物理光学（波动光学）毕业论文
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物理光学（波动光学）
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拉盖尔高斯光束
激光原理 by 贾而穑 厄米高斯光束 MATLAB 仿真其中主程序文件：plotHermiteGaussianBeams.m 子程序文件：HermitePoly.m 程序如下： plotHermiteGaussianBeams.m %-------------------------------------------------------------------------% % % auther：Erse Jia Student ID %-------------------------------------------------------------------------% %% Hermite Gaussian Beams %% SET PARAMETERS % Physical parameters lambda = 500; % nm k = 2*pi/ % The two parameters for the gaussian beam (and derived quantities) z0 = 1; A0 = 1; W0 = sqrt(lambda*z0/pi); W = @(z) W0*sqrt(1+(z/z0)^2); R = @(z) z*(1+(z/z0)^2); Zeta = @(z) atan(z/z0); % The coefficients for the Hermite-Gaussian (HG) beam of order (l,m) A = [ 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 .2 0; 0; 0; 0];% Display Parameters res = 800; z = 1e-9; x = linspace(-2*W(z),2*W(z),res); y = linspace(-2*W(z),2*W(z),res); [X Y] = meshgrid(x,y); X = X(:); Y = Y(:); %% RUN THE SIMULATION % Preallocate MemoryU = zeros(length(X),1); Utemp = zeros(length(X),1); Utemp2 = zeros(length(X),1); % Calculate Values that are independent of HG Polynomial order lpf = exp(-1i*k*z - 1i*k*(X.^2 + Y.^2)/(2*R(z))); %lateral phase factor u = sqrt(2)*X/W(z); v = sqrt(2)*Y/W(z); for l = 1:size(A,1) %if there are any terms of this order, calculate the x-HG (so you don't %need to repeat for each value of m if sum(A(l,:) ~= 0) ~= 0 Utemp2 = (W0/W(z))*polyval(HermitePoly(l-1),u).*exp(-u.^2/2); end for m = 1:size(A,2) if A(l,m) ~= 0 Utemp = Utemp2.*(polyval(HermitePoly(m-1),v)).*exp(-v.^2/2); Utemp = A(l,m)*Utemp.*lpf*exp(1i*(l+m+1)*Zeta(z)); U = U + U end end end %% DRAW PLOTS U = reshape(U,res,res); imagesc(x,y,abs(U).^2); set(1,'color','w'); title('Hermite-Gaussian Beam of Order'); xlabel('x (nm)'); ylabel('y (nm)');HermitePoly.m %-------------------------------------------------------------------------% % % HermitePoly.m by Erse Jia Student ID % Given nonnegative integer n, compute the % Hermite polynomial H_n. Return the result as a vector whose mth % element is the coefficient of x^(n+1-m). % polyval(HermitePoly(n),x) evaluates H_n(x). %-------------------------------------------------------------------------%function hk = HermitePoly(n) if n==0 hk = 1; elseif n==1 hk = [2 0]; else hkm2 = zeros(1,n+1); hkm2(n+1) = 1; hkm1 = zeros(1,n+1); hkm1(n) = 2; for k=2:n hk = zeros(1,n+1); for e=n-k+1:2:n hk(e) = 2*(hkm1(e+1) - (k-1)*hkm2(e)); end hk(n+1) = -2*(k-1)*hkm2(n+1); if k&n hkm2 = hkm1; hkm1 = end end end结果：拉盖尔高斯光束 MATLAB 仿真主程序文件：DrawtheLaguerreGaussbeam.m 子程序文件：LG.m DrawtheLaguerreGaussbeam.m %-------------------------------------------------------------------------% % % auther：Erse Jia Student ID %-------------------------------------------------------------------------% clc params = [0 0 1]; % Use function handle u0 = @(rho, phi)LG(params, rho, phi); R = @(x, y)(x&0)-(x&=0); u = @(rho, phi)R(rho.*cos(phi), rho.*sin(phi)).*u0(rho, phi); [X, Y] = meshgrid(linspace(-5, 5, 200)); Rho = sqrt(X.^2 + Y.^2); Phi = atan(Y./X); figure(1) set(1,'color','w'); Z = u(Rho, Phi); surf(X, Y, -Z) shading interp set(gca,'box','on'); xlabel('x position'); ylabel('y position'); zlabel('z'); LG.m function y = LG( params, rho, phi ) m = abs(params(1)); p = params(2); w = params(3); if w==0 msgbox('params(0) can not be equal to 0'); end t = rho./w; y = sqrt(2*factorial(p)/pi/factorial(m+p))/w.* (sqrt(2).*t).^m ....* L([p m], 2*t.^2).* exp(-t.^2 + 1i*m*phi); function y = L(params, x) fact = @(x)arrayfun(@factorial, x); n = params(1); % p k = params(2); % m m = 0:n; a = factorial(n+k)*ones(1,length(m)); b = fact(n-m); c = fact(k+m); d = fact(m); e = (-1).^m; y = zeros(size(x)); for s = 1:n+1 y = y + a(s) ./ b(s) ./ c(s) ./ d(s) .* e(s) .* x.^m(s); end end end结果：光学基础知识大讲堂
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光学基础知识大讲堂
&&&光学基础知识大讲堂——第1期：什么是光镊？何卓铭菜可以用筷子夹起，头发也可以用镊子夹起，那么细胞或者DNA可以“夹起来”吗？答案是可以，用光镊就能做到。那什么叫做光镊？& & &&光镊是用高度会聚的激光束形成的三维势阱来俘获、操纵和控制微小颗粒的一项技术。与机械镊子相比，光镊是一种以非机械接触的方式来完成夹持和操纵物体的，它可以对目标细胞进行非接触式的捕获和固定，以及对细胞进行精确的操作，且可通过选用适当波长的激光，使形成的光镊对物质的热学或化学等效应非常弱，从而对细胞产生的损伤非常小。因此在生命科学研究中，几乎所有的单细胞操作都采用光镊的方式来进行操控。& 在光与物质相互作用过程中，既有光子能量的传递，也伴随着光子动量和角动量的转移。光镊正是利用了光子与物质交换能量时发生的力学效应——光辐射力。正如前面提到，光镊是对物体进行捕获和固定，如果只是往光传播方向推的话，那不叫光镊，那叫光“踹”。1970年，美国科学家Ashkin就率先干了这件事情，他利用两束相向传播的聚焦激光束成功地束缚住了在水里的电介质微粒（小编内心：so easy，其实让我来，我也能做到）。十几年后（1986年），Ashkin及其合作者又利用单束强聚焦的激光实现了对水中电介质微粒的稳定捕获（小编反应：666，这个可以），这标志着光镊的正式诞生。& & &&好吧，那让我们来详细解释下光镊是怎么做到的吧!前面提到，光镊利用的是光辐射力，其实光辐射力分为二种：一种是推动目标沿光传播方向的散射力（这就是光“踹”）；另一种是往光强密度高方向拉动目标的梯度力。那梯度力是啥玩意儿？梯度力就是激光聚焦后形成光阱，当微粒涉足这个禁区就会被迅速地拉向光阱正中心的作用力。如果把它近似成引力场的话，就如同小球在漏斗中一般，快速坠落至中心最低处。 光镊光场的理论模型可以分为几何光学（RO）模型和电磁（EM）模型二种。RO 模型理论适用于几何尺寸大于波长的微粒，计算较简单，作为一种近似方法其计算结果对实验具有参考价值；EM 模型可精确分析所有尺度的微粒，EM 模型分析光阱力包含三个部分：即激光束的电磁场描述、微粒对电磁场的散射求解以及电磁场对微粒的辐射压力的计算。下面就采用简单的RO模型进行分析，即中学经典物理里的受力分析：图1 光镊原理示意图（几何光学近似模型）首先，我们来回顾下中学物理的受力分析，力的矢量分解（如图1（a）所示），光线a入射到颗粒上，经过一系列折射等现象，转变成光线a’，那么根据矢量分解，对于颗粒的受力分析，就应该受到a-a’的力，即图中Fa，同理分析可得Fb，由于光束左右对称，矢量力合成得到合力F，方向垂直向上，指向焦点f处。当光线聚焦到颗粒球心O的下方时，如图1（b）所示，同样可以分析得到合力F，方向垂直向下，指向焦点f处。图1（c）为小球横向偏离光线焦点f时的受力分析，原理也相同。当然，这里不再详细公式化分析散射力和梯度力，只有当梯度力大于散射力时，才能形成光阱，否则颗粒就被光“踹”走了。& & &&早期的光镊只能产生一个光阱，即只能控制一个颗粒，而且操控能力也非常有限。随着科学技术的发展，从单光阱捕获向着多光阱捕获，这是光镊技术发展的必然趋势。首先，我们想到利用多个激光器输出的光束耦合到同一个聚焦物镜，这样产生多光阱的方法最直接，但缺点也很明显，产生光阱数目有限，而且装置比较复杂。于是我们又用多光束干涉技术和时分复用技术来提高光阱数量，目的达到了，但目标却又更换了，这样不能实现实时动态操纵。现在，我们再通过光束偏转器如声光调制器、机械式扫描振镜等器件来扫描入射光束从而产生的时间上的“多光阱”，也算初步实现了目标，虽然只能静态捕获多个微粒或者是动态操纵少数几个微粒（如果有设计师看到这里，肯定会产生共鸣 ，原来你也懂我的苦）。终于，通过空间光调制器（SLM）调制光束相位来产生特定目标光场的全息光镊，实现了实时、动态、三维空间独立控制多微粒等技术，甚至包括微粒旋转、分选和输运等功能。另外，其他诸如特殊模式光束，特别是具有涡旋相位的拉盖尔-高斯光束和具有无衍射和自弯曲特性的艾里光束，在光学微操纵中的应用也日益广泛与深入；矢量光场，特别是柱矢量光束，近年来在光学微操纵中的应用也取得了大量成果。相信随着光镊技术的进一步发展，将会为纳米光电子学、纳米生物学和医药学的研究和发展带来深远的影响。参考文献1、 李银妹. 光镊技术的研究现况[J].中国激光，）.2、 梁言生，姚保利，雷铭，严绍辉，于湘华，李曼曼. 基于空间光场调控技术的光学微操纵[J].光学学报，）.3、 豆秀婕，闵长俊，张聿全，袁小聪. 表面等离激元光镊技术[J].光学学报，）.转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。链接地址：&光学基础知识大讲堂——第2期：什么是激光的相干性？何卓铭激光是20世纪以来，在科技领域中继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。在了解什么是激光的相干性之前，首先介绍下激光的基本原理吧。& 激光，原名“镭射”，英文名称LASER的音译，取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母，意思是“通过受激辐射光扩大”，1964年，中国著名科学家钱学森先生致函《光受激发射情报》编辑部（期刊《激光与光电子学进展》前身），为LASER取了一个贴切而传神的中译名“激光”。激光的原理激光（通过受激辐射光扩大），顾名思义，表示光受激辐射产生新的光子，然后放大得到新的发射光。何谓受激辐射？其过程大致是这样的：假设某一原子一开始处于高能级E2，当能量为hυ的外来光子正好等于某一对能级之差E2-E1,那么该原子就可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁，然后发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样（这个就是激光的相干性）。这意味着，入射一个光子就会出射两个完全相同的光子，这就是光信号被放大的原理，见图1。但是别高兴得太早，一个外来光子即能够引起受激辐射，同时也会产生受激吸收（吸收外来光子，然后让原子从E1能级跃迁到E2能级）。显然，如果要产生激光，前提条件是受激辐射效应要大于受激吸收效应。但是，在正常情况（热平衡状态）下，原子几乎都处于最低能级（基态）上，就跟小编一样，能坐着坚决不站着，能躺着坚决不坐着。所以，产生激光一个最大的前提：必须要形成粒子数反转，让更多的原子处于高能级上。然后我们花了很多年的时间，终于找到了某些特定的工作物质，让它在特定的条件下（原子的两个能级处于非热平衡状态），可以形成粒子数反转。显然，不是每一种物质都能够作为工作物质，好吧，这是一句废话。& & & &图1&受激辐射原理图（图片来自网络）那么激光器的基本组成部分大致也有点眉目了，应该包括这三个方面：工作物质、激励源、谐振腔，如图2所示。工作物质，就是我们寻找的材料，用来在此物质中形成粒子数反转；激励源，就是用来激发工作物质的原子体系，实现这个特定条件（上能级的粒子数增加，粒子数反转）；谐振腔，激光形成的腔体，一般由两面反射镜（在激光器两端）组成，让光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩放大，从而在输出反射镜处出射激光。图2&激光器结构激光产生的原理，决定了激光区别于其他普通光源的四种特性：单色性、相干性、方向性和高亮度。实际上，这四种特性从本质上也可以归结为一个：激光具有很高的光子简并度，换句话说，激光在很大的相干体积内具有很高的相干光强。好吧，我承认这句话还是不够通俗，如有兴趣的小伙伴们，可以参考《中国激光》期刊主编周炳琨院士撰写的书籍《激光原理》。& 没关系，接下来进入正题，什么是激光的相干性。激光的相干性可以分为空间相干性和时间相干性二种，分别表示空间不同位置光波场某些特性（例如相位）之间的相关性和空间点在不同时刻光波场之间的相关性。而通常我们定性地用杨氏双缝干涉实验的干涉条纹的清晰程度来判别光束的相干性程度。空间相干性和方向性激光的方向性，我们一般用光束发散角来定义，而激光的空间相干性和方向性是紧密关联的。当光束发散角小于一定的程度，光束才会具有一定的空间相干性。举个最简单的例子，普通光源譬如手电筒发散角非常大，显然不具有空间相干性。如果一个平面波是完全空间相干光，那么其发散角就为零。对于激光器而言，产生的激光都非理想光源，通常我们用横模和纵模对其进行分析。横模表示横向光场分布（用TEMmn表示），纵模表示轴向光场分布（即谐振频率）。而激光的空间相干性和方向性就和横模有直接的关系，只有一个TEM00模（基模）时，那么激光的相干性就非常好；如果存在多个横模（不同横模之间是非相干的），那么相干性程度就会降低。时间相干性和单色性时间相干性与光源的单色性直接相关。光源原子一次发光时间越长，通过双缝干涉观察到的条纹越多，我们就说时间相干性越长，而光源原子发光时间我们就称为相干时间，相干时间内的波列长度叫做相干长度。相干长度L越长，干涉条纹越清晰，表示相干性越好。假设某一激光器发出λ1~λ2之间的光波频率的波（理想的单色光是不存在的），那么可以证明相干长度L=λ^2/Δλ（篇幅关系，证明过程略），Δλ=λ2-λ1。当Δλ越小，也就是λ2和λ1越接近，单色性越好，相干长度L越大，相干性就越好。图3&激光波长示意图激光高亮度和强相干性激光的高亮度是区别于普通光源的重要特征，而目前提高输出功率和效率也是发展激光器的重要课题。利用调Q、锁模、脉宽压缩技术可以极大地提高激光器的输出功率，当把激光器的激光功率集中在一个或者少数几个模式中时，也就意味着提高了光子的简并度，相干性就越好。一台高功率的激光的亮度甚至可以达到太阳表面亮度的几百万倍。激光相干性调控前面讲了激光的原理以及激光的相干性。下面简单介绍下调控激光相干性的方法。激光相干度大小的调控方法多种多样，主要可以分为两类：一是激光谐振腔外加光学元件调控激光相干度大小；二是在激光谐振腔内放置光学元件调控激光相干度大小。& & & 图4&腔外调控相干度大小。(a)实验装置图;（b）相干度大小实验结果图相干度大小腔外调控最常用的方法是通过动态散射体（例如旋转的毛玻璃、动态液晶光调制器等）降低激光束的相干度大小，如图4（a）所示，一束激光经过透镜L1聚焦后照射到动态散射体，从动态散射体出来的光束可以近似为非相干光束，经透镜L2以及滤波器组成的傅里叶变换系统之后，便可产生高斯谢尔模（GSM）光束（典型的部分相干激光束），通过控制透镜L1到动态散射体直接的距离z来控制动态散射体上的聚焦光斑大小，当聚焦光斑越大，得到的GSM光束的相干度越小。图5腔内调控激光相干度大小的实验装置图图5为腔内调控激光相干度大小的实验装置图，腔内调制的核心技术是在谐振腔内插入一个大小可控的小孔，通过控制小孔的大小控制腔内激光振荡模数（前面空间相干性中提到的横模TEMnm），从而控制输出激光束的相干度大小。激光相干性调控的应用前面讲了什么是激光的相干性，以及如何来调控激光的相干度。那么最重要的问题来了，我们为什么要来调控激光的相干性，那么就让小编带你来看看有哪些实实在在的应用吧。自由空间光通信中的应用近年来，由于激光的方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点，激光越来越多地应用于自由空间光通信中，但是光束在大气中传输时容易受到微小粒子、气溶胶、温度梯度引起折射率随机变化等因素影响，使得激光束的光强分布、相位分布在时间和空间上随机起伏、波前扭曲变形、光强闪烁、光束弯曲和偏移等现象。而部分相干光束在湍流大气中传输就能够更好地克服湍流等大气方面带来的负面影响。束整形中的应用对激光束相干度大小的调控，同样也可以实现光束整形，产生空心、平顶、阵列等光强分布，从而在激光加工、激光武器等领域中有重要的应用前景。微粒俘获中的应用激光相干性调控，不仅能够如同完全相干性激光一样，调控激光的相位产生光阱从而形成光镊（上一期什么是光镊中有具体论述），而且由于部分相干性，可以避免热效应问题，从而保护细胞不受损伤。参考文献：陈亚红,蔡阳健. 激光相干性调控及应用[J].光学学报，）.转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。链接地址：光学基础知识大讲堂——第3期：详解电磁辐射何卓铭电磁辐射作为一种看不见、摸不着的场，是电磁波能量传递的一种方式。而我们生活着的地球环境中，便充斥着大量的电磁辐射，不过不用害怕，只有当电磁辐射达到一定程度的时候，才会对人体造成危害。作为一档正规的科普类系列文章，还是有必要首先科普下什么是电磁波的，好吧，如无需求请跳过！电磁波电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，比如太阳光便是一种部分可见的电磁波。我们先从最熟悉的波段开始讲起，可见光波长范围为：400~750 nm，红橙黄绿青蓝紫，波长从大小排列，红光波长最大，紫光波长最短，是我们人眼唯一能够看到的电磁波。电磁波波长越短，频率越大，能量也就越强，想想紫外线把你晒脱皮吧。& & &好吧，接着以可见光为界限，先往波长更小的方向开始讲。比可见光紫光波长小的是紫外光，一般来说波长是10~400 nm，几十纳米我们通常也称为深紫外区；再接下去是X射线，波长范围为0.001~10 nm，几纳米我们通常称为软X射线；最后一种是γ射线，波长小于0.001 nm。众所周知，γ射线其中一个用途是用作手术刀（俗称γ刀），用来切除肿瘤。X射线的话，由于其强穿透性的特性，经常用作安检以及胸透等。& & &接下来，再往波长大的方向介绍。比可见光红光波长大的就是红外区（又有近红外和远红外之分），近红外波长范围为750~2500 nm，远红外波长为2.5~1000 μm (注意：单位改成了μm)；然后就是微波波段了（微波相对比较好记），分别包括分米波、厘米波、毫米波，波长为各自dm、cm、mm量级；然后就是无线电波（m量级、km量级等），由于波长较长，绕射能力非常强，主要用于广播、电视等通信中。补充：还有一种常用的电磁波：太赫兹波，波长为30~3000 μm，处于远红外区和微波区之间，正是由于这个独特的区域，导致其即具有光学特性，又具有电子特性，是一个重要的前沿交叉领域，也有很广泛的应用。图1&电磁波分类（图片来源于网络）电磁辐射了解了什么是电磁波，可以知道在日常生活中，我们生活周围就包含着大量的电磁辐射，无论是来自太阳、雷电等天然电磁辐射，还是例如发射塔、核电站等人为电磁辐射。一般来说，电磁辐射从能量的角度可以分为二种：1、电离性辐射，例如γ射线、X射线、部分紫外线，由于这些电磁波的波长短，其光子携带的能量非常高，高到足以破坏分子间的化学键；2、非电离型辐射，比如可见光、红外、微波、无线电波等，这些电磁波的光子能量不足以破坏化学键，它对人体的影响不像电离性辐射一样表现为即时伤害型的，而是累积型的。为此，国家很早也出台了电磁辐射防护规定（GB ），相应频段都有一定的时间、辐射强度限制。而电磁辐射，由于日常生活中使用频率的差别，例如手机、微波炉、电脑、WiFi辐射会有较高频率存在各种各样的谣言，下面让小编再带你详细了解下吧。手机辐射手机是目前生活中使用最频繁的电子设备，没有之一，手机辐射自然也是我们最关注的电磁辐射。2015年曾有研究所测试了6款手机的辐射量，iPhone 6 Plus的辐射量最高，比吸收率( SAR ) 达到0.58W，美国辐射保护与测量委员会（NCRP）和美国电气电子工程师协会（IEEE）所制定的美标为SAR不大于1.6，而我国的标准采用世卫组织推荐的欧标，SAR不大于2.0。显然，手机辐射值显然远低于国家和国际标准。正常来说，手机辐射不会影响人身健康，这本就是科学界共识，当然也没有直接证据证明在标准值内的手机辐射就不会产生影响，毕竟累积型的谁也说不清楚。微波炉辐射微波炉，也是日常生活中普遍使用的家用电器，加热食物方便快捷。作为一档正规的科普类系列文章，也有必要科普下微波炉的原理，好吧，你要是不想看直接跳过。微波炉原理：顾名思义，微波炉是在微波场中快速加热食物。当电能转化成微波辐射到食品上，食物中的水分子会在微波电场中形成定向运动，然后通过快速变化微波电场方向，使得分子间快速摩擦，从而产生热量。正常情况下，微波炉的内部屏蔽装置几乎隔离了电磁辐射，而且目前的微波炉都有保护措施，开门会自动触发停止微波炉运作。而微波炉使用的是微波波段，频率远低于X射线等，微波炉致癌也是无稽之谈。当然，安全起见，微波炉运作的时候，请远离它总是不会错的。电脑和WiFi路由器辐射以无线路由器TP-LINK为例，其电磁辐射测试（紧贴机身）结果一般在20~30 μW/cm2之间（国家标准为40 μW/cm2），而且电磁辐射在空气中衰减非常大，所以完全没有必要担心。至于计算机辐射，我觉得相比于担心辐射对人体的影响，还不如多关心关心你的眼睛疲劳和视力问题。关于谣言三人成虎、谣言止于智者都是中国古代关于谣言的一些典故。在互联网高速发展的信息大爆炸时代，微信、微博等社交媒体上充斥着大量的信息（谣言），真假难辨。而关于谣言，小编总结了其两大特性：可信性和可接受性。可信性非常好理解，如果一个谣言太过于荒谬，要么是来搞笑的，要么就是在侮辱大众的智商。可接受性，就是对于谣言的接受程度。比如孕妇防辐射衣，商家宣传电脑辐射对孕妇什么什么不好，对小孩有啥啥啥影响。难道你要让一个孕妇去调研下电脑辐射达到多少μW/cm2，然后再对比下国家标准看是不是超标。别闹，大家都很忙的，几百块钱的东西买来求个心安，况且二胎也还可以用的！好吧，这就是接受成本，如果一件防辐射衣要几万块钱，那估计还真有人会出来辟谣。而小编正在做的科普，就是为了提高谣言的可接受程度，从而不用再考虑可接受性问题（顿时小编内心如下图）！& & 图片来源于网络转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。链接地址：光学基础知识大讲堂——第4期：什么是“鬼”成像？何卓铭“鬼”成像( ghost imaging)，又称关联成像或者双光子成像，是一种基于光场涨落的量子或者经典关联特性，通过测量参考光场与目标探测光场之间的强度关联函数可以非局域地获取目标图像信息的新型成像技术。& & & 对于上面这句定义，可以提炼3个非常重要的关键词：“鬼”，表示鬼成像区别于一般的经典光学成像；“非局域地”，爱因斯坦最不喜欢的超距作用，可以不受光速的限制，是量子光学区别于经典理论的重要特征；新型成像技术，表明还是一种成像技术，图像的成像分辨率和对比度仍然是其最为重要的技术目标。& & & 接下来，从原理上来详细讲解什么是鬼成像。原理首先，回顾下经典成像是什么样子（如图1），物体发出的光，经过光学系统，成立一个倒立的虚像，例如人眼、照相机、透镜等成像，都属于经典成像范畴，主要包括光源、物体、光学系统三部分。图1&经典成像（图片来源于网络）“鬼”成像原理如图2所示，光源经过随机掩模（如旋转的毛玻璃）后被分光镜分为物臂和参考臂两束光，在物臂传播到毛玻璃生成散斑场，照射到物体后的反射或透射信号被桶探测器（只探测透过物体的总光强，无任何分辨率）记录，没有照射到目标物体的散斑场同时在参考臂被CCD相机记录，和桶探测器D1记录的信号一起构成一次测量，经过N次采样后就能够得到物体的图像。& & & 举个例子，首先在室外安置好探测器D1，然后在室内通过探测器D2对该光源一段时间的采样后，就能够得到外面的图像，完全不需要直接看到外面的任何信息，仿佛幽灵般洞察着外面的一些事物，这也就是它为什么被称为“鬼”成像的原因所在。图2&鬼成像系统原理图鬼成像发展史前面讲了第一个关键词“鬼”，接下来再讲讲第二个关键词，“鬼”成像与量子光学的关系。1995年，美国马里兰大学史砚华小组利用自发参量下转换产生的纠缠光子对，首次在实验上观察到鬼成像[1]；2001年，波斯顿大学A. F. Abouraddy等指出量子纠缠是实现量子成像的先决条件，由此引发了人们用经典光源实现鬼成像的实验研究和理论探讨[2]。鬼成像首先是利用具有纠缠特性的光子对完成的，所以早期很多科学家错误地认为只有具有量子的纠缠特性，才能实现鬼成像，并认为这是一种量子效应，直到2002年，情况才发生了很大的转变。2002年，R. S. Bennink等利用随机指向的激光束首次实现了热光的鬼成像，其理论是基于光场的二阶强度关联函数[3]。很快，科学家就对经典热光源产生鬼成像给出了理论解释。此后，大家对鬼成像的实现光源有了比较一致的观点，认为量子纠缠光源和经典的热光源都可以用来实现鬼成像。年，许多课题组先后用赝热光源实现了鬼成像，如把激光照射到旋转着的毛玻璃上获得散斑场来进行实验[4]。由于热光源更加容易获得，而且数据处理相对也简单，因此热光鬼成像在实际应该用更加广泛。至此，在量子成像（鬼成像）的发展过程中，人们发现量子纠缠不是实现鬼成像的必要条件，而是基于经典光场的强度（即光强）时空涨落和关联。研究方向及应用经过二十几年的发展，鬼成像技术已经越来越成熟，而且更多地应用在军事、雷达探测等领域。作为一种新型的成像技术，成像分辨率和对比度（图像质量）依然是其研究的主要目标[5-7]。另外前面提到，鬼成像要经过N次采样才能获得图像，而一般都要上万次采样才能得到清晰的像，因此如何减少采样次数获得高质量图像也是重要的研究方向，目前基于压缩感知理论和稀疏矩阵研究十分广泛[8] ，通过数学和图像处理算法上的改进，可以大大减少采样次数。更进一步地，实际应用中探测的目标往往不是静态的，很容易造成运动模糊，所以如何获得运动目标的高分辨图像也是一个研究内容[9]。参考文献1、Pittman T. B., Shih Y. H., Strekalov D. V., et al.. Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement[J]. Physical Review A，）.2、Ayman F. Abouraddy, Bahaa E. A. Saleh, Alexander V. Sergienko, et al.. Role of entanglement in two-photon imaging[J]. Phys. Rev. Lett，）.3、Bennink Ryan S. , Bentley Sean J., Boyd Robert W.. "Two-photon" coincidence imaging with a classical source[J]. Phys. Rev. Lett，）.4、Ferri F., Magatti D., Gatti A., et al.. High-resolution ghost image and ghost diffraction experiments with thermal light[J].Phys. Rev. Lett，）.5、林洁，程静. 探测器大小与散焦对无透镜鬼衍射的影响[J].光学学报，）.6、刘雪峰，姚旭日，李明飞，等. 强度涨落在热光鬼成像中的作用[J].物理学报，）.7、李恩荣，陈明亮，龚文林，等. 鬼成像系统的互信息[J]. 光学学报，）.8、陈明亮，李恩荣，王慧，等. 基于稀疏阵赝热光系统的强度关联成像研究[J]. 光学学报，）.9、张聪，龚文林，韩申生. 运动目标强度关联成像及其在遥感探测中的应用[J]. 中国激光，）.转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。链接地址：光学基础知识大讲堂——第5期：什么是超分辨？日常生活中，我们看的超清电视，电脑屏幕，照相机拍的照片，都有像素一说，比如，像素越高，表示图像质量越接近于原始图像。如果把低像素的图片放大到一定程度，图片会非常模糊，类似于马赛克的情况。图1&像素较低的图片上面说的图像都是经过机器或者系统得到的图片，那么问题来了，如果直接用人眼观察某一个物体，会出现上面类似马赛克的情况吗？答案是也会，虽然非常非常小（纳米量级），这就是我们常说的衍射极限。所谓衍射极限就是，由于光的衍射特性，一个物点发出的光会形成一个弥散斑（也称艾里斑），当二个物点靠近的时候，达到一定程度就不能再区分开来，通常我们把200 nm称为分辨率极限。图2&衍射极限（图片来源于网络）那么衍射极限的大小（即分辨率的大小）又是由谁决定的呢？现在我们来看看衍射极限的公式（本来我是极不情愿在科普文章里面写公式的，霍金曾说过，加一个公式就会少一半的读者，好吧，为了看清两者之间的关系，最后还是决定加上）：&& & & & & & & & & & & & & & & & & & &（1）式中δ表示显微镜可分别的最小刻度，λ表示光的波长，NA表示显微镜的数值孔径，一般不会超过2。显而易见，分辨率的大小与波长λ成正比，波长越小，说明能看清的最小刻度越小。比如，蓝光的波长比红光要小，所以相对应蓝光的最小分辨率要优于红光。可以想到，既然波长决定了分辨率的极限，那用更小的波长不就好了，比如紫外光、X射线甚至γ射线（电磁波波长分布见第3讲：详解电磁辐射），这回答没有毛病，但是波长越短能量越强，会对被观察的物体产生损伤，尤其是活细胞，这自然是我们不愿意看到的。那么问题又来了，有没有波长又很短，但是能量却不强，不会对观测目标造成伤害的？回答是：还真有，电子显微镜。电子显微镜采用的是电子束，而不是可见光，一般可见光波长范围在300~750 nm，但是电子束的波长当加速电压为50～100 kV时，可以达到0.7 nm。所以，电子显微镜的分辨率可达到0.1~0.2 nm，远优于可见光的200 nm。别高兴得太早，凡是有利必有弊，电子显微镜的样本必须在真空环境中才能够被观察，so活细胞之类的都不行，应用局限性太大。& & & 看到这里，各位看官不要着急，我们肯定有办法能够超过衍射极限的。当然，之前的讨论也不是没有用处的，至少让我们明确一点，衍射极限并不是目标物体天然存在着分辨率极限，而是我们还没有这个水平看得更细、更清楚。那么在介绍超分辨技术之前，先来一探为什么我们不能看得更细的物理本质吧！------------------------------------------华丽的分割线，前方高能，请注意---------------------------------------物理本质前面提到，由于光的物理特性（衍射特性）的存在，导致点光源形成艾里斑，重叠以后就难以分辨。这一衍射特性本质上来源于量子光学里的不确定性原理（即海森堡的测不准原理）。不确定性原理表示，你不可能同时知道粒子的位置和速度（动量），动量不确定性越小，位置不确定度越大，反之亦然。换句话说，当一个光子在某个方向的动量范围确定的情况下，其分辨率也就确定下来了。根据光子动量的公式p=h/λ，波长λ越小，动量不确定度Δp越大，那就意味着位置不确定度越小，分辨率就越高，其实与公式（1）相吻合。& & & 然后我们再从傅里叶理论的角度来分析解释下：学摄影或者图像处理的都知道，携带物体信息的光波，高频部分代表细节，低频部分代表轮廓。那如果我们分辨不出图像的细节，只能说明物体高频部分的信息丢失了。为什么呢？由于光有很宽的频谱范围，而光频率的较高部分，当满足一定的相位匹配条件，会形成倏逝波，而倏逝波的特点是光的幅值在垂直深度方向指数衰减，这意味着物体含有高频部分的光走了波长量级的路程后就衰减没了，只有低频部分的光到达成像面，因此导致信息（细节部分）的丢失。& & & 而关于上面加黑的那句话“高频部分代表细节，低频部分代表轮廓”有人可能不太理解，那么我们再引入点扩展函数和傅里叶理论融会贯通。& & & 点扩展函数是以空间频率为变量传递的像的调制度和相移的函数。顾名思义，点扩展函数从频域上来说是以频率为变量，而时域上是如图2的脉冲图像。接下来，我们再来看看傅里叶级数的变化吧。& & & 如图3所示，（a）图是N=1，表示频率ω的正弦函数，（b）图表示频率ω和频率3ω的叠加，（c）表示频率ω、频率3ω、频率5ω、频率7ω的叠加，（d）表示10个不同频率的叠加。显然，当高频率叠加得越多，叠加后的时域图形越接近于矩形（其实脉冲上升沿的斜率就代表着细节高频成分的多少）。想象一下，如果如图2的点光源，时域脉冲是一个矩形的样子，而不是一个高斯线型，那么分辨率还会因为艾里斑叠加而看不清吗？当然，这只是一个非常理想的愿望，永远也不可能实现，例如现在的激光器追求的光束质量品质因子就是这样，要求尽量小的光束发散角，但永远也不可能不发散。图3&傅里叶级数（图片来源于知乎，作者&Heinrich）----------------------------------------------------华丽的分割线------------------------------------------------超分辨技术前面提到由于倏逝波的原因，高频部分的光只能传播波长量级的距离就衰减了，导致细节部分丢失，分辨率最高一般只能在200 nm左右。那如果要实现超分辨的第一个办法就是：乘它还没衰减之前就成像。这就是传说中的近场成像，近场成像自然不受传统的衍射极限的限制，分辨率能够高达纳米量级，但是在应用上存在同样的问题，如此贴近距离的测量，一则肯定不利于活细胞的观测，二则视场被限制得很厉害，存在畸变失真。& & & 那么相对于近场成像，另外一个就显而易见了，远场成像。通常，我们所说的光学显微镜的超分辨成像技术指的就是远场成像，2014年诺贝尔化学奖授予了美国及德国三位科学家Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner，以表彰他们在远场超分辨成像技术领域取得的成绩。& & & 远场超分辨成像技术可以分为两类：一类是基于单分子定位技术的超分辨显微成像方法，包括光激活定位显微技术(PALM)和随机光学重构显微技术(STORM)；另一类是基于点扩展函数调制的超分辨显微成像方法，包括受激发射损耗显微技术(STED)和结构照明显微技术(SIM)。植入广告：期刊《光学学报》于2017年3月份出版一期“超分辨成像”专题，如有兴趣的童鞋敬请关注。& & & 第一类，基于单分子定位的超分辨技术，其基本原理是：通过技术手段标记细胞的蛋白质，然后利用激光器低能量照射细胞表面，激活稀疏分布的几个荧光分子进行定位，再重复上百次，然后拟合这些图像到一张图上，从而得到分辨率提到10倍以上的定位精度。这类技术从本质上来说并没有缩小点扩展函数，而是通过牺牲时间分辨率，从而来提高空间分辨率。图4是随机光学重构显微技术(STORM)的发明者美国霍华德-休斯顿研究所华裔科学家庄晓薇。图4&美国华裔科学家庄晓薇（图片来源于网络）第二类，基于点扩展函数调制的超分辨技术。这一类是真正从源头上提高了图像的分辨率。例如，2014年诺贝尔化学奖的受激发射损耗显微技术(STED)原理如下：通过添加一路激光（图5（a）），让这路激光和原先的激光艾里斑叠加（图5（b）），但是新添加的激光光斑会有效抑制艾里斑边沿区域的激发态荧光分子发光（图5（c）），从而大大减小了光源的点扩展函数的半高宽，分辨率极限可以达到16 nm。图5 STED原理图（图片来源于网络）超分辨技术，尤其是远场超分辨成像技术越来越多地应用在生活当中，在生物医学方面，除了静态样品的观测外，活体细胞等样品的观测也越来越成熟，其他例如精细微结构的光刻、微纳加工等领域也都有着重要的应用。相信随着超分辨成像技术的进一步发展，我们的世界会更加精细。转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。光学基础知识大讲堂——第6期：如何提高激光的功率？激光是20世纪以来，在科技领域中继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，堪称新时代的“四大发明”之一。自1917年爱因斯坦提出了一整套受激辐射放大理论，直到1960年第一台激光器才正式问世。当然这其中经历了很多的曲折，但是自诞生之日开始，由于激光一系列优异的特性，人们就预言到了激光将对人类文明产生深远的影响。目前，激光应用已经遍及物理学、天文学、生物医学、工业制造、通信、军事等领域。小到一支激光笔，大到美国国家点火装置（NIF）、中国的神光（SG）系列装置都是用来产生特定激光的激光器。激光器的工作原理已经在第2期：什么是激光的相干性中详细介绍了，这里不再赘述。那么问题来了，产生激光肯定不是我们的最终目标，我们现在又在追求什么？更高功率、更高质量的激光，然后应用到更多的领域中去，对，就是这样子。& & &接下来进入正题，我们如何才能提高激光器的输出功率。首先想到的是提高激光器的泵浦功率（能量），就像武侠中内力传输一样，即使再笨（转换效率低），只要有足够高的输入，输出自然就高。显然，这只是最低级的办法，如何在资源一定的情况下，通过提高自身的修为（激光器）来提升输出功率，才是我们想要的。& & &讲到这里，不明真相的看官可能懵了，我们追求的激光参数到底是哪个？功率，能量还是其他？好吧，我们再来捋一下思路。能量除以时间等于功率，所以正常情况下，功率相对于能量更合适我们，举个栗子，在相同能量的激光，在1s时间和在1min时间打到你身上，效果哪个强？毫无疑问，时间越短，功率越高，效果越厉害（差点说个“好”字）。细心的小伙伴可能发现了另外一个点，激光打在你身上一个点和打在你整个人身上，效果能一样吗？不一样。显然，结果出来了，我们追求的是单位面积内的激光功率（单位：W/m2），即激光能量密度或者叫激光功率密度。好的，那提高激光质量的主要内容（前面提到的转换效率算一个，这个除外）就可以分为两部分：第一部分，提高激光功率；第二部分：将激光聚焦到尽量小的面积上。那么今天，就先讲讲如何提高激光的功率吧。调Q技术首先，介绍下第一种技术：调Q技术。国际惯例，先介绍下什么是调Q。调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术（脉冲宽度指的就是时间，通常我们所说的飞秒激光就是脉冲宽度为飞秒量级的激光）。& & & 好，那么问题又来了，为什么要压缩？怎么样压缩？& & &在光学基础知识大讲堂第2期激光原理部分介绍过激光产生的条件：需要形成粒子数反转。那么当粒子数反转超过一定值后，就会形成振荡，产生激光。当激光发射以后，上能级粒子数就消耗掉了，所以振荡就停止了，直到下一次粒子数累积后再反转（专业术语：弛豫振荡）。这也就是为什么普通激光器峰值功率不能提高的原因（一般只有千瓦数量级）。这就像大坝拦截水库里的水一样，当水上涨超过大坝上沿，就会溢出，那如果想要一下子得到大量的水怎么办？提高大坝的高度，然后使水位上涨，每隔一定时间将大坝位置下降到原位，这样就哗啦一下能得到比原来高很多倍的水量。& & &调Q利用的就是这个原理，大坝就是激光器固有的损耗值，通过改变损耗值就能控制粒子数反转的阈值。改变激光器损耗的方法很多，比如转镜调Q、电光调Q、声光调Q、饱和吸收调Q等。再以电光调Q为例，在激光器里面新添加的器件是偏振片和电光晶体，然后通过周期控制电光晶体，使得其偏振方向与前面偏振片方向周期性转变：平行或者垂直。偏振原理：当偏振片平行时，光全部通过；偏振片正交（即垂直）时，光全部拦截。当光全部拦截时就表示激光器的损耗非常非常大。调Q技术一般可以提高2个数量级的峰值功率，达到10^6W （MW）量级（^表示幂次方），脉宽为纳秒量级左右。图1&电光调Q原理（图片来源于网络）锁模技术那如果还要再提高峰值功率，缩短脉宽，调Q技术就实现不了了。接下来锁模技术出场了。锁模，也叫锁相，顾名思义，就是锁定激光器的模式，或者锁定激光的相位。回顾下干涉的原理：当电磁波（光）满足一定的条件：相位差（光程差）恒定，振动方向一致，就会产生干涉。如图2（b）所示，当锁定不同激光纵模（即频率）之间的相位差后，就会将大部分能量集中到干涉增强处；图2（b）为普通未锁定相位的光强时域分布。通过这种方法，可以将脉冲宽度压缩到皮秒量级，甚至到亚飞秒量级，功率达到10^9W（GW）量级。图2&锁模技术原理啁啾脉冲放大技术然后在上面二种技术发明之后，在很长一段时间内，峰值功率都不能提高，因为再直接放大能量会引起非线性效应以及损伤光学元件，直到1985年啁啾脉冲放大（CPA）技术的发明。CPA技术不仅将峰值功率提升了近10个数量级，而且体积小、成本低，也避免了上述的问题，甚至成为类似于神光系列大装置激光系统的基本手段。图3&啁啾脉冲放大技术原理（图片来源于网络）CPA技术原理如图3所示，结构上分为四部分：振荡器、展宽器、放大器、压缩器。原理就是先展宽、然后放大、再压缩成高功率短脉冲的激光。这个好处就在于，极大地避免了在带有增益介质的放大器中产生高峰值功率的激光，从而避免元件损伤等。& & &当然，脉冲激光的峰值功率提高到这个量级后，我们追求的已经不单单是功率了，对比度也显得非常重要（看到这里的朋友，我很欣赏你，说明你是真的想了解这个技术，那我也就不怕对你讲得更专业点了）。举个栗子，当超短超强的脉冲激光密度高于10^17 W/cm2，而一般对比度差不多为10^6，那么预脉冲（一般CPA采用多级放大）和放大自发辐射（ASE）的强度都会超过了10^11 W/cm2，这个强度等级已经足以与物质发生相互作用，从而改变主脉冲的初始状态，进而对实验结果产生重大影响。& & &好的，那有没有解决办法？有。光学参量啁啾脉冲放大技术前面提到了啁啾脉冲放大技术的一些缺点，为了克服这些缺点，1992年提出了另一种光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术的思路，其原理就是把基于增益介质的放大器替换成基于非线性过程的参量放大器。接下来我再介绍下参量放大器的原理，自然就知道为什么它可以克服上面的缺点了。& & &光学参量放大（OPA）是指一束高频率的光（泵浦光）和一束低频率的光（信号光）同时进入非线性介质中，输出中的信号光由于差频效应而得到放大，当然于此同时会产生两者光频差的第三种相干光，我们称之为闲频光（必须符合能量守恒定律）。图4&光学参量放大原理图由于该技术采用非线性晶体（例如KDP、BBO等），而不是利用增益介质的粒子数反转，所以没有热效应，没有ASE效应等，具有非常高的信噪比，我们的目的就达到了。细心的小伙伴会发现，参量放大会产生不同于信号光和泵浦光的第三种闲频光，这不还可以用来拓宽激光光谱吗？对的，Chinese Optics Letters 2016年第4期封面文章报道了南京大学祝世宁教授团队的研究成果，就是利用光参量放大过程获得高效率的中红外皮秒激光输出，比如1064nm波长的泵浦光，可以产生1466.5nm的信号光和3876nm的闲频光（我们想要的），这是一般激光器不能够产生的激光波长范围。好了，本期就讲到这里，由于这些里面涉及的技术太多，不能面面俱到，草草收尾，还望见谅！转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。链接地址：光学基础知识大讲堂——第7期：G20峰会演出上的全息技术这两天，杭州G20峰会吸引了全球的关注，而由著名导演张艺谋亲自执导的峰会文艺演出《最忆是杭州》也同样惊艳了世界。晚会节目中《天鹅湖》、《月光》、《我和我的祖国》等均采用了室外水上全息投影技术，尤其是《天鹅湖》，让我们看到了全息印象和真人表演“天人合一”的意境。那么，今天就让我们来解密下这“天人合一”的黑科技吧！首先，欣赏几张文艺演出时的精彩图片：& & &&图1 G20峰会文艺演出（图片来源于网络）图1中彩色屏风和LED桥都是带幕布的，而非全息显示方式，其中舞者从一个变多个是真正的全息显示技术。如果你看到上面的图片只是单纯地觉得漂亮，没有震撼到你，那么我们再来领略下里约奥运会闭幕式上“东京八分钟”的精彩表演。图2&下一届东京奥运会宣传视频全息原理好，接下来进入正题，什么是全息技术？& & &全息技术利用的是干涉原理，干涉在前面几期也已经讲过多次，利用两束光（参考光和含有目标物体信息的物光）的干涉效应，可以记录物体的所有信息（光强和相位）。这也是全息区别于普通照相最重要的地方，普通成像只是记录了光强，并没有记录下物体的相位信息，所以成像的时候是二维平面的。而全息技术通过光的干涉，不仅记录了光的振幅，同时也一并记录了相位，通过干涉条纹的形式保存在全息底片上面。这是第一步，还有一步是图像再现：即成像过程。此过程利用的光的衍射原理，在相干光的照射下，通过全息底片可以呈现与原物体1:1大小、完全一样无失真的像。图3全息再现示意图（图片来源于网络）注：全息显示不需要透明膜等其他元器件的支持，可直接成像图4&类全息再现动态图（图片来源于网络）注：感谢魏广路老师的指正，该图为3D虚拟成像，非全息显示图全息术历史全息技术最早由英国科学家Gabor于1948年提出，因此，他也在1971年被授予了诺贝尔物理学奖。初期，全息图成像质量非常差，直到1960年激光的发明，全息技术才蓬勃发展起来。全息技术大致可以分为四个阶段：同轴全息术从1948年Gabor发明全息技术到20世纪50年代末，全息光源一直采用汞灯，而且参考光和物光是同轴的，这直接导致全息成像时，1~4级衍射光波分不开，再现原始像和共轭像重叠，不仅如此，由于光源的相干性也非常差，导致全息技术发展非常缓慢。&离轴全息术随着1960年激光的产生，大大解决了光源相干性的问题。而且，参考光和物光也采用了离轴模式，使得全息再现时的衍射级次在空间上分离开来，从而可以得到单独的再现图像（不再重叠）。解决了这两大难题之后，全息术也进入了一个非常活跃的阶段，被称为第二代全息技术。&白光再现全息术由于激光器再现的全息图丢失了图像的色彩信息，这自然不是我们想要的，于是人们开始致力于研发第三代全息技术。第三代全息技术采用激光记录，白光再现的方式，在一定程度上大大丰富了全息再现图的色彩。&白光记录和白光再现全息术可以预见，如果还有下一代全息术，相比于第三代激光记录，白光再现的方式，如果能够实现白光记录，白光再现的模式，那全息技术就可以真正地走出实验室，进入更广泛的应用领域。VR眼镜和3D眼镜正常情况下，这一节该谈谈全息术的应用了，但是忽然觉得没什么意思，无非最火的就是全息3D显示。所以，我们还是来聊聊近来同样很火的AR（增强现实）/VR（虚拟现实）技术。与全息显示技术一样，它可以生成3D效果（当然原理不同），不仅可以让你进入虚幻的世界，也可以把真实世界和虚拟图形完美地结合在一起。& & &图5&增强现实技术效果图（图片来源于网络）VR技术是将虚拟信息环境通过计算机技术呈现在用户体验者面前，通过人机互动来改变不同的场景。AR技术是一种将真实世界和虚拟世界“无缝”集成的新技术，通过计算机把一些本不能让人类感知到的信息添加到实体信息中去。& & &那这类技术成3D像的原理是什么？VR技术其实是利用了人眼的视觉滞留效应。视觉滞留现象是指当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1~0.5 s左右的图像。另外，由于人眼成像是左眼看到左侧，右眼看到右侧，然后大脑自动对比出两幅图像的差别，产生立体感！图6&人眼成像原理图图6是人眼成像的原理图，左眼看到M1，右眼看到的M2，那么人的大脑自动认为这个M点位置在A处；同理左眼看到M2，而右眼看到M1，那么我们会认为这么M点位置在A’处。举个栗子，如果你想在屏幕上看到一架飞机从你眼前飞过，方法就是，让你左眼看到飞机图像在M1点，右眼看到飞机图像在M2点，然后从M1点往M2点移动；右眼同理，让图像从M2点往M1点移动，这样自然就形成了飞机从A点往A’点移动，从而产生3D立体感。VR技术就是直接让你左眼看到虚拟图像1，让你右眼看到虚拟图像2，然后人眼自动合成3D虚拟图像，这就是3D成像的原理。& & &讲到这里，我又想到了另外一种眼镜，3D眼镜，也就是我们去电影院看3D电影经常戴的眼镜。其实原理是一样的，只不过它需要处理的是从屏幕上图像发光问题，因为它不是像VR眼镜那样直接把图像信息分别发送到眼镜的左右镜片上。那如何做到？前面提到，人眼具有视觉滞留效应，所以直接将影片做成一会儿只让左眼接收到，一会儿只让右眼接收到，那么自然就让人脑自动识别成立体图像了。那如何又让图像“只”让一只眼睛看到呢？举一个最简单的例子，利用光学的偏振原理（上一期也提到过）就可以，让3D眼镜左右镜片分别做成垂直方向偏振和水平方向偏振的偏振片，相应地让图像发出的光也具有相同的偏振性，那么自然就能让不同的眼睛只看到我们想让他看到的图像，屏蔽掉另外一幅图像，从而形成立体感，这也是为什么摘掉眼镜直接看你会觉得图像模糊的原因！转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。链接地址：光学基础知识大讲堂——第8期：光的散射前面几期，我们多次提到了光的干涉，其他光的传播方式还包括反射、折射、衍射、散射等。那么今天，我们就来讲讲其中的一种光学现象：光的散射。& & &光的散射是指光线通过不均匀介质一部分偏离原来传播方向的现象。显然，如果光入射的是均匀介质，那么光只会发生发射、折射，不会产生散射。光的散射有很多种，例如米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等。如果我们从光频率是否改变的角度来分，可以分为二种：弹性散射和非弹性散射。所谓弹性散射是指光的波长（频率）不会发生改变，入射是什么波长的光，散射后还是什么波长的光，例如米氏散射、瑞利散射等。而非弹性散射即指散射前后光的波长发生了改变，例如拉曼散射、布里渊散射、康普顿散射等。瑞利散射瑞利散射是弹性散射的一种，通常需要满足的条件是微粒尺度远小于入射光波长，一般要小于波长的1/10，且各个方向的散射强度不一致，该强度与波长的4次方成反比。& & &那瑞利散射在日常生活中有什么表现呢？比如我们平常看到天是蓝色的，海水也是蓝色的，这是因为天空和海水本来就是蓝色的吗？当然不是。天空本来是没有颜色的，只是由于大气分子的存在，当太阳光入射到地球上的时候被散射了。前面提到，瑞利散射的强度与波长的4次方成反比，也就是说，波长越短，散射强度越强（关于光的波长，详见第3期：详解电磁辐射第一部分），所以蓝紫光被散射得最厉害，因此，天空呈现蔚蓝色。那又有人要问了，为啥不是紫色？是因为紫光被大气吸收了，且人眼对紫光不敏感。另外，如果地球没有大气层，那么你看到的天空应该跟宇宙星空是一致的，一片黑除了恒星之外。图1&碧水蓝天（图片来源于网络）同理，海水的蓝色也是因为水分子的散射造成的，如果你走近了看，海水是透明无色的。另外，离得越远越深的海水，蓝色也越深甚至发黑，那是因为远/深处海水的散射光被你接收到的光变少了，所以呈现出深黑色。& & &讲到这里，我又想到了另外一个问题，如果你站在海边，你能看到的海水能有多远？100 m，1 km，10 km还是更远？好吧，那就让我们用中学的数学知识简单计算一下。图2&你到底能看多远首先大家都知道，地球的半径为6371 km，假设一个人身高1.8 m，那么他能看到最远的距离是多少？公式说明一切（请自行用计算器计算）：square(-6371^2)=4.789 km。如果再考虑地球不完全是圆形，那按照地球极半径6357 km计算，结果是：square(-6357^2)= 4.784 km。看来，地球的半径对你看得是否远，影响不是很大，接下来再假设身高只有1.5 m，那么结果是：square(-6371^2)=4.372 km。比刚才变化略大一点，这说明身高高还是有一点优势的。咳，好像偏离主题了，回来继续。米氏散射好，接下来我们再来看看另一种弹性散射：米氏散射。前面提到，瑞利散射的颗粒一般远小于光波长，当颗粒增加直到光波长量级（λ）甚至达到10λ，那么就符合米氏散射的规律了。米氏散射的强度与光波长的2次方成反比，且随着颗粒的增大，散射强度随波长变化的起伏变弱，如图3所示。这也是为什么你看到的云（图1）是白色的原因。当然，如果颗粒尺寸再增加，大于50λ，那么就不能再以散射模型来分析，而是直接以几何光学模型来讨论了。图3&米氏散射与瑞利散射的区别（图片来源于网络）弹性散射中还有一种中学里介绍过的现象：丁达尔效应。其实它也是一种很常见的散射现象，例如光透过云层的时候，早晨透过森林的时候，甚至雾霾时车灯发出的光束，都能看到光的线条。当然如果没有散射的话，你是根本看不到任何光束的，比如你直接看水或者溶液，它都是透明的，没有任何光线。图4&丁达尔现象（图片来源于网络）拉曼散射前面介绍了弹性散射，现在我们再来看看非弹性散射，所谓非弹性散射就是“不是弹性的散射”（这是一句废话吗？），即光的频率在散射前后发生了改变。图5&拉曼散射与瑞利散射的区别（图片来源于网络）从图5可以看出，拉曼散射是由于样品分子振动等相互作用引起入射光频率发生变化的散射。假设用虚能级来表示，当处于振动基态/激发态的分子在光子作用下，激发到高能级又回落到激发态/基态，散射光的能量会发生改变，产生斯托克斯光和反斯托克斯光。最重要的是，拉曼谱线由分子振动决定，与入射光频率无关。这意味着可以利用这一效应来检测和鉴定物质组成成分，包括鉴宝（剧透：下一期主题）。图6&拉曼散射机制（图片来源于网络）另外需要注意的是，由于拉曼散射强度是非常小的，大约只占整个散射光（瑞利散射等）的0.01%。而瑞利散射又只占入射光强度的0.1%，可想而知拉曼光谱信号是非常弱的。所以，我们经常看到一种技术：表面增强拉曼光谱。通过利用表面等离子体增强机制，极大地增强拉曼光谱的信号，从而成为我们常用的分析工具。布里渊散射布里渊散射也是非弹性散射的一种，本质上也属于拉曼效应（注：此处表述不妥当，感谢邵鹏老师指正！），是由于光在介质中受到激发后产生不同频率的散射光。原理如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子，其实原理类同于拉曼散射（此处妥当，应该只能说类似）。布里渊散射目前大量应用于分布式光纤传感当中，而且由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、范围以及空间分辨率明显高于基于瑞利散射/拉曼散射的传感技术，所以得到了广泛的研究与关注。转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自何卓铭科学网博客。链接地址：&
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