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光学新事物滤波器是一种光子学器件,只显示与输入图像相比新出现的或者是有变化的部分,而静止的图像部分在输出图像中不被显示。光学新事物滤波器被广泛用于探测和跟踪移动的物体,相位测量以及生物医学等方面。新事物滤波器所用的材料目前有两大类:一类是无机晶体,主要是钛酸钡晶体以及掺杂的钛酸钡晶体;另外一类是有机光学材料,包括各种光折变聚合物和生物光子学材料细菌视紫红质等。介绍了各种新事物滤波器的工作原理以及在各个领域的应用。
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综合
评述
Vol.44,No.11
Nov.2007
Review
光电器件
光学新事物滤波器及其应用
OpticalNoveltyFilterandItsApplications
杨光
1,2
张春平
2
陈桂英
3
杨秀芹
2
田建国
2
1
山东建筑大学理学院,济南
250101
2
南开大学物理学院光子学中心
,
天津市南开大学弱光非线性光子学材料先进技术及制备教育部重点实验室,
信息光子材料与技术重点实验室天津
300071
3
中国科学院南海海洋研究所,广州
510301
晌
尚
上
上
上
上
上
上
上
上
上
上
上
上
裳
捎
梢
梢
梢
梢
梢
梢
梢
梢
梢
梢
梢
梢
YANGGuang
1,2
ZHANGChunping
2
CHENGuiying
3
YANGXiuqin
2
TIANJianguo
2
1 CollegeofScienceShandongJianzhuUniversity,Jinan 250101
2 KeyLaboratoryofAdvancedTechniqueandFabricationforWeak-Light,NankaiUniversity,
KeyLaboratoryofPhotonicsMaterialsandTechnologyforInformationScience,Tianjin, 300071
3 SouthChinaSeaInstituteofOceanology,TheChineseAcademyofSciences,Guangzhou, 510301
晌
尚
上
上
上
上
上
上
上
上
上
上
上
上
裳
捎
梢
梢
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梢
梢
梢
梢
摘 要 光学新事物滤波器是一种光子学器件,只显示与输入图像相比新出现的或者是有变化的部分,而静止
的图像部分在输出图像中不被显示。光学新事物滤波器被广泛用于探测和跟踪移动的物体,相 位 测 量
以 及 生 物 医 学 等方面。新事物滤波器所用的材料目前有两大类:一类是无机晶体,主要是钛酸钡晶体
以及掺杂的钛酸钡晶体;另外一类是有机光学材料,包括各种光折变聚合物和生物光子学材料细菌视
紫红质等。介绍了各种新事物滤波器的工作原理以及在各个领域的应用。
关键词 光学新事物滤波器;钛酸钡晶体;光折变聚合物
Abstract
Opticalnoveltyfilterisaphotonicdevicewhichshowsnewphenomenainaninputimage
comparedwiththeinputrecenthistory.Opticalnoveltyfilterisextensivelyappliedindetectingand
tracingthemovingobject,andmeasuringthechangeofthephase.Thematerialsusedforoptical
noveltyfilterareclassifiedasinorganiccrystal,suchasbariumtitanatecrystalanddopedbarium
titanatecrystal,andorganicpolymers,suchasvariousphotorefractivepolymersandbacterior-
hodopsin.Theprincipleofopticalnoveltyfilteranditsapplicationsindifferentfieldswereintroduced.
Keywords opticalnoveltyfilter;bariumtitanatecrystal;photorefractivepolymer
中图分类号
O482.3
1
引言
光学新事物滤波器的主要功
能是在输出图像中只显示与输入
物体或图像相比新出现的或者是
有变化的部分,而静止的图像部
分在输出图像中不被显示
[1]
。用于
光学新事物滤波器的光学材料由
最开始的无机光折变晶体
(
主要
是钛酸钡晶体
)
发展到后来的有
机光学材料。大部分光学新事物
滤波器的工作原理是光波四波混
频
[2]
和双波耦合
[3]
。最近新出现的
一种光学新事物滤波器与以前的
利用相干光耦合理论不同,是根
据细菌视紫红质膜
[4]
(Bacteriorho-
dopsin
,
bR)
对黄光和蓝光具有互
补抑制调制透射特性而设计的非
相干系统,具有设备简单,操作方
24
Vol.44,No.11
Nov.2007
L
激光与光电子学进展
aser&OptoelectronicsProgress
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便等优点。
2
光学新事物滤波器的工作
原理
2.1
无机晶体材料新事物滤波器
钛酸钡晶体具有高的自抽运
相位共轭反射率和二波混频
(
光
放大
)
效率,
GroninGolomb
等
[5]
利用钛酸钡晶体和两束波的能量
耦合原理设计了一种新事物滤波
器,图
1
是 其 工作原理示意图。两
束相干光照射钛酸钡晶体,其中
A
1
是参考光,
A
2
是输入信号光,这
两束相干光在晶体内形成一个相
位光栅,被衍射的抽运光与透射
的信号光具有相同的出射方向,
但是两者之间有
180毅
的相位差。
如果输入信号光
A
2
是时间的函
数,被衍射的参考光比透射的信
号光时间延迟,输出的信号光可
以表示为公式
(1)
。
由于在钛酸钡晶体内的光强
干涉条纹和折射率条纹之间有
90毅
的相位变化,在 稳态时,信 号
光的能量转移到参考光中,从晶
体中 透射出的信号光会很快消
失。如果信号光所承载的图像突
然移动,那么能量耦合将会暂时
被破坏,信号光将会从晶体中透
射出来。显示屏上包含了两个叠
加的图像信息:一个是从晶体中
透射出来的信号光所带有的图像
信息,另一个是由于被衍射的参
考光所产生的全息重建的图像信
息,可以表示为公式
(2)
[6]
。其中:
K(t)
=exp(-t/
t
)J
0
(2 -
g
zt/
t
姨
)
,
J
0
是零阶贝塞尔函数。如果任何一
束光发生变化,相干条件将会受
到影响而被破坏,使得显示屏上
有输出图像。图
2
是光学新事物滤
波器的实验装置图。
501.7nm
的激
光被分成两束,一束是信号光
(A
2
)
,它经由一个液晶空间光束调
制器
(SLM)
后入射到钛酸钡晶体
上;参考光
A
1
也入射到钛酸钡晶
体内。信 号 光
A
2
和 参考光
A
1
在钛
酸钡晶体内耦合形成一个全息光
栅,在 稳态时信号光
A
2
的能量完
全转移到参考
A
1
中,此时没有信
号光从钛酸钡晶体内出射,当输
入信号发生变化时,这种稳态被
打破,在重新建立稳态的过程中
将会有信号光从晶体内出射,也
就是探测到了变化的入射信号光
的信息。当稳态再次建立后出射
的信号光又为零。这就是双波耦
合光学新事物滤波器的工作过
程。当信号光以一维正弦规律变
化时,其模拟结果如图
3
所示,实
线是输入信号,虚线是输出信号。
在输入信号增大或减小变化的地
方,有输出光被探测到,无论输入
信号是最大值还是最小值,在这
些输入信号不变的地方,输出信
号几乎为零。图
4
是实验得到的
以手为输入图像信息的实验结果
图。
(a)
是输入图像
,(b)
是当输入
图像
(
手
)
突然移动时的输出图像。
为提高光学新事物滤波器的
性能,
PierreMathey
等
[7]
研究了
近红外区域四种掺有不同杂质的
钛酸钡晶体的损耗率和响应时间
以及掺铑钛酸钡晶体的新事物滤
波器的特性。这四种惨杂的钛酸
钡晶体分别是:未惨杂的钛酸钡
晶体,掺钴钛酸钡晶体,掺铑钛酸
钡晶体和掺钴和铑钛酸钡晶体。
在相同的入射光强下,掺铑的钛
酸钡晶体有最快的响应时间和最
A
2
(x,t)
out
抑A
2
(x,t)
in
-A
2
(x,t-T)
in
抑T(dA
2
/dt) (1)
A
2
*
(z,t)=A
2
*
(0,t)K(t)+
t
0
乙
[
A
2
*
(0,t)
t
+
dA
2
*
(0,t)
dT
]K(t-T)dT (2)
图
1
光折变双波耦合的时间微分
图
2
双光束耦合光学新事物滤波器实验装置图
25
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