仿真-傅里叶光学.docVIP

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仿真-傅里叶光学

傅里叶光学实验 ——材料24 夏伟泽 2020201087 一.实验目的 1.学习掌握傅立叶光学变换的原理; 2.加深对傅立叶光学中的一些基本概念和基本理论的理解,如空间频率、空间频谱、空间滤波和卷积等。 二.实验原理 平面波Ee(x,y)入射到p平面(透过率为)在p平面后Z=0处的光场分布为: E(x,y)= Ee(x,y) 图1 入射光波被p平面的图形(或孔径)衍射 根据惠更斯原理(Huygens’ Principle),在p平面后任意一个平面p’处光场的分布可看成p平面上每一个点发出的球面波的组合,也就是基尔霍夫衍射积分(Kirchhoff’s diffraction integral)。 (1) 这里:=球面波波长; n=p平面(x,y)的法线矢量; K=(波数) 是位相和振幅因子; cos(n,r)是倾斜因子; 在一般的观察成像系统中,cos(n,r)1。 r=Z+,分母项中r z; (1)式可用菲涅尔衍射积分表示:(菲涅尔近似 Fresnel approximation) (2) 当z更大时,即z时,公式(2)进一步简化为夫琅和费衍射积分:(Fraunhofer Approximation) (3) 这里:位相弯曲因子。 如果用空间频率做为新的坐标有: , 若傅立叶变换为 (4) (3)式的傅立叶变换表示如下: E(x’,y’,z)=F[E(x,y)]=c 图2 空间频率和光线衍射角的关系 tg= = ,tg= = = , = 可见空间频率越高对应的衍射角也越大,当z越大时,衍射频谱也展的越宽; 由于感光片和人眼等都只能记录光的强度(也叫做功率谱),所以位相弯曲因子 (5) 理论上可以证明,如果在焦距为f的汇聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为g(x,y)的图象作为物,并用波长为的单色平面波垂直照明图象,则在透镜后焦面上的复振幅分布就是g(x,y)的傅立叶变换,其中空间频率 , 与坐标 , 的关系为: , 。故 面称为频谱面(或傅氏面,由此可见,复杂的二维傅立叶变换可以用一透镜来实现,称为光学傅立叶变换,频谱面上的光强分布,也就是物的夫琅禾费衍射图。 三.实验仪器 防震实验台,He-Ne激光器,扩束系统(包括显微物镜,针孔(30μm),水平移动调整器),全反射镜,透镜及架(f=+150mm,f=+100mm),50线/mm光栅滤波器,白屏 防震实验台: He-Ne激光器: 扩束系统: 在调整旋钮上点击鼠标左、右键,可以调整显微物镜的位置,在小屏幕上可以看到调整结果,光斑边缘最清晰的时候说明调整好了,如下图: 全反射镜: 双击元件可以进行光心的调整,在光具座的底座和旋钮上点击鼠标左、右键,可以调整元件高度和水平位置。 透镜及架: 光心的调整同全反射镜。 光栅滤波器: 光心的调整同全反射镜。 白屏: 光心的调整同全反射镜。 四.实验内容 利用光学元件观察傅立叶光学现象。 光路调整: (1)激光器的中心高度固定。将元件放好,调整各元件的光心。 (2)调整扩束系统显微物镜的位置使显微物镜的焦点和针孔完全重合(这时散射光斑是非常均匀而且最强并且没有衍射现象)。 实验现象观察 (1)观察圆孔滤波器经傅立叶透镜变换后的频谱(在白屏平面)并与理论计算相比较。(可以移动傅立叶透镜)。 (2)观察方孔滤波器经傅立叶透镜变换后的频谱(同上)。 (3)观察狭缝经傅立叶透镜变换后的频谱(同上)。 (4)观察光栅经傅立叶透镜变换后的频谱(同上)。 实验重点、难点: 1. 掌握傅立叶光学变换的原理,理解傅立叶光学中的一些基本概念和基本理论。 2. 透镜前焦面上是50条/mm的一维光栅,其频谱面上的空间频率各是多少?相邻两衍射点间距离是多少?已知f=5.0cm,l=632.8mm。 答:f(x)=x’/(λ f), f(y)=y’/(λ f) △x*d=1*λ,故△x=50*632.8*λ

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