基于空間光調(diào)制器的太赫茲波波前調(diào)制及應(yīng)用研究.pdf

1、近年來光波在通信、傳感、成像、加工等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，如何更好的控制光波，包括在宏觀尺度、微觀尺度，二維以及三維方面，也包括如何控制光的振幅、相位、偏振、波矢等參量，成為了人們研究的熱點(diǎn)。而其中控制光波的核心技術(shù)之一就是波前調(diào)制技術(shù)，本文主要研究可見光波段的波前調(diào)制技術(shù)和利用可見光來動態(tài)控制太赫茲波波前的技術(shù)。在可見光波段主要分為相干波前的三維調(diào)制研究和基于波前擾亂的非相干圖像加密研究兩個方面。具體工作總結(jié)如下：
　　對于傳統(tǒng)的

2、三維物體的計算全息算法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的加速算法。通過預(yù)先計算物體中心點(diǎn)在全息平面的光場分布，然后其他所有物點(diǎn)的場分布則可以通過對中心點(diǎn)場分布的平移和縮放來得到。使用這種方法，可以顯著減少生成三維計算全息圖的時間消耗。由運(yùn)行效率對比實(shí)驗(yàn)可知，這一加速算法比傳統(tǒng)的光線追跡法運(yùn)算速度快了八倍。通過靜態(tài)的二維汽車和三維茶壺圖像以及動態(tài)三維茶壺計算全息圖的光學(xué)重建實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這一加速算法的可行性。這種加速算法或?qū)⒂幸嬗趯?shí)現(xiàn)基于全息術(shù)的三維顯

3、示。
　　我們將波前擾亂技術(shù)運(yùn)用在非相干光圖像加密領(lǐng)域，提出一種簡單高效的非相干光學(xué)加密系統(tǒng)。這個系統(tǒng)僅包含一個傅里葉透鏡和一個隨機(jī)相位板，并且由于采用非相干光進(jìn)行照明，加密后的圖像是純強(qiáng)度分布，所以可以直接用CCD進(jìn)行采集。在此加密系統(tǒng)中，非相干光光源的波長、隨機(jī)相位板的相位分布、系統(tǒng)光學(xué)元件之間的距離都可以作為系統(tǒng)的密鑰。我們對此非相干光學(xué)加密系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和光學(xué)加密實(shí)驗(yàn)，得到了良好的解密圖像，并且驗(yàn)證了加密系統(tǒng)對于元

4、件位置的敏感程度，對加密系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了評估?？傮w來說，采用此非相干光學(xué)加密系統(tǒng)對圖像進(jìn)行加密是簡單有效、切實(shí)可行的。在非相干光照明的圖像加密系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出非相干雙圖像隱藏的方法。對于圖像一采用系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行加密和解密。而對于圖像二則將其進(jìn)行相位編碼，用來擾亂主圖像的波前信息。由于圖像二的信息是純相位信息，所以采用加密統(tǒng)記錄其加密后的強(qiáng)度信息，而用模擬運(yùn)算來記錄加密后的相位信息，這個相位信息可以作為密鑰來解密圖像二。實(shí)驗(yàn)方案

5、采用兩個空間光調(diào)制器來分別加載圖像一和圖像二。其中透過式的純光強(qiáng)空間光調(diào)制器用來輸入圖像一，而純相位的空間光調(diào)制器則用來加載圖像二?？紤]到系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)比較難拍攝，我們合理選取了試驗(yàn)參數(shù)，又采用多幅平均以及背景噪聲相減技術(shù)。經(jīng)過光學(xué)實(shí)驗(yàn)得到了兩幅圖像的清晰解密結(jié)果，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。本加密系統(tǒng)或可應(yīng)用于未來的信息安全領(lǐng)域。
　　由于太赫茲波具有低光子能量、高穿透性、寬譜性等特點(diǎn)，使得其在生物成像、安全檢查以及高速通信方

6、面有很大的應(yīng)用潛力。然而現(xiàn)在太赫茲技術(shù)發(fā)展的一個主要瓶頸在于缺乏有效的太赫茲調(diào)控器件，尤其是缺乏太赫茲波前的調(diào)制器件。這里我們提出一種用光生載流子來動態(tài)調(diào)制太赫茲波前的空間太赫茲調(diào)制器。先用空間光調(diào)制器將設(shè)計的太赫茲計算全息圖用可見光投影到高阻硅片上，硅片上所產(chǎn)生的光生載流子就會形成相應(yīng)的太赫茲全息圖，從而實(shí)現(xiàn)對透過的太赫茲波前的調(diào)制。首先對所提出的太赫茲調(diào)制器的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測量，包括調(diào)制器的空間分辨率、調(diào)制器的適用頻率帶寬、調(diào)制

7、器的調(diào)制深度等參數(shù)。之后用這種太赫茲調(diào)制器形成了相應(yīng)的太赫茲強(qiáng)度圖樣（字母）、同時也實(shí)現(xiàn)了具有不同拓?fù)鋽?shù)的太赫茲渦旋。所提出的太赫茲調(diào)制器具有加工簡單、高分辨率和寬帶的特性。相對于其他太赫茲調(diào)制器，本方法具有以下創(chuàng)新性和優(yōu)勢：本方法無需復(fù)雜的加工工藝，不需要加工金屬結(jié)構(gòu)，同時還具有較高的分辨率和寬譜適用范圍，而且具有較高的刷新率。通過計算全息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對太赫茲強(qiáng)度和相位的同時進(jìn)行控制，這種太赫茲調(diào)制器有望被應(yīng)用于將來的太赫茲成像和通信