基于空间光调制器的太赫兹波波前调制及应用研究

发布时间：2017-04-04 22:01

  本文关键词：基于空间光调制器的太赫兹波波前调制及应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来光波在通信、传感、成像、加工等领域的应用越来越广,如何更好的控制光波,包括在宏观尺度、微观尺度,二维以及三维方面,也包括如何控制光的振幅、相位、偏振、波矢等参量,成为了人们研究的热点。而其中控制光波的核心技术之一就是波前调制技术,本文主要研究可见光波段的波前调制技术和利用可见光来动态控制太赫兹波波前的技术。在可见光波段主要分为相干波前的三维调制研究和基于波前扰乱的非相干图像加密研究两个方面。具体工作总结如下:对于传统的三维物体的计算全息算法进行改进,提出一种新的加速算法。通过预先计算物体中心点在全息平面的光场分布,然后其他所有物点的场分布则可以通过对中心点场分布的平移和缩放来得到。使用这种方法,可以显著减少生成三维计算全息图的时间消耗。由运行效率对比实验可知,这一加速算法比传统的光线追迹法运算速度快了八倍。通过静态的二维汽车和三维茶壶图像以及动态三维茶壶计算全息图的光学重建实验,验证了这一加速算法的可行性。这种加速算法或将有益于实现基于全息术的三维显示。我们将波前扰乱技术运用在非相干光图像加密领域,提出一种简单高效的非相干光学加密系统。这个系统仅包含一个傅里叶透镜和一个随机相位板,并且由于采用非相干光进行照明,加密后的图像是纯强度分布,所以可以直接用CCD进行采集。在此加密系统中,非相干光光源的波长、随机相位板的相位分布、系统光学元件之间的距离都可以作为系统的密钥。我们对此非相干光学加密系统进行了数值模拟实验和光学加密实验,得到了良好的解密图像,并且验证了加密系统对于元件位置的敏感程度,对加密系统的安全性进行了评估。总体来说,采用此非相干光学加密系统对图像进行加密是简单有效、切实可行的。在非相干光照明的图像加密系统的基础上,提出非相干双图像隐藏的方法。对于图像一采用系统的点扩散函数进行加密和解密。而对于图像二则将其进行相位编码,用来扰乱主图像的波前信息。由于图像二的信息是纯相位信息,所以采用加密统记录其加密后的强度信息,而用模拟运算来记录加密后的相位信息,这个相位信息可以作为密钥来解密图像二。实验方案采用两个空间光调制器来分别加载图像一和图像二。其中透过式的纯光强空间光调制器用来输入图像一,而纯相位的空间光调制器则用来加载图像二。考虑到系统的点扩散函数比较难拍摄,我们合理选取了试验参数,又采用多幅平均以及背景噪声相减技术。经过光学实验得到了两幅图像的清晰解密结果,验证了方法的可行性和有效性。本加密系统或可应用于未来的信息安全领域。由于太赫兹波具有低光子能量、高穿透性、宽谱性等特点,使得其在生物成像、安全检查以及高速通信方面有很大的应用潜力。然而现在太赫兹技术发展的一个主要瓶颈在于缺乏有效的太赫兹调控器件,尤其是缺乏太赫兹波前的调制器件。这里我们提出一种用光生载流子来动态调制太赫兹波前的空间太赫兹调制器。先用空间光调制器将设计的太赫兹计算全息图用可见光投影到高阻硅片上,硅片上所产生的光生载流子就会形成相应的太赫兹全息图,从而实现对透过的太赫兹波前的调制。首先对所提出的太赫兹调制器的关键性能指标进行了测量,包括调制器的空间分辨率、调制器的适用频率带宽、调制器的调制深度等参数。之后用这种太赫兹调制器形成了相应的太赫兹强度图样(字母)、同时也实现了具有不同拓扑数的太赫兹涡旋。所提出的太赫兹调制器具有加工简单、高分辨率和宽带的特性。相对于其他太赫兹调制器,本方法具有以下创新性和优势:本方法无需复杂的加工工艺,不需要加工金属结构,同时还具有较高的分辨率和宽谱适用范围,而且具有较高的刷新率。通过计算全息技术可以实现对太赫兹强度和相位的同时进行控制,这种太赫兹调制器有望被应用于将来的太赫兹成像和通信系统中。在动态光控太赫兹调制器的基础上提出了一种生成矢量太赫兹波前的方法。采用一个亚波长的金属光栅来调节太赫兹的偏振态,而用光生载流子的太赫兹计算全息图来调制太赫兹的振幅和相位部分。用所提出的方法生成了径向偏振的太赫兹波以及一个拓扑数为1的圆柱型太赫兹矢量光束,实验结果与理论模拟符合较好,从而上验证了方法的有效性。而且所提出的方法还具有宽带可适性和动态可调性,这一结果可能会应用于将来的太赫兹传感、成像和通信等领域。
【关键词】：波前调制 空间光调制器 三维显示 计算全息 非相干加密 太赫兹波前调制 矢量太赫兹光束
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN761
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 光波的波前12-13
• 1.2 波前调制技术以及器件13-23
• 1.2.1 全息术13-17
• 1.2.2 计算全息技术17-19
• 1.2.3 空间光调制器19-22
• 1.2.4 基于超表面的波前调制技术22-23
• 1.3 研究意义及存在的问题23-24
• 1.4 本文的主要研究内容24-27
• 第2章 相干光三维波前调制的加速算法27-42
• 2.1 引言27-28
• 2.2 三维点云法建模以及光线追迹法28-29
• 2.3 基于光线追迹法的三维计算全息的加速算法29-34
• 2.4 加速算法的运行效率34
• 2.5 计算全息图的光学重建34-40
• 2.5.1 二维图像的计算全息图及光学重建34-36
• 2.5.2 静态三维计算全息图及重现实验36-39
• 2.5.3 动态三维茶壶的计算全息重建39-40
• 2.6 本章小结40-42
• 第3章 基于波前扰乱的非相干光图像加密42-63
• 3.1 引言42-43
• 3.2 纯相位扰乱的非相干加密系统43-54
• 3.2.1 加密系统的设计及基本原理43-45
• 3.2.2 加密系统的数值模拟45-47
• 3.2.3 加密系统的安全性评估47-48
• 3.2.4 加密系统的光学实验验证48-52
• 3.2.5 随机相位板的位置对解密结果的影响52-54
• 3.3 非相干双图像加密54-61
• 3.3.1 加密系统设计54-56
• 3.3.2 数值模拟实验56-58
• 3.3.3 光学实验验证58-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第4章 光控动态太赫兹波前调制器63-77
• 4.1 引言63-64
• 4.2 光控太赫兹调制器基本原理64-67
• 4.2.1 器件原型设计64-65
• 4.2.2 硅片对太赫兹透过率随控制光功率的变化65-67
• 4.3 光控太赫兹调制器实验系统及性能测试67-72
• 4.3.1 实验系统搭建67-69
• 4.3.2 调制器性能参数测量与分析69-72
• 4.4 太赫兹波前调制实验72-75
• 4.4.1 振幅调制72-74
• 4.4.2 相位调制74-75
• 4.5 本章小结75-77
• 第5章 矢量太赫兹波的产生77-87
• 5.1 引言77-78
• 5.2 基本原理与系统设计78-81
• 5.2.1 基本原理78-79
• 5.2.2 实验系统介绍79-81
• 5.3 矢量太赫兹波的模拟和实验生成81-86
• 5.3.1 径向偏振的太赫兹波的产生81-84
• 5.3.2 带宽特性研究84-85
• 5.3.3 其他圆柱矢量太赫兹波的产生85-86
• 5.4 本章小结86-87
• 结论87-90
• 参考文献90-105
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果105-108
• 致谢108-109
• 个人简历109

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张浩;谢敬辉;刘娟;王涌天;;Optical reconstruction of 3D images by use of pure-phase computer-generated holograms[J];Chinese Optics Letters;2009年12期

  本文关键词：基于空间光调制器的太赫兹波波前调制及应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：285958