯（HHHopkins）提出了光学传递函数的概念，其处理方法是将输入图像看作由不同空间频率的光栅组成，通过研究这些空间频率分量在系统传递过程中丢失、衰减、

23、相移等变化的情况，计算出光学传递函数的值并作出曲线来表征光学系统对不同空间频率图像的传递性能，这种方法是一种比较科学和全面的评价成像系统成像质量的方法。现在人们广泛用传递函数作为像质评价的判据，使质量评价进入客观计量。【实验目的】1了解传递函数测量的基本原理，掌握传递函数测量和成像质量评价的近似方法；2通过对不同空间频率的矩形光栅成像的方法，测量透镜的调制传递函数。【预备问题】1什么是光学成像？为什么会产生成像失真？2传统的评价成像质量好坏的方法有哪些？它们有何优缺点？325lpmm的光栅表示什么意思？【实验仪器】实验系统的基本组成：硬件包括：三色面光源、目标板、待测透镜和CCD；软件包括：图

24、像采集软件、调制传递函数计算软件。【实验原理】任何二维物体g(x, y)都可以分解成一系列沿x方向和y方向的不同空间频率(vx，vy)的简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加： (5-1)式中(vx ,vy) 是物体函数g(x, y)的傅里叶谱，它表示物体所包含的空间频率 (vx ,vy) 的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两种变化：首先是对比度下降，其次是相位发生变化，而相应的(vx ,vy)变为像的傅里叶谱，这一综合过程可表示为： (5-2)式中H (vx ,vy) 称为光学传递函数，它是

25、一个复函数，可以表示为： (5-3)它的模m(vx, vy) 被称为调制传递函数（modulation transfer function, MTF），相位部分 (vx，vy) 则称为相位传递函数（phase transfer function, PTF）。对像的傅里叶谱再作一次逆变换，就得到像的复振幅分布：(5-)空间频率是用一种叫“光栅”的目标板来测试，它的线条从黑到白逐渐过渡，见图5-2。相邻的两个最大值的距离是正弦光栅的空间周期，单位是毫米。空间周期的倒数就是空间频率(Spatial Frequency)，单位是线对/毫米(lp/mm )。正弦光栅最亮处与最暗处的差别，反映了图形的反差

26、(对比度)。设最大亮度为Imax，最小亮度为Imin，我们用调制度(Modulation)表示反差的大小。调制度m定义如下： (5-)很明显，调制度介于0和1之间。图5-2(a)表示m=1的情况，图5-2(b)表示m1的情况。显然，调制度越大，反差越大。当最大亮度与最小亮度完全相等时，反差完全消失，这时的调制度等于0。光学系统的调制传递函数表示为给定空间频率情况下，像和物的调制度之比：(5-)MTF(vx，vy) 表示在传递过程中调制度的变化，一般说MTF越高，系统的像越清晰。显然，当MTF=1时，表示像包含了物的全部信息，没有失真。但由于光波在光学系统孔径上发生的衍射以及像差（包括光学元件设

27、计中的余留像差及装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越差。除零频以外，MTF的值永远小于1。平时所说的光学传递函数往往就是指调制度传递函数MTF。图5-3给出一个光学镜头的MTF曲线。本实验用CCD对矩形光栅的像进行抽样处理，测定像的归一化的调制度，并观察离焦对MTF的影响。一个给定空间频率下的满幅调制(调制度m=1)的矩形光栅目标物如图5-4(a)所示，横坐标是光栅的分布，纵坐标是规一化光强分布。如果光学系统生成无失真像，则抽样的结果只有0和1两种数据，像仍为矩形光栅,如图5-4(b)。在软件中对像进行抽样统计，其直方图为一对函数，位于0和1,

28、如图5-4(c)，横坐标是规一化光强从0-1，纵坐标是对应于光强值的统计结果。由于衍射及光学系统像差的共同效应，实际光学系统的成像不再是矩形光栅，如图5-5(a)所示，波形的最大值Imax和最小值Imin的差代表成像的调制度。对图5-5(a)所示图形实施抽样处理，其直方图见图5-5(b)。找出直方图高端的极大值mH和低端极大值mL，它们的差mHmL近似代表在该空间频率下的调制传递函数MTF的值。为了比较全面地评价系统的像质，除了要测量出高、中、低不同频率下的MTF，还应测定不同视场下的MTF曲线。镜头是照相机的关键部件，用MTF曲线可以定量评价镜头成像质量的优劣。图5-6是照相机镜头随频率变化

29、的两条MTF函数曲线。两个镜头系统和的截止频率（当某一频率的对比度下降至零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，即把该频率叫截止频率）和不同， ,但曲线在低频部分的值较大得多。对摄影而言，曲线的 MTF值大于曲线，说明镜头较镜头有较高的分辨率，且镜头在低频部分有较高的对比度，用镜头能拍摄出层次丰富，真实感强的图像。由于人眼的对比度阈值大约为0.03，在图8-6中MTF=0.03处，曲线的MTF值大于曲线，说明镜头用作目视系统较镜头有较高的分辨率。在实际评价成像质量时，不同的使用目的，其MTF的要求不一样。但镜头的MTF值越接近1，镜头的性能越好。【实验内容及步骤】参照光路示意图调整光路，将各部

30、件固定到导轨上，调节目标板、待测透镜、CCD同轴等高；将CCD与图像采集卡相连，打开图像采集软件，确定CCD和图像采集卡工作是否正常；用CCD在成像系统（或透镜）的像平面接收，调节目标板的位置，使目标板在显示器屏幕中得到相对清晰的放大像，一个条纹单元完整充满软件的显示窗口；目标板上有不同空间频率的矩形光栅，每个单元由水平条纹、竖直条纹、全黑、全白四个部分组成，选择想要测量的空间频率的条纹单元，移动目标板使该单元移到光路中心；点击软件窗口左侧的“局部存储”按钮，此时整个图像静止，屏幕上会出现一红色方框。按住鼠标左键将该方框拖至水平条纹部分，双击方框内部，将所采集图像的数据文件起名并保存至Mcad文件夹中，文件后缀为.prn不变,如此如此依次再将竖直条纹部分、全白部分、全黑部分采集并保存至Mcad文件夹中。应保证红色方框跨三条以上的明暗条纹；运行Mcad文件夹中的MTF-new.MCD文件。将先前保存在Mcad文件夹中的水平，竖直，白，黑的4个文件名分别粘贴在MTF-new.MCD文件相应位置的引号内，该