激光原理论文范文10篇

激光原理论文范文篇1

关键词：“工业机器人技术”；双语教学；信息化教学；三位一体化

随着全球人工智能[1-3]的兴起和工业5.0[4]的提出，简单重复或危险作业由工业机器人替代已成为推动先进制造业高端化的源动力，且其趋势日益明显，此局面造成工业机器人技术中高端人才严重匮乏，因此工业机器人人才培养模式探索逐渐成为现代高校教学改革研究的热点之一[5-6]。高校机械学院，尤其是产业学院，培养符合时代需求的中高端工业机器人国际化专业人才[7-10]势在必行。由于工业发达国家，尤其是德国、美国、日本等的工业机器人技术仍处于国际领先水平，加之现代信息化教学手段普及[11-15]，为紧跟时代步伐，本文以英语为媒介，对中英双语信息化环境下的工业机器人“三位一体化”教学模式进行了探讨和研究。

1“工业机器人技术”双语教学理念推广

“工业机器人技术”作为机械工程学科一门新型交叉课程，其关键核心技术仍被少数发达国家垄断。因此，授课过程中利用双语教学理念拓宽学生国际视野、学习国外先进技术，不仅培养了学生的英文文献查阅能力，同时拓展了学生的知识面。“工业机器人技术”双语教学理念推广的具体措施如下。以“机械工程英语”双语课程为前期基础课程，让学生适应双语课程的学习环境，并积累大量机械专业英语词汇，特别安排2周时间组织学生专门学习有关工业机器人的英语词汇。授课前为学生分配预习任务，使其大量阅读工业机器人的相关英文文献，并安排5人1组建立微信群，进行阅读后文献讨论，要求学生除了解文献内容外，还需掌握每篇论文的构架，消除后期学习时的畏难情绪。功能工业机器人包括焊接机器人、搬运机器人、装配机器人、码垛机器人和喷涂机器人这5种类型。利用英文PPT，进行中英文双语分组施教。将全班学生分为5组，每组学生先选择其中一类功能工业机器人进行学习，然后交叉学习，直至每小组均完成5类功能工业机器人学习的任务，最后集中讨论，完成总体学习任务。此分组学习法，要求每组每位成员在学习过程中完成特定任务，避免集体学习过程中部分学生产生怠惰情绪。后期锻炼学生撰写工业机器人英文综述论文的能力，对论文摘要、前沿、主体部分、结论、致谢和参考文献进行分块施教，要求每位学生独自完成1篇工业机器人英文综述论文的写作任务。为保证英文阅读的纯正性，“工业机器人技术”双语教材的选择以英文原著为主，同时提供多本中英文辅助参考书籍作为课外补充读物，让学生依据自己的基础和兴趣自由选择、交叉学习，将“工业机器人技术”双语教学理念全面渗透到学生学习过程中。

2“工业机器人技术”信息化教学新风尚植入

随着信息化时代的来临，加之智能技术的推广和互联网的普及，将高新科技融入传统教育体系，实施信息化教学逐渐成为高校课程教学的主要方式。教学过程中运用信息化技术手段使教学的所有环节数字化，大大提高了“工业机器人技术”理论和实践结合教学过程中低效和资源利用不合理现象，植入信息化教学新风尚的具体细节归纳如下：①采用PC端和手机端APP相结合的教学模式，解决了假期和疫情期间学生学习受时空局限问题。②采用基于ABBRobotStudio的图形离线编程方式，建立计算机及其工作环境的几何模型，给予学生对仿真环境的可视化冲击感。③用工业机器人运动学模拟仿真指令控制机器人实际运动过程，让学生先于实践操作提前体验了机器人实际运动过程，快速实现了人机交互。④依据学生专业英语基础和工业机器人类型，利用排课软件分组排课，每月测试学生学习情况，实时反馈优化，动态调整课表。

3双语、信息化和工业机器人技术三位一体化模式的融合

新教学模式将双语、信息化和工业机器人技术进行三位一体化融合，此模式始终贯穿于教学的每个环节，此过程对教师的专业素养和学生的学习目标提出了如下更高要求。要求配备机械工程专业英文能力较强的教师，尤其对授课教师英文口语水平提出了更高要求。要求授课教师每周准备2h进行机械工程英语听、说、读、写、译能力的强化训练。熟悉信息化教学的各类平台、软件、APP，结合线上、线下2种方式，要求教师具备各类信息化教学技术现学现用的能力，并能及时甄别有用信息，去除冗余信息，保障学生学习知识的时效性和前沿性。要求教师课前大量阅读工业机器人技术相关英文文献，结合5类功能工业机器人的案例教学，编制出基于RobotStudio软件的离线编程教案，并对每类案例做出详细的授课说明。规划出双语、信息化、工业机器人技术三位一体化融合的教学目标：培养出既符合种国国情，又达到国际化标准的工业机器人技术中高端人才；扩展学生的国际视野，让学生能够以变化的视角看待工业机器人技术全球信息化发展的趋势；提升学生跨文化专业知识水平的交际能力，让学生在未来从事工业机器人技术的工作中获得更好的优质资源。

4飞秒激光玻璃焊接机器人案例探讨

[16-19]为后续更好地推动“工业机器人技术”双语信息化教学模式发展，本课题组利用科研项目内容，促进教研相长，将工业机器人执行部件机械臂与飞秒激光技术结合，针对高重频飞秒激光玻璃焊接[16-19]机器人案例展开研究，对以下6部分进行了探讨。深入分析了玻璃和飞秒激光相互作用机理及现象，包括自由电子的运动规律、等离子的形成、能量弛豫等。阐明了激光焊接玻璃的原理和特点，超快激光焊接玻璃的发展历史、应用及高重频飞秒激光焊接玻璃的核心理论和关键技术。研究了高重频飞秒激光非线性焊接玻璃的机理。首先介绍了低重频与高重频飞秒激光加工机制的区别，比较了高、低重频飞秒激光焊接玻璃的理论基础，分析了激光参数对高、低重频2种焊接机制的影响，强调了高重频的优势及如何合理选择高重频范围。阐明了飞秒激光与玻璃作用的非线性效应机理和石英玻璃与飞秒激光内部作用机理。指出当飞秒激光辐照石英玻璃时，依据辐照能量的不同可以出现3种不同的改性结构类型。介绍了采用接触模式和聚焦位置变换及振镜使用所涉及的高重频飞秒激光焊接玻璃的工艺及应用。对光学接触和部分光学接触2种不同接触模式和上、中、下3类聚焦位置的高重频飞秒激光焊接玻璃技术进行了研究。提出了2种不同接触模式下飞秒激光焊接玻璃的6种组合焊接方法，发现通过变换聚焦位置，在成丝焊接与烧蚀效应的共同作用下形成了间断点焊或连续线焊。分析了2种接触模式下分离焊面的微观形貌和焊接区域横截面的成丝颜色和宽度及对应的内部机理。研究了粘结力与焊缝高度和重频的关系。通常静载荷对普通玻璃单层封装的影响不大，然而考虑到冲击载荷时往往其焊接强度不高，加之水平焊接过程中重力对焊接强度也会造成影响。基于上述焊接时存在的问题，提出了一种运用飞秒激光通过振镜实现双层玻璃垂直封装的方法。与传统采用物镜或透镜实现单层水平焊接的普通焊接工艺相比，新工艺不仅大大提高了焊接强度，去除了重力对粘结力的影响，使得焊接区域组织结构更加精细，同时大大节省了编程时间。首先建立实验模型、加工路线，并阐述了飞秒激光双层垂直焊接玻璃的机理，然后分析了焊接层数和扫描速度对焊缝高度的影响，最后展示了振镜加工的焊面微观结构图。提出了针对高重频飞秒激光焊接玻璃仿真和实验中出现的多丝多孔缺陷的有效抑制方法，同时指出了多孔多丝结构形成结构色的可利用之处。首先介绍了高重频飞秒激光焊接玻璃的2种存在争议的成丝模型、空气成丝与玻璃成丝的区别及成丝中的多丝多孔现象，然后阐明了多丝中多孔结构对焊接质量的不利影响和时空整形抑制方法及优势，最后指出了多丝中多孔结构形成的结构色具有一定的应用价值。因此，可根据实际应用需要，一定程度上抑制多丝多孔结构的出现。提出了一种玻璃组焊接和内部加工并行的新技术。详述了3块玻璃内部通道加工和焊接的物理模型和原理及实验所采用的加工线路，指出了飞秒激光一步实现3块玻璃的焊接机理完全不同于普通2块玻璃焊接原理。前者由于焦点没有直接辐照在玻璃界面处，在实现玻璃内部加工的同时，通过热传递实现对玻璃的焊接；后者则是在交界面处直接实现焊接。将工业机器人执行部件机械臂与超快激光技术结合，综合上述方法，实现玻璃焊接无损伤、非接触、自动化、绿色加工。

5结论

激光原理论文范文篇2

论文摘要：回顾了全息术的历史，阐述了全息术的基本原理，然后介绍了全息术在实际中的应用及其发展方向。

我们看到的世界是三维的、彩色的，这是因为每个物体发射的光被人眼接受时，光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看，是由于各物体发射的特定的光波不同，光的特征主要取决于光波的振幅(强弱)，位相(同相面形状)和波长(颜色)。如果能得到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三维像，这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展，已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。

1全息术的历史和发展阶段

1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验证实这一想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想，虽然未能用电子波证实其原理，但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期，全息图制作具有以下共同特点：全息图都是用汞灯作为光源；而且是所谓同轴全息图，即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图，标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中，全息术进展缓慢。

1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源，为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题，利思和乌帕特尼克斯(1962)提出，将通信理论中的载频概念推广到空域中，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。该方法被称为离轴全息术，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题，并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展，但是激光再现的全息图失去了色调信息。

科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录，而用白光再现的全息图，在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。

激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图，它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。

2全息术的基本原理和特点

全息术是一种“无透镜”的两步成像法，它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息，即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步：第一步称为波前记录(全息记录)；第二步物体的再现(重现)。

波前记录依据的是干涉原理，物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布，干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说，全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出，任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布，而不能直接记录位相分布，全息照相之所以能记录位相分布，是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波，或者它与物光波不相干，波前上的位相分布是不可能记录下来的。

波前再现的理论依据是衍射原理，照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分，即物光波(+1级衍射波)，物光波的共轭波(-1级衍射波)，照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中，这三种衍射波在空间彼此分离，互不干扰，便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。

全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点：

(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。

(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象，只是分辨率受到一些影响。

(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同的图像。

(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关，用不同波长的激光照射全息图，再现相就会发生放大或缩小。

3全息术的主要应用及其发展方向

全息术经过60年的发展，已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合，成为一种高新技术，扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域，在一些发达国家还兴起了全息产业，并且正在形成日益广阔的市场，实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。

3.1全息存储

全息存储是依据全息术的原理，将信息以全息照相的方式存储起来，它利用两个光波之间的耦合和解耦合，可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别，甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多，可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等；可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，原因是：

(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2；用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2；如果用体全息图存储信息时，存储密度可高达1013bit/mm2。

(2)全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。

(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个数据页可包含达1Mbit的信息，写人一页的时间在100ms左右，读信息的时间可以小于100μs，而磁盘的寻址时间至少需要10ms。

当前，在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮，并取得很大的进展，其主要表现在：

(1)存储容量迅速提高和性能不断改善，并逐步走向实用化。例如，1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图，同年，斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中，并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术，在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图，并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。

(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如，1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川，投资约7000万美元，实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目，预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据，存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。

近几年来，光电子技术和器件取得了系列重大进展，为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件，全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而，美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决，虽然张泽明、谢敬辉等对Ce：Fe：LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究，从方法上给出了记录角度越大，光栅周期越小，热定影所需最小离子数密度越高，存储系统的整体性能越好，但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑，这将成为全息存储界研究的热门课题。

3.2显示全息

显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图，如白光反射全息图、白光透射全息图等，各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等；再如，以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等，每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图，它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。

显示全息目前主要有两大类：第一类是Lippmann全息图，制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图，这是一种透射式显示全息图，可在白光照明下再现立体图像，且图像的颜色随观察的位置的变化而变化，从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展，随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术，如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看，显示全息存在不足主要表现在：

(1)视角范围、图像体积有限；

(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法；

(3)由于全息计算数量巨大，导致动态显示异常困难。克服以上不足，将可能成为显示全息研究的几个热点。

近年来，显示全息技术掀起一场数字化变革，数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展，利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性，在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视，为显示全息技术创造良好的商业前景。

3.3模压全息

模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的，它是将全息术和电镀、压印技术结合起来，使全息图的制作产业化，用白光再现时，可得到色彩鲜艳逼真的三维图像，并可通过印刷方式大批量生产，使得它在许多领域得到广泛的应用，以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段：激光摄制原片全息图；电成型制金属模板；模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高，因此，模压全息作为安全防伪首当其冲，是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上，不能去除性、价格低廉、容易验证等特点，使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品，无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术，并备受使用者青睐。

模压全息出现于20世纪70年代，80年代中期已形成了一种产业，90年代达到了鼎盛时期。本世纪初，随着防伪技术要求的不断提高，模压全息技术又有了新的突破：美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术；2003年，苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”；同年，倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破，使防伪功能有了提高，让激光全息防伪技术达到新的境界。

模压全息产业在我国起步较晚，但发展速度迅猛，目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展，我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视：首先是开拓全息烫金材料，取代金膜和银膜，其次开发全息包装材料，实现立体防伪包装，第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合，体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。

3.4全息干涉计量

全息干涉计量术是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后利用全息术的空间波前再现原理，非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面，它能实现高精度非接触性无损测量，比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件，而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量，测量精度为光波波长λ的数量级。目前，全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法，此外，J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展，使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠，并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等，可使测量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化，我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定，其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制，我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有：

(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪；

(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪；

(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统；

激光原理论文范文篇3

1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验证实这一想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想，虽然未能用电子波证实其原理，但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期，全息图制作具有以下共同特点：全息图都是用汞灯作为光源；而且是所谓同轴全息图，即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图，标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中，全息术进展缓慢。

1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源，为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题，利思和乌帕特尼克斯(1962)提出，将通信理论中的载频概念推广到空域中，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。该方法被称为离轴全息术，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题，并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展，但是激光再现的全息图失去了色调信息。

科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录，而用白光再现的全息图，在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。

激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图，它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。

2全息术的基本原理和特点

全息术是一种“无透镜”的两步成像法，它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息，即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步：第一步称为波前记录(全息记录)；第二步物体的再现(重现)。

波前记录依据的是干涉原理，物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布，干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说，全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出，任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布，而不能直接记录位相分布，全息照相之所以能记录位相分布，是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波，或者它与物光波不相干，波前上的位相分布是不可能记录下来的。

波前再现的理论依据是衍射原理，照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分，即物光波(+1级衍射波)，物光波的共轭波(-1级衍射波)，照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中，这三种衍射波在空间彼此分离，互不干扰，便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。

全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点：

(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。

(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象，只是分辨率受到一些影响。

(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同的图像。

(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关，用不同波长的激光照射全息图，再现相就会发生放大或缩小。

3全息术的主要应用及其发展方向

全息术经过60年的发展，已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合，成为一种高新技术，扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域，在一些发达国家还兴起了全息产业，并且正在形成日益广阔的市场，实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。

3.1全息存储

全息存储是依据全息术的原理，将信息以全息照相的方式存储起来，它利用两个光波之间的耦合和解耦合，可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别，甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多，可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等；可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，原因是：

(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2；用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2；如果用体全息图存储信息时，存储密度可高达1013bit/mm2。

(2)全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。

(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个数据页可包含达1Mbit的信息，写人一页的时间在100ms左右，读信息的时间可以小于100μs，而磁盘的寻址时间至少需要10ms。

当前，在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮，并取得很大的进展，其主要表现在：

(1)存储容量迅速提高和性能不断改善，并逐步走向实用化。例如，1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图，同年，斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中，并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术，在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图，并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。

(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如，1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川，投资约7000万美元，实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目，预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据，存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。

近几年来，光电子技术和器件取得了系列重大进展，为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件，全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而，美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决，虽然张泽明、谢敬辉等对Ce：Fe：LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究，从方法上给出了记录角度越大，光栅周期越小，热定影所需最小离子数密度越高，存储系统的整体性能越好，但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑，这将成为全息存储界研究的热门课题。

3.2显示全息

显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图，如白光反射全息图、白光透射全息图等，各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等；再如，以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等，每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图，它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。

显示全息目前主要有两大类：第一类是Lippmann全息图，制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图，这是一种透射式显示全息图，可在白光照明下再现立体图像，且图像的颜色随观察的位置的变化而变化，从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展，随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术，如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看，显示全息存在不足主要表现在：

(1)视角范围、图像体积有限；

(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法；

(3)由于全息计算数量巨大，导致动态显示异常困难。克服以上不足，将可能成为显示全息研究的几个热点。

近年来，显示全息技术掀起一场数字化变革，数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展，利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性，在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视，为显示全息技术创造良好的商业前景。

3.3模压全息

模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的，它是将全息术和电镀、压印技术结合起来，使全息图的制作产业化，用白光再现时，可得到色彩鲜艳逼真的三维图像，并可通过印刷方式大批量生产，使得它在许多领域得到广泛的应用，以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段：激光摄制原片全息图；电成型制金属模板；模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高，因此，模压全息作为安全防伪首当其冲，是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上，不能去除性、价格低廉、容易验证等特点，使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品，无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术，并备受使用者青睐。

模压全息出现于20世纪70年代，80年代中期已形成了一种产业，90年代达到了鼎盛时期。本世纪初，随着防伪技术要求的不断提高，模压全息技术又有了新的突破：美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术；2003年，苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”；同年，倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破，使防伪功能有了提高，让激光全息防伪技术达到新的境界。

模压全息产业在我国起步较晚，但发展速度迅猛，目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展，我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视：首先是开拓全息烫金材料，取代金膜和银膜，其次开发全息包装材料，实现立体防伪包装，第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合，体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。

3.4全息干涉计量

全息干涉计量术是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后利用全息术的空间波前再现原理，非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面，它能实现高精度非接触性无损测量，比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件，而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量，测量精度为光波波长λ的数量级。目前，全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法，此外，J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展，使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠，并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等，可使测量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化，我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定，其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制，我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有：

(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪；

(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪；

(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统；

(4)用于对航空、航天、石油化工等部门常用的膜盒进行位移检侧的激光全息光栅精密测试系统。目前美国和德国已经研制出有菌子质记录介质的激光全息干涉计量设备。

将全息干涉计量术与计算机图像处理技术相结合，借助光电图像传感器、大孔径面阵CCD器件和小型化的脉冲固体激光器等先进设备的出现，发展系统化、智能化、小型化的全息干涉计量装置将是未来全息干涉计量术的发展方向。

激光原理论文范文篇4

论文摘要：回顾了全息术的历史，阐述了全息术的基本原理，然后介绍了全息术在实际中的应用及其发展方向。

我们看到的世界是三维的、彩色的，这是因为每个物体发射的光被人眼接受时，光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看，是由于各物体发射的特定的光波不同，光的特征主要取决于光波的振幅(强弱)，位相(同相面形状)和波长(颜色)。如果能得到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三维像，这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展，已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。

1全息术的历史和发展阶段

1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验证实这一想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想，虽然未能用电子波证实其原理，但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期，全息图制作具有以下共同特点：全息图都是用汞灯作为光源；而且是所谓同轴全息图，即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图，标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中，全息术进展缓慢。

1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源，为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题，利思和乌帕特尼克斯(1962)提出，将通信理论中的载频概念推广到空域中，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。该方法被称为离轴全息术，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题，并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展，但是激光再现的全息图失去了色调信息。

科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录，而用白光再现的全息图，在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。

激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图，它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。

2全息术的基本原理和特点

全息术是一种“无透镜”的两步成像法，它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息，即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步：第一步称为波前记录(全息记录)；第二步物体的再现(重现)。

波前记录依据的是干涉原理，物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布，干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说，全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出，任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布，而不能直接记录位相分布，全息照相之所以能记录位相分布，是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波，或者它与物光波不相干，波前上的位相分布是不可能记录下来的。

波前再现的理论依据是衍射原理，照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分，即物光波(+1级衍射波)，物光波的共轭波(-1级衍射波)，照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中，这三种衍射波在空间彼此分离，互不干扰，便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。

全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点：

(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。

(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象，只是分辨率受到一些影响。

(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同的图像。

(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关，用不同波长的激光照射全息图，再现相就会发生放大或缩小。

3全息术的主要应用及其发展方向

全息术经过60年的发展，已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合，成为一种高新技术，扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域，在一些发达国家还兴起了全息产业，并且正在形成日益广阔的市场，实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。

3.1全息存储

全息存储是依据全息术的原理，将信息以全息照相的方式存储起来，它利用两个光波之间的耦合和解耦合，可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别，甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多，可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等；可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，原因是：

(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2；用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2；如果用体全息图存储信息时，存储密度可高达1013bit/mm2。

(2)全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。

(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个数据页可包含达1Mbit的信息，写人一页的时间在100ms左右，读信息的时间可以小于100μs，而磁盘的寻址时间至少需要10ms。

当前，在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮，并取得很大的进展，其主要表现在：

(1)存储容量迅速提高和性能不断改善，并逐步走向实用化。例如，1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图，同年，斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中，并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术，在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图，并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。

(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如，1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川，投资约7000万美元，实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目，预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据，存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。

近几年来，光电子技术和器件取得了系列重大进展，为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件，全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而，美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决，虽然张泽明、谢敬辉等对Ce：Fe：LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究，从方法上给出了记录角度越大，光栅周期越小，热定影所需最小离子数密度越高，存储系统的整体性能越好，但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑，这将成为全息存储界研究的热门课题。

3.2显示全息

显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图，如白光反射全息图、白光透射全息图等，各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等；再如，以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等，每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图，它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。

显示全息目前主要有两大类：第一类是Lippmann全息图，制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图，这是一种透射式显示全息图，可在白光照明下再现立体图像，且图像的颜色随观察的位置的变化而变化，从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展，随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术，如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看，显示全息存在不足主要表现在：

(1)视角范围、图像体积有限；

(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法；

(3)由于全息计算数量巨大，导致动态显示异常困难。克服以上不足，将可能成为显示全息研究的几个热点。

近年来，显示全息技术掀起一场数字化变革，数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展，利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性，在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视，为显示全息技术创造良好的商业前景。

3.3模压全息

模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的，它是将全息术和电镀、压印技术结合起来，使全息图的制作产业化，用白光再现时，可得到色彩鲜艳逼真的三维图像，并可通过印刷方式大批量生产，使得它在许多领域得到广泛的应用，以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段：激光摄制原片全息图；电成型制金属模板；模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高，因此，模压全息作为安全防伪首当其冲，是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上，不能去除性、价格低廉、容易验证等特点，使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品，无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术，并备受使用者青睐。

模压全息出现于20世纪70年代，80年代中期已形成了一种产业，90年代达到了鼎盛时期。本世纪初，随着防伪技术要求的不断提高，模压全息技术又有了新的突破：美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术；2003年，苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”；同年，倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破，使防伪功能有了提高，让激光全息防伪技术达到新的境界。

模压全息产业在我国起步较晚，但发展速度迅猛，目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展，我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视：首先是开拓全息烫金材料，取代金膜和银膜，其次开发全息包装材料，实现立体防伪包装，第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合，体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。

3.4全息干涉计量

全息干涉计量术是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后利用全息术的空间波前再现原理，非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面，它能实现高精度非接触性无损测量，比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件，而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量，测量精度为光波波长λ的数量级。目前，全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法，此外，J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展，使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠，并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等，可使测量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化，我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定，其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制，我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有：

(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪；

(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪；

(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统；

激光原理论文范文篇5

论文摘要：回顾了全息术的历史，阐述了全息术的基本原理，然后介绍了全息术在实际中的应用及其发展方向。

我们看到的世界是三维的、彩色的，这是因为每个物体发射的光被人眼接受时，光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看，是由于各物体发射的特定的光波不同，光的特征主要取决于光波的振幅(强弱)，位相(同相面形状)和波长(颜色)。如果能得到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三维像，这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展，已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。

1全息术的历史和发展阶段

1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验证实这一想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想，虽然未能用电子波证实其原理，但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期，全息图制作具有以下共同特点：全息图都是用汞灯作为光源；而且是所谓同轴全息图，即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图，标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中，全息术进展缓慢。

1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源，为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题，利思和乌帕特尼克斯(1962)提出，将通信理论中的载频概念推广到空域中，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。该方法被称为离轴全息术，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题，并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展，但是激光再现的全息图失去了色调信息。

科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录，而用白光再现的全息图，在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。

激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图，它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。

2全息术的基本原理和特点

全息术是一种“无透镜”的两步成像法，它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息，即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步：第一步称为波前记录(全息记录)；第二步物体的再现(重现)。

波前记录依据的是干涉原理，物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布，干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说，全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出，任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布，而不能直接记录位相分布，全息照相之所以能记录位相分布，是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波，或者它与物光波不相干，波前上的位相分布是不可能记录下来的。

波前再现的理论依据是衍射原理，照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分，即物光波(+1级衍射波)，物光波的共轭波(-1级衍射波)，照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中，这三种衍射波在空间彼此分离，互不干扰，便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。

全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点：

(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。

(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象，只是分辨率受到一些影响。

(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同的图像。

(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关，用不同波长的激光照射全息图，再现相就会发生放大或缩小。

3全息术的主要应用及其发展方向

全息术经过60年的发展，已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合，成为一种高新技术，扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域，在一些发达国家还兴起了全息产业，并且正在形成日益广阔的市场，实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。

3.1全息存储

全息存储是依据全息术的原理，将信息以全息照相的方式存储起来，它利用两个光波之间的耦合和解耦合，可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别，甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多，可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等；可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，原因是：

(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2；用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2；如果用体全息图存储信息时，存储密度可高达1013bit/mm2。

(2)全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。

(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个数据页可包含达1Mbit的信息，写人一页的时间在100ms左右，读信息的时间可以小于100μs，而磁盘的寻址时间至少需要10ms。

当前，在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮，并取得很大的进展，其主要表现在：

(1)存储容量迅速提高和性能不断改善，并逐步走向实用化。例如，1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图，同年，斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中，并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术，在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图，并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。

(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如，1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川，投资约7000万美元，实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目，预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据，存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。

近几年来，光电子技术和器件取得了系列重大进展，为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件，全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而，美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决，虽然张泽明、谢敬辉等对Ce：Fe：LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究，从方法上给出了记录角度越大，光栅周期越小，热定影所需最小离子数密度越高，存储系统的整体性能越好，但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑，这将成为全息存储界研究的热门课题。

3.2显示全息

显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图，如白光反射全息图、白光透射全息图等，各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等；再如，以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等，每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图，它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。

显示全息目前主要有两大类：第一类是Lippmann全息图，制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图，这是一种透射式显示全息图，可在白光照明下再现立体图像，且图像的颜色随观察的位置的变化而变化，从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展，随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术，如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看，显示全息存在不足主要表现在：

(1)视角范围、图像体积有限；

(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法；

(3)由于全息计算数量巨大，导致动态显示异常困难。克服以上不足，将可能成为显示全息研究的几个热点。

近年来，显示全息技术掀起一场数字化变革，数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展，利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性，在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视，为显示全息技术创造良好的商业前景。

3.3模压全息

模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的，它是将全息术和电镀、压印技术结合起来，使全息图的制作产业化，用白光再现时，可得到色彩鲜艳逼真的三维图像，并可通过印刷方式大批量生产，使得它在许多领域得到广泛的应用，以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段：激光摄制原片全息图；电成型制金属模板；模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高，因此，模压全息作为安全防伪首当其冲，是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上，不能去除性、价格低廉、容易验证等特点，使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品，无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术，并备受使用者青睐。

模压全息出现于20世纪70年代，80年代中期已形成了一种产业，90年代达到了鼎盛时期。本世纪初，随着防伪技术要求的不断提高，模压全息技术又有了新的突破：美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术；2003年，苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”；同年，倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破，使防伪功能有了提高，让激光全息防伪技术达到新的境界。

模压全息产业在我国起步较晚，但发展速度迅猛，目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展，我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视：首先是开拓全息烫金材料，取代金膜和银膜，其次开发全息包装材料，实现立体防伪包装，第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合，体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。

3.4全息干涉计量

全息干涉计量术是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后利用全息术的空间波前再现原理，非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面，它能实现高精度非接触性无损测量，比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件，而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量，测量精度为光波波长λ的数量级。目前，全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法，此外，J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展，使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠，并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等，可使测量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化，我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定，其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制，我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有：

(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪；

(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪；

(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统；

激光原理论文范文篇6

论文摘要：回顾了全息术的历史，阐述了全息术的基本原理，然后介绍了全息术在实际中的应用及其发展方向。

我们看到的世界是三维的、彩色的，这是因为每个物体发射的光被人眼接受时，光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看，是由于各物体发射的特定的光波不同，光的特征主要取决于光波的振幅(强弱)，位相(同相面形状)和波长(颜色)。如果能得到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三维像，这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展，已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。

1全息术的历史和发展阶段

1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验证实这一想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想，虽然未能用电子波证实其原理，但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期，全息图制作具有以下共同特点：全息图都是用汞灯作为光源；而且是所谓同轴全息图，即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图，标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中，全息术进展缓慢。

1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源，为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题，利思和乌帕特尼克斯(1962)提出，将通信理论中的载频概念推广到空域中，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。该方法被称为离轴全息术，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题，并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展，但是激光再现的全息图失去了色调信息。

科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录，而用白光再现的全息图，在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。

激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图，它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。

2全息术的基本原理和特点

全息术是一种“无透镜”的两步成像法，它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息，即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步：第一步称为波前记录(全息记录)；第二步物体的再现(重现)。

波前记录依据的是干涉原理，物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布，干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说，全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出，任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布，而不能直接记录位相分布，全息照相之所以能记录位相分布，是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波，或者它与物光波不相干，波前上的位相分布是不可能记录下来的。

波前再现的理论依据是衍射原理，照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分，即物光波(+1级衍射波)，物光波的共轭波(-1级衍射波)，照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中，这三种衍射波在空间彼此分离，互不干扰，便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。

全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点：

(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。

(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象，只是分辨率受到一些影响。

(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同的图像。

(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关，用不同波长的激光照射全息图，再现相就会发生放大或缩小。

3全息术的主要应用及其发展方向

全息术经过60年的发展，已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合，成为一种高新技术，扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域，在一些发达国家还兴起了全息产业，并且正在形成日益广阔的市场，实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。

3.1全息存储

全息存储是依据全息术的原理，将信息以全息照相的方式存储起来，它利用两个光波之间的耦合和解耦合，可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别，甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多，可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等；可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，原因是：

(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2；用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2；如果用体全息图存储信息时，存储密度可高达1013bit/mm2。

(2)全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。

(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个数据页可包含达1Mbit的信息，写人一页的时间在100ms左右，读信息的时间可以小于100μs，而磁盘的寻址时间至少需要10ms。

当前，在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮，并取得很大的进展，其主要表现在：

(1)存储容量迅速提高和性能不断改善，并逐步走向实用化。例如，1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图，同年，斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中，并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术，在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图，并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。

(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如，1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川，投资约7000万美元，实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目，预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据，存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。

近几年来，光电子技术和器件取得了系列重大进展，为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件，全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而，美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决，虽然张泽明、谢敬辉等对Ce：Fe：LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究，从方法上给出了记录角度越大，光栅周期越小，热定影所需最小离子数密度越高，存储系统的整体性能越好，但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑，这将成为全息存储界研究的热门课题。

3.2显示全息

显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图，如白光反射全息图、白光透射全息图等，各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等；再如，以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等，每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图，它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。

显示全息目前主要有两大类：第一类是Lippmann全息图，制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图，这是一种透射式显示全息图，可在白光照明下再现立体图像，且图像的颜色随观察的位置的变化而变化，从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展，随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术，如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看，显示全息存在不足主要表现在：

(1)视角范围、图像体积有限；

(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法；

(3)由于全息计算数量巨大，导致动态显示异常困难。克服以上不足，将可能成为显示全息研究的几个热点。

近年来，显示全息技术掀起一场数字化变革，数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展，利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性，在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视，为显示全息技术创造良好的商业前景。

3.3模压全息

模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的，它是将全息术和电镀、压印技术结合起来，使全息图的制作产业化，用白光再现时，可得到色彩鲜艳逼真的三维图像，并可通过印刷方式大批量生产，使得它在许多领域得到广泛的应用，以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段：激光摄制原片全息图；电成型制金属模板；模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高，因此，模压全息作为安全防伪首当其冲，是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上，不能去除性、价格低廉、容易验证等特点，使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品，无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术，并备受使用者青睐。

模压全息出现于20世纪70年代，80年代中期已形成了一种产业，90年代达到了鼎盛时期。本世纪初，随着防伪技术要求的不断提高，模压全息技术又有了新的突破：美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术；2003年，苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”；同年，倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破，使防伪功能有了提高，让激光全息防伪技术达到新的境界。

模压全息产业在我国起步较晚，但发展速度迅猛，目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展，我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视：首先是开拓全息烫金材料，取代金膜和银膜，其次开发全息包装材料，实现立体防伪包装，第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合，体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。

3.4全息干涉计量

全息干涉计量术是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后利用全息术的空间波前再现原理，非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面，它能实现高精度非接触性无损测量，比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件，而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量，测量精度为光波波长λ的数量级。目前，全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法，此外，J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展，使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠，并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等，可使测量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化，我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定，其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制，我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有：

(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪；

(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪；

(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统；

激光原理论文范文篇7

一个终生为科学而执着的疲惫身躯，终究无法承受生命之重，因心脏病突发，将生命定格在为妻求诊的北京通州结核病医院挂号窗前。他就是中国科学院院士、激光研究领域著名专家、哈尔滨工业大学教授马祖光。

“我感觉很累。”———这是马祖光75载生命中留下的最后一句话。他终于可以休息了，然而这一走，却是与妻子的生死两茫茫。

2004年7月15日，马祖光院士周年祭。

这天，他的弟子将我国首次获得的“毛细管放电X光激光”，献给他们可敬可爱的先生。

这是一束世界上极为美丽的激光。这也是一束马祖光先生倾注了大量心血而又没能看到的激光。

“科学的光芒是美丽的”。马祖光用绚丽多彩的人生实现了自己曾经说过的话。

生命之光

“人生最大的幸福就是能够喘上一口气。”马祖光患有心衰，半夜犯病，每每喘不过气时，他常对老伴这样说。在科学求索的生命链条上，在与死神赛跑的抗争中，他紧张得连喘气的时间都没有。

对于马祖光，幸福的感觉很简单———舒坦地“喘上一口气”。从上世纪60年代他就患有心脏病，半夜一犯病，躺着呼吸困难，不得不坐起，缓解不适，憋闷的感觉就像辣椒面在胸口搅和。可是，在工作和事业中，他却不愿偷闲“喘喘气”。

1971年，阴霾依旧笼罩着中国。马祖光刚出牛棚，便扑向书海，决心挽回损失的时间，大干一场。先后创建了物理、核物理专业的他又捕捉到国际科技前沿———激光。

当时，激光对全系老师还是完全陌生的领域。精通英、俄两门外语的马祖光，争分夺秒抽时间去省图书馆查阅资料。在那个年代，敢于读书便是逆潮而动，需舍得一身剐的胆量。

还没摘下“牛鬼蛇神”的帽子，马祖光便又像一头拓荒牛在“激光”的田野里忘我开垦。

每天微曦初露，马老师就早早出发，7点半候在图书馆前。开馆后，他争分夺秒查阅，如饥似渴摘抄外文资料。一块干面包，一杯白开水，一坐就是一整天。

图书馆回来，晚上还要翻译、整理材料，第二天跟其它老师讲解讨论。冬去春来，一年又一年，马祖光摘抄了几十本厚厚的资料，也暗暗地为哈工大、为国家积聚了一支激光“预备役”队伍。

资料有了，可还没有资金、设备，甚至没有一颗螺丝钉。

因陋就简，白手起家。他领着年轻老师开始“硬干”：该专业的第一台没有示波器管的示波器，是从废旧物资“拣破烂”拣回来的；第一台机械泵是花200元钱在哈尔滨灯泡厂买的退役泵……

一个大雪纷飞的寒冬。马老师和同事推着手推车从废品收购站“淘”回蒸馏水玻璃瓶。那是在郊区，回来路上，大家争着“驾辕”，43岁的马祖光一马当先，头发淌着汗水和雪水，浑身冒着热气，脸上却喜滋滋的，拉着满车“宝贝”前行。

王雨三教授回忆当年创业情景，十分后悔，因为不知道马老师那时就患有心脏病，还傻乎乎开玩笑：“真是‘老马识途’啊！”

到了上世纪八九十年代，老马朝着与国际接轨的方向，拉起了整个专业学科发展的大车，虽然自己和妻子的病患如影随形地纠缠着。

建设一个学科，至少需要50年，马祖光这样认为，也努力实践着。他拖着病躯，筚路蓝缕，带领着一支一穷二白的队伍披荆斩棘。

30年过去了，哈工大光电学系已是少长咸集，群贤毕至：

———1994年—1996年，建立了可调谐（气体）激光技术部级重点实验室；

———1999年，获准“长江学者奖励计划”特聘教授设点单位；

———2000年，建成“电子科学与技术”一级学科博士学位授权点；

———2001年，物理电子学学科被评为国家重点学科，马祖光被评为中科院院士；

目前，这支队伍正承担国防科工委、“863”高技术、国家自然科学基金等一批重大课题，“十五”期间的科研计划总经费约达到6000多万元。

“马老师是用自己的生命换取了学科的发展。”马祖光的大弟子王骐回首往事，总哽咽不止，泣不成声，无法继续自己的回忆。

大家都说马老师是个坚强乐观的人。抗日战争，随父颠沛流离，饥寒交迫，饱受战乱之苦，他没有倒；期间，蹲牛棚，干苦力，挑沙子，睡仓库几近被煤烟熏死，他还是没有倒；创建哈工大三个专业，面对手拉肩扛的艰辛以及激光研究的技术攻关，他没有倒。

一位老领导曾严肃地对他说：“祖光啊，你的任务就是好好活着。”可惜，在病痛与工作的纠缠中，他最终透支了自己的生命。

智慧之光

在国际激光研究领域，马祖光的名字与许多“第一次”紧密相联的：首次观察非线性光学过程7种，开展Na2、Li2、K2光谱研究并首先观察到13个新谱区；首次实现放电激励S2蓝绿光放大；首创SBS相位共轭腔兼Q突变技术……

1979年，中国拥抱着科学的春天，马祖光也迎来了自己学术生涯的突破，他到德国LambdaPhysik公司，第二年，他又来到德国汉诺威大学作访问学者。

在国外他选定的科研课题是，“钠双原子分子第一三重态跃迁”。美、苏、法、德的科学家都曾对这一热点课题进行过研究，但均未成功。面对近红外激光发展中的一大难题，德国人劝他不要“鸡蛋碰石头”。

马祖光却暗下决心：外国人搞不出来的东西，中国人不一定就搞不出来，这口气一定要争。

由于实验条件限制，马祖光工作时间只能“瞅”别人的休息时间：早9点上班之前，晚6点下班之后。52岁的他以超常的毅力夜以继日工作，为了节省经费，两年间，他吃掉了150多斤挂面。

最后3个月限期过去了，失败，失败，还是失败。德国实验室负责人对他已不抱希望，让他重换课题。

一位伟人说过，科学的入口处，正像是地狱的入口处。这里，容不得半点怯弱和犹豫。马祖光没有一丝怯弱和犹豫，坚定地说：“希望再有10天时间。”德国人同意了。

10天，只是10天的早晨和夜晚。苦战到第5个晚上，马祖光通过改变动力学的非常规方法，终于发现了科学家们梦寐以求的Na2的新的近红外连续谱区。回国之后，他先后提出和凝练了激光介质光谱、新型可调协激光、X光激光、非线性光学技术、红外激光技术和激光空间信息技术等多个具有创新性的世界前沿科研方向。王骐教授为记者开列了从1980年以来，由马祖光直接指导所取得的国际首创成果，数目达到17项之多。

有人说，马老师的脑子就像一个喷泉，里面总是不断冒出新的思想：率先开展可能用于IT产业和等离子体诊断的X光激光研究，提出将激光作为信息载体在空间传递、获取信息技术……作为学科带头人，马祖光总是瞄准国际最具前瞻性的课题。光学泰斗王大珩说，祖光院士是我国从事激光研究从基础理论导出现实激光成果的少数先驱者之一。

马祖光最喜欢踏进的门是实验室的门。74岁高龄了，他还坚持与学生一起做实验，观察数据，有时熬通宵，一干就是6、7个小时。马老师特别支持创新。一个学生在“慢光”这一研究方向取得了突破，连忙打电话告诉老师。马祖光听到后，兴冲冲地从家里赶到实验室：“好，你再演示一遍！”看完过程和数据后，他兴奋地像个孩子，跑了几个办公室，奔走相告：“做出慢光了，这可是个新领域呀！”

他就是这样一个对科学近乎痴迷的人，离开了实验室，他的生命就没有着落。俗话说男儿有泪不轻弹，王雨三印象中，老师惟一一次落泪，就是因为最早的地下实验室里仪器受损。当时他摩挲着浸在水中的设备，心疼得掉下眼泪。

从马老师家到实验室只有600米。常人只需走十几分钟的路，对于他———一个患有几十年心脏病的老者来说，却是一条艰难漫长的路。在哈工大的校园里，人们经常会看见一个步履蹒跚的身影：身着蓝色补丁中山装，手拎皱痕累累黑皮包，每到上坡处，就一歇再歇，气喘吁吁。然而，他原本可以不这样：学校为他安排了专车接送，他婉拒了；他早已退休，可以不上班，但还是要惯性地去实验室看看。

沿着那条小道，循着那道门，走进科学殿堂，直至生命终结。

师道之光

马老师似乎只有两件永远做不完的事，一是科学研究，另一个就是培养人才！马祖光对学生的严格是出了名，有时精益求精甚至到了“苛刻”的地步

马祖光就像一个无形的“场”，汇聚着一大批优秀的学子慕名跟随。1983年，陈德应在高二时在报上看到马祖光的故事，当时就立下志愿：“我要考上哈工大，跟这位科学家学习。”

时光荏苒，20年过去了，陈德应实现了梦想，坚定地追随马老师足迹，从本科、研究生、博士直到哈工大电子技术研究所所长。

“要做一辈子学生，要有一辈子的危机感。”他记住了马先生的教诲。

攻读硕士学位期间，陈德应在国际上首次做出了“受激布里渊相位共轭腔激光振荡”。“我当时很兴奋，马上将初稿交给马老师。他把我的论文逐字逐句地修改，指出不足，并让我从理论上给他解释。”“这个问题恰恰是我不清楚的，分明是为难人啊！”陈德应有了怨气。老师看出学生的委屈，很耐心地说：“这样，我跟你一起分析。”后来，他们终于从理论上解释了这个过程，并获得了航天航空工业部科技进步一等奖。

“严谨是做学问的起码态度，可不能在知识界里当奸商啊！”马老师的严格出了名，说是精益求精，有时甚至达到一种不近情理的“苛刻”：答辩论文至少要在2周之前交给他；标点符号、英语单复数、词态，他都一一修改；答辩时，要仔细询问每一个实验数据的由来。据说，有的博士生受不了折磨，一气之下，拂袖而去，放弃了学位。

马祖光要求学生做实验，一片记录纸都不能丢，他说，哪怕是失败的实验数据，也可能从中找到问题的症结。做激光实验需要极强的稳定性，学生在耐火砖上少垫了一层泡沫，他都能指出来。只要参加国际、国内学术会议，马老师就会召集全体师生“过筛子”，一起观摩报告人的“预演”，帮助他纠正英语语音、指出论文疑点并提意见。一遍又一遍练习，直到他满意才放行。

他还率先提倡，请硕导、博导登上本科教学的讲台。现已是教务处副处长的张中华还记忆犹新：“我第一次上讲台是讲激光原理。马老师一定要让我试讲，听完后，他给我列出12本书目，要求两个月之内读完，然后向他汇报读书心得。”这12本书大都是国外原本教材，张中华一个暑假泡在图书馆。新学期开学了，他终于“交账”，才被允许上讲台。“虽然当时很苦，但这些书开阔了我的视野，对以后的教学获益匪浅。”

张中华读博也颇多“磨难”。当时定了一个课题后，他通过调研和文献检索，发现该课题国外已有学者提出。马老师知道后，坚决要他换题：“如果你的论文与别人撞车了，就必须改题。一定要做具有国际创新水平的工作！”这意味着张中华半年的工作前功尽弃。结果，他的博士学位比别人多读了一年，也印证了马导师的名言：“创新”要紧跟在“献身”之后。

对学生“严厉之极”，紧跟着却是“关爱至深”。作为威望很高的专家，马祖光为教研室争取了多项国家“863”课题、自然科学基金和国防课题。追踪热点、查找资料、检索文献，从立项、设计方案、中期检查到解决关键问题，马老师默默地做了许多幕后工作，可到最后却无私地让学生担任课题组组长。就连论文署名，他也总是把自己放在最后。

“相形之下，现在有些博导、硕导，对学生论文啥事不管，署起名来可是当仁不让啊！”一位学生说。

德高为师，身正为范。为了提携后人，马老师总是把学生推到科研第一线，给他们最大的发展空间。马老师培养的学生在国内国外都受到业界的好评。王骐告诉记者：“这是一种无形的压力，马老师逼我们去学，逼我们创新，正是这种力量，才让我们成长得如此之快。”在他直接指导下，已培养了十几个博导，在光电子师资队伍中，博士化率达到70％。

2003年7月11日晚，王雨三家的电话传来马老师的声音：“老王，下周要修订新教学计划，希望你能参加，一起讨论。”马老师似乎很高兴，就专业发展谈了很久很久，最后才说：

“我下周一（7月14日）去北京，给孙悦贞看看病，最后确定一下能否做手术，了却我一桩心事。”王雨三劝他不急着赶回来，马祖光却说：“不行，等我的工作还很多……”

王雨三怎么也没想到，这竟是老师对他的最后一次嘱托。

2003年7月15日，噩耗传来。

激光原理论文范文篇8

【论文摘要】：对磁力仪未来发展进行了展望。重点介绍了：1.光泵磁力仪及其光源和共振元素的选择与设计2.超导技术的进步推动了超导量子干涉磁力仪的发展3.对处于研究、探索阶段的原子磁力仪进行了关注。

引言

目前，在空间、海洋、勘探、在医院和其它实验室中广泛的应用着各种磁力仪，用于测量地磁场以及生物磁场。在这些领域，新型的光泵磁力仪、超导磁力仪（SuperconductingQuantumInterferenceDevice,SQUID）；以及处于研究、试验阶段的固体电子自旋共振磁力仪（ElectronSpinResonance,ESP）、原子磁力仪（AtomicMagnetometer,AM）必将以其超高的精度担负起越来越重的任务。

过去测量磁场强度的单位是奥斯特(Oersted,Oe)，采用和推广国际单位制(SI)以后，测量磁感应强度(磁通量密度)的单位是特斯拉(Tesla,T)或高斯(Gaus,Gs)。它们之间的对应关系为1nT=10-9T=1gamma(γ)。特斯拉的换算关系为:1T(特斯拉)=109nT(纳特)=1012pT(皮特)=1015fT(飞特)=1018aT(阿特)［1］。

磁场强度曾经用过T、F、Be等几个符号表示，许多文献中曾采用F、Be。文章中为了规范、清晰采用国际标准单位T。

1.光泵磁力仪

光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。

按照量子理论，在外磁场T中，具有自旋的亚原子粒子（如核子和电子）能级简并（degeneracy）解除，分裂为一些磁次能级（或称为蔡曼能级），在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是蔡曼效应，蔡曼因此获得1902(第二届)诺贝尔物理学奖。分裂的能级间的能量差一般与外界磁场成正比。当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。

光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达10－2-10－4nT;响应频率高，可在快速变化中进行测量;可测量地磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量。

光泵磁力仪的种类甚多。按共振元素的不同，可分为氦（He）光泵磁力仪和碱金属光泵磁力仪，共振元素有氦（He4）、铷（Rb85、Rb87）、铯（Cs133）、钾（K39）、汞（Hg）等。对碱金属而言，受温度影响较大，如铯（Cs133）元素在恒温430C左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。对He3、He4而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，只需将它激励使其处于亚稳态，就能产生光泵作用。这些条件在设计与制造仪器时，必须予以重视。

光泵磁力仪未来的发展水平，主要取决于光泵光源及共振元素的发展程度。法国曾用可调谐的激光器代替常规的氦灯制成光泵磁力仪，由于谱线的选择性较好，激光又比氦灯的光要强，因此提高了磁力仪的灵敏度，达到10pT/Hz1/2。美国的R.Slcum博士利用二极管激光器作为氦同位素光泵磁力仪的光源，并申请了专利，与氦灯光源相比，灵敏度提高一个量级。最新的激光光泵氦（He4）磁力仪的灵敏度已突破1PT/Hz1/2的界限，达到0.4PT/Hz1/2，而用高频激发的灯室作为光泵的光源的氦4航空磁力仪达到了20pT/Hz1/2的灵敏度［2-3］。在共振元素的选择上，为了提高精度，需要选择谱线较窄的物质，碱金属符合谱线窄的要求，但需要一定的温度（40-55℃）加热为气态。现在已经有很多利用碱金属制成的磁力仪，前不久问世的钾磁力仪，由于谱线很窄又不重叠，方位误差很小，维修方便，分辨率达到0.1pT，在取样率为20Hz时，灵敏度可达到0.014nT。因此钾光泵磁力仪在光泵磁力仪中占有优势地位。当然随着灵敏度，取样率的提高，其价格也显著提高。

2.超导量子干涉磁力仪

超导量子干涉器件（SQUID）是上世纪60年代中期发展起来的一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器。它是以约瑟夫逊（Josephson）效应为理论基础，用超导材料制成的，是超导量子干涉磁力仪的核心。

SQUID由两个用很薄的绝缘体隔开的超导体而形成两个并联的约瑟夫松结（Josephsonjunction）组成。约瑟弗松获得1973年诺贝尔物理学奖，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper和J.R.Schrieffer三位物理学家由于共同研究建立解释超导现象的BCS理论获得诺贝尔物理学奖。

SQUID可以检测非常微弱的磁场，足以检测生物电流产生的微弱磁场，人类心脏产生的磁场约为10-10T（0.1nT），人脑的磁场约为10-13T（0.1pT）。如果有一个恒定的电流维持在SQUID中，则测得的电压随两个结上相位的变化而振荡，而相位的变化取决于磁通的变化。量子理论得出的十分重要的结论是，若有一超导体环路，则它包围的磁通量只能取Φ0的整数倍。

Φ0＝h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb≈2.07×10-15Wb=2.07×nT.cm2

这就是磁通量的量子化，Φ0叫做磁通量量子。如果磁场发生变化，则Φ0的个数也跟着变化，对Φ0个数进行计数就可测得磁场值。超导磁力仪是矢量磁力仪，它测量垂直于超导环路平面的磁场[4]。

SQUID灵敏度极高，可达10-15T，比灵敏度较高的光泵磁力仪要高出几个数量级；它测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉；其响应频率可从零响应到几千兆赫。这些特性均远远超过常用的磁通门磁力仪和质子旋进磁力仪。

量子超导磁力仪具有高精度、高灵敏度的同时不足之处也相对十分明显，超导材料自身易碎、不易加工，成本极其昂贵且SQUID磁测仪器要求在低温条件下工作、需要昂贵的液氦（或液氮）和制冷设备，这给SQUID磁测技术的广泛应用带来许多困难。在超导领域的这场竞争中，世界各国都在不断探索，超导从低温向高温的方向进步，同时生产设备和技术也持续的提高。可以预计，量子超导干涉磁力仪随着超导技术的发展将会在许多领域中得到更广泛的应用。

3.原子磁力仪

获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩-唐努吉（ClaudeCohen-Tannoudji）指出，原子磁力仪是通过测量所含电子自旋已被极化的原子在磁场中的进动(旋进)来实现的。最近美国普林斯顿大学物理系M．v．Romalis教授和位于西雅图的华盛顿大学物理系的J.C.Allred等研制成一种完全利用光学方法测量磁场的新型原子磁力仪，因此有人将这种磁力仪称为全光学磁力仪(allopticalatomicmagnetometer)。

首先由激光器产生一定频率的偏振激光束照射气态钾原子，使钾原子跃迁到高能级产生极化，待测的外磁场使原子的极化发生变化，从而原子的磁矩绕着磁场方向进动(旋进)，用另一束激光来检测上述变化。即可测定磁场，磁力仪的核心是一个充满了气态钾原子和缓冲气体氦的气室。用一束起光泵作用的圆偏振高功率的激光照射气室，钾原子最外层未配对的价电子吸收激光后进入自旋极化状态．电子的自旋指向圆偏振方向。此时用一个单频二极管激光器发出一束垂直于光泵激光束的取样激光，检测电子自旋在待测磁场中进动（旋进）时电子自旋的取向，取样激光少许离开钾的共振频率，并且当它通过极化了的气态钾时，激光偏振角会转动。转动的角度与自旋指向取样光束的角度成比例。将取样光束聚焦投射到光电二极管阵列上。即可形成磁场的图像［5］。M.V.Romalis等指出，根据量子力学的测不准原理（uncertaintyprinciple,或不确定性原理），原子磁力仪的极限灵敏度δB＝1/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比，n是单位体积内工作物资的原子数，T2是横向弛豫(自旋驰豫)时间，V是体积，t是测量时间。由上式可见，在γ、t给定的条件下，要提高灵敏度，必须让n、T2达到尽可能大的数值．而为了提高空间分辨率，V又不能取很大的数值。

M．v．Romalis教授等研制的量子磁力仪正是巧妙的提高了n与T。M.V.Romalis等把钾原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加进大密度（2.9atm）的氦作为缓冲等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T2数值，获得提高测量磁场的灵敏度和空间分辨率的优异成果。灵敏度达到0.54fT/Hz1/2，经过改进后还可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空间分辨率达到毫米级。在弱磁场中工作时．这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍，更为重要的是这种磁力仪不需要低温条件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力仪的启发，目前美国已经有公司提出根据频率调制磁学-光学转动原理设计灵敏磁力仪,转动率与磁场成比例,用极化测定方法测量[4][6]。

新型原子磁力仪可用于物理学基本理论的研究，高精度地质调查和油、气等矿产普查，生物磁学研究。前已提及,现在光泵磁力仪已成功地测绘出心脏产生的磁场,磁场幅度为0.1nT，人脑的磁场很弱,只有几个fT。高灵敏度的原子磁力仪,在绘制心磁图、脑磁图作医学诊断乃至是生物磁测、空间磁测，军事侦察等领域，无疑是非常合适的，但仍需进行完善才适应实际应用的需要。

结束语:

虽然现在许多小巧的新兴磁敏传感器（如霍尔磁敏传感器，巨磁阻传感器等）也十分活跃，但其精度远不能与文中涉及的磁力仪相比较。随着磁力仪的发展，磁场探测精度的提高，新兴学科--磁法应用有着广泛的发展空间。

参考文献

[1]张昌达.量子磁力仪研究与开发近况.物探与化探.2005年8月第29卷第4期：283-287.

[2]SlocumRE,SchearerLD,TinP,etal.Nd:LNAlaseropticalpumpingof4He-Applicationtospacemagnetometers[J].Jour-nalofAppliedPhysics,1988,64:6615-6617.

[3]GilesH,HamelJ,ChéronB.Laserpumped4Hemagnetometer[J].ReviewofScientificInstruments,2001,72(5):2253-2260.

[4]张昌达，董浩斌.量子磁力仪评说.工程地球物理学报.2004年12月第1卷第6期：499-506.

激光原理论文范文篇9

光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。

按照量子理论，在外磁场T中，具有自旋的亚原子粒子（如核子和电子）能级简并（degeneracy）解除，分裂为一些磁次能级（或称为蔡曼能级），在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是蔡曼效应，蔡曼因此获得1902(第二届)诺贝尔物理学奖。分裂的能级间的能量差一般与外界磁场成正比。当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。

光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达10－2-10－4nT;响应频率高，可在快速变化中进行测量;可测量地磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量。

光泵磁力仪的种类甚多。按共振元素的不同，可分为氦（He）光泵磁力仪和碱金属光泵磁力仪，共振元素有氦（He4）、铷（Rb85、Rb87）、铯（Cs133）、钾（K39）、汞（Hg）等。对碱金属而言，受温度影响较大，如铯（Cs133）元素在恒温430C左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。对He3、He4而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，只需将它激励使其处于亚稳态，就能产生光泵作用。这些条件在设计与制造仪器时，必须予以重视。

光泵磁力仪未来的发展水平，主要取决于光泵光源及共振元素的发展程度。法国曾用可调谐的激光器代替常规的氦灯制成光泵磁力仪，由于谱线的选择性较好，激光又比氦灯的光要强，因此提高了磁力仪的灵敏度，达到10pT/Hz1/2。美国的R.Slcum博士利用二极管激光器作为氦同位素光泵磁力仪的光源，并申请了专利，与氦灯光源相比，灵敏度提高一个量级。最新的激光光泵氦（He4）磁力仪的灵敏度已突破1PT/Hz1/2的界限，达到0.4PT/Hz1/2，而用高频激发的灯室作为光泵的光源的氦4航空磁力仪达到了20pT/Hz1/2的灵敏度［2-3］。在共振元素的选择上，为了提高精度，需要选择谱线较窄的物质，碱金属符合谱线窄的要求，但需要一定的温度（40-55℃）加热为气态。现在已经有很多利用碱金属制成的磁力仪，前不久问世的钾磁力仪，由于谱线很窄又不重叠，方位误差很小，维修方便，分辨率达到0.1pT，在取样率为20Hz时，灵敏度可达到0.014nT。因此钾光泵磁力仪在光泵磁力仪中占有优势地位。当然随着灵敏度，取样率的提高，其价格也显著提高。

2.超导量子干涉磁力仪

超导量子干涉器件（SQUID）是上世纪60年代中期发展起来的一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器。它是以约瑟夫逊（Josephson）效应为理论基础，用超导材料制成的，是超导量子干涉磁力仪的核心。

SQUID由两个用很薄的绝缘体隔开的超导体而形成两个并联的约瑟夫松结（Josephsonjunction）组成。约瑟弗松获得1973年诺贝尔物理学奖，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper和J.R.Schrieffer三位物理学家由于共同研究建立解释超导现象的BCS理论获得诺贝尔物理学奖。

SQUID可以检测非常微弱的磁场，足以检测生物电流产生的微弱磁场，人类心脏产生的磁场约为10-10T（0.1nT），人脑的磁场约为10-13T（0.1pT）。如果有一个恒定的电流维持在SQUID中，则测得的电压随两个结上相位的变化而振荡，而相位的变化取决于磁通的变化。量子理论得出的十分重要的结论是，若有一超导体环路，则它包围的磁通量只能取Φ0的整数倍。

Φ0＝h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb≈2.07×10-15Wb=2.07×nT.cm2

这就是磁通量的量子化，Φ0叫做磁通量量子。如果磁场发生变化，则Φ0的个数也跟着变化，对Φ0个数进行计数就可测得磁场值。超导磁力仪是矢量磁力仪，它测量垂直于超导环路平面的磁场[4]。

SQUID灵敏度极高，可达10-15T，比灵敏度较高的光泵磁力仪要高出几个数量级；它测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉；其响应频率可从零响应到几千兆赫。这些特性均远远超过常用的磁通门磁力仪和质子旋进磁力仪。

量子超导磁力仪具有高精度、高灵敏度的同时不足之处也相对十分明显，超导材料自身易碎、不易加工，成本极其昂贵且SQUID磁测仪器要求在低温条件下工作、需要昂贵的液氦（或液氮）和制冷设备，这给SQUID磁测技术的广泛应用带来许多困难。在超导领域的这场竞争中，世界各国都在不断探索，超导从低温向高温的方向进步，同时生产设备和技术也持续的提高。可以预计，量子超导干涉磁力仪随着超导技术的发展将会在许多领域中得到更广泛的应用。

3.原子磁力仪

M.V.Romalis等指出，根据量子力学的测不准原理（uncertaintyprinciple,或不确定性原理），原子磁力仪的极限灵敏度δB＝1/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比，n是单位体积内工作物资的原子数，T2是横向弛豫(自旋驰豫)时间，V是体积，t是测量时间。由上式可见，在γ、t给定的条件下，要提高灵敏度，必须让n、T2达到尽可能大的数值．而为了提高空间分辨率，V又不能取很大的数值。

M．v．Romalis教授等研制的量子磁力仪正是巧妙的提高了n与T。M.V.Romalis等把钾原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加进大密度（2.9atm）的氦作为缓冲等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T2数值，获得提高测量磁场的灵敏度和空间分辨率的优异成果。灵敏度达到0.54fT/Hz1/2，经过改进后还可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空间分辨率达到毫米级。在弱磁场中工作时．这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍，更为重要的是这种磁力仪不需要低温条件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力仪的启发，目前美国已经有公司提出根据频率调制磁学-光学转动原理设计灵敏磁力仪,转动率与磁场成比例,用极化测定方法测量[4][6]。

新型原子磁力仪可用于物理学基本理论的研究，高精度地质调查和油、气等矿产普查，生物磁学研究。前已提及,现在光泵磁力仪已成功地测绘出心脏产生的磁场,磁场幅度为0.1nT，人脑的磁场很弱,只有几个fT。高灵敏度的原子磁力仪,在绘制心磁图、脑磁图作医学诊断乃至是生物磁测、空间磁测，军事侦察等领域，无疑是非常合适的，但仍需进行完善才适应实际应用的需要。

结束语:

虽然现在许多小巧的新兴磁敏传感器（如霍尔磁敏传感器，巨磁阻传感器等）也十分活跃，但其精度远不能与文中涉及的磁力仪相比较。随着磁力仪的发展，磁场探测精度的提高，新兴学科--磁法应用有着广泛的发展空间。

参考文献

[1]张昌达.量子磁力仪研究与开发近况.物探与化探.2005年8月第29卷第4期：283-287.

[2]SlocumRE,SchearerLD,TinP,etal.Nd:LNAlaseropticalpumpingof4He-Applicationtospacemagnetometers[J].Jour-nalofAppliedPhysics,1988,64:6615-6617.

[3]GilesH,HamelJ,ChéronB.Laserpumped4Hemagnetometer[J].ReviewofScientificInstruments,2001,72(5):2253-2260.

[4]张昌达，董浩斌.量子磁力仪评说.工程地球物理学报.2004年12月第1卷第6期：499-506.

[5]DmitryBudker.Anewspinonmagnetometry[J].Nature,2003,422(6932):574-575.

[6]SeltzerSJ,RomalisMV.Unshieldedthree-axisvectoroperationofaspin-exchange-relaxation-freeatomicmagnetometer[J].AppliedPhysicsLetters,2004,85(20):4804-4806.

获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩-唐努吉（ClaudeCohen-Tannoudji）指出，原子磁力仪是通过测量所含电子自旋已被极化的原子在磁场中的进动(旋进)来实现的。最近美国普林斯顿大学物理系M．v．Romalis教授和位于西雅图的华盛顿大学物理系的J.C.Allred等研制成一种完全利用光学方法测量磁场的新型原子磁力仪，因此有人将这种磁力仪称为全光学磁力仪(allopticalatomicmagnetometer)。

激光原理论文范文篇10

论文摘要：通过对教学实践工作的不断探索与总结，从教学内容安排、教学内容拓展和教学手段运用三个方面对“光电技术”课程的教学方法进行了研究，并将其运用到课堂，取得了良好的教学效果。

1960年第一台红宝石激光器的问世可以说是光学发展史上的里程碑，该发明解决了光频载波问题，此后光电子技术得以蓬勃发展，在现代信息产业结构中扮演着重要角色。由于社会发展的需要，近十多年来许多高校纷纷开设“光信息科学与技术”或“光电子技术”专业，着力培养专门的光电子人才“光电技术”作为该学科的主干课程，将系统地介绍光电子技术的理论和应用基础。在讲授这门课程的过程中，笔者对其具体的教学方法有一些体会和思考，文章将进行详细的论述。

一、教学内容的合理安排

一门课程教学效果的好坏在很大程度上取决于课堂教学内容对学生是否具有吸引力，能否激发学生学习的兴趣和积极性。而教学内容又来源于老师选择教材是否合适。在图书库中键入“光电子技术”的检索词会出现十几本相同名称的教材，但是否每本书都适合课堂教学呢?答案是否定的。虽然书的名称都叫做《光电子技术》，但细细翻阅，每本书的侧重点都是不相同的有的大部分章节是介绍激光原理和激光器工艺，对光电检测和显示涉及较少；有的偏重于理论推导，对实际的应用涉及很少。还有一些教材虽然内容较为全面，但书本页数很多，在三十多个课时内难以讲完。针对长沙理工大学实际的课时要求和学生专业背景，通过仔细比较选择了安毓英编写的《光电子技术》(电子工业出版社)一书。

教材选好后，在实际的教学过程中教师仍需对教学内容进行认真斟酌。教材共有七个章节，分别为“光辐射、发光源与光传播基本定律”、“光辐射的传播”、“光束的调制和扫描”、“光辐射的探测技术”、“光电成像系统”、“显示技术”和“光电子技术应用实例”。其中“光辐射的传播”一章中主要从理论上介绍光束在各种媒质中的传播规律，在光电子应用中较为重要的是光波在电光晶体(2．2节)、声光晶体(2．3节)、磁光介质(2．4节)和光纤波导中的传播(2．5节)。而这四部分内容应用在实际中恰好是电光调制器(3．2节)、声光调制器(3．3节)、磁光调制器(3．4节)和光纤通信技术(7．1节)。所以在讲课的时候可以把2．2节和3．2节、2．3节和3．3节、2．4节和3．4节、2．5节和7．1节内容综合起来讲授，第二章将不作为独立的一章来专门讲述理论推导。在讲第三章中每一种调制器工作原理的时候，先讲第二章涉及的理论知识，随后在学生对理论还有深刻记忆的情况下紧接着把这一理论在工业中的应用进行讲授，这样就增强了学生在学习理论时的目的性。对教材的其他内容细细推敲，还有很多地方可以这样来安排。这种将理论知识和实际应用综合讲解的方法让学生明白了理论并非空洞的理论，既提高了注意力，又激发了学生的学习热情，在实践中收到了很好的教学效果。

二、教学内容的适度拓展

“光电技术”是～门应用性和针对性都很强的学科，“学以致用”在这门课程中得到了很好的体现。教材由于篇幅的限制，第三章“光辐射的调制”和第四章“光辐射的探测技术”仅仅是介绍了各种光电子器件的工作原理，学生学完之后虽然明白了各类器件的工作原理，但对于“这些器件可以用在什么领域、可以发挥什么作用”等问题，学生会较为茫然。例如各种光调制器件如电光调制器、声光调制器和磁光调制器都可以将人们所要传递的声音、视频和图像等电信号形式的信息加载到激光上面去，实现电信号到光信号的转变。但学生可能又会有这样的疑问：在实际应用中用户要实现电光变换时，三种调制器是否可以任意选择一种呢?答案当然是否定的，因为每种调制器由于工作原理的不同使得它们会应用在不同领域和范围。在实际应用中需针对具体情况选择合适的调制器种类。而对“每种调制器具体可以用在哪些领域”这个问题教材并未涉及。笔者通过查阅大量的相关文献和资料，对这一问题做了详细总结，作为补充内容在课堂讲述，使学生对所学的东西有了更为深切的认识和体会。第四章内容主要是讲述各种光电探测器件，但探测的对象不同，有的是用来探测光辐射的能量，有的是用来探测光辐射的亮度等。那么讲完这些器件后同样会遇到这样的问题：“这些器件有哪些实际应用呢?”由于课程的教学对象是电信工程专业的学生，电路设计都很熟悉。课后可以布置这样的作业如“利用光敏电阻设计路灯自动控制电路”、“利用热敏电阻设计半导体激光器的温度控制电路”等。这样不仅让学生学以致用，而且在做作业的同时明白了不同光辐射探测器件的不同应用领域。

讲述“光纤通信”这块内容时，恰好是笔者的研究方向，所以在上课的过程中将大量科研过程中积累的相关实验结果和波形图以及器件设备的实物图展现给学生，课堂内容变得生动而丰富，很好地拓宽了学生的知识面。

所以在教材的基础上通过合理的拓展课堂教学内容，可以让学生对所学的知识掌握得更为透彻，理解得更为深刻，增强他们对知识的综合运用能力。

三、教学手段的合理应用

要想取得良好的课堂教学效果，除了讲述内容的选择安排外，教学手段也起着至关重要的作用。教学过程中笔者采用了多媒体和板书相结合的方法。

利用多媒体的帮助，使教学内容更为直观。由于这是一门应用性质的课程，所以在讲解每一种器件的时候笔者都将查阅到并精心挑选的真实的器件图片展示给大家，比如各种激光器、光电二极管、热敏电阻、等离子体显示器、电光晶体、声光调制器等等。这些图片都是课本上所没有的。学生在看到这些图片后就会感觉所讲的知识和他们的距离更近了，让他们觉得光电子学并不是空洞的理论，光电技术和各种各样的器件就存在于他们是实际生活中。这种方式很大程度上调动了学生学习的积极性。

作为一名青年教师，“如何将板书和多媒体很好地结合”一直是笔者所思考的问题。由于一页PPT所能展示的内容极其有限，讲完一页翻到第二页时前面一页的内容学生就看不到了''''而学生课前如果没有充分预习的话，当翻到下一页PPT时他对前一页PPT上的内容记忆一般都还是比较模糊的，只是有一个大概的印象。所以当讲述的内容是偏重于理论公式推导时，由于对理论的理解来源于公式推导的前后连贯性，此时应尽量避免使用PPT而采用传统的板书。大幅黑板有很大的书写空间，所讲的内容就能够前后连贯地呈现给学生。当讲某个公式是由前面的某个公式推导得出的，此时教师可以在黑板上把前面的那个公式指给学生。学生能同时看到前后相关联的各个理论，他们所获得的知识就是整体的而不是离散的，这样就更有助于学生对理论知识的理解。公务员之家:

另外生动的教学过程应该是一个师生互动的过程，“课堂”普遍被认为是一个较为不错的互动方式。在两年多的教学实践中笔者发现同样是提问，有的时候学生很踊跃，争相回答问题，课堂气氛很活跃；而有的时候虽然提问了''''但学生都低下了头，课堂气氛突然变得很沉闷。通过和学生的交流后发现，老师提的问题学生如果感兴趣他们反应就较为踊跃。所以在课堂教学过程中，如何提问也同样是值得认真思考的一个问题。讲“固体成像器件”这一节时，先不经意地询问学生谁有数码相机。许多学生都举了手，然后循序渐进地提出“在买相机时为什么要买数码相机而不购买胶片相机?数码相机的优点体现在哪些方面?数码相机的工作原理是什么?”由于这一系列问题都是学生在日常生活中遇到的实际问题，所以他们都踊跃地做了回答，而这些问与答恰好巧妙地引出了本节课所要讲解的内容整堂课学生带着问题去听课，听得都十分仔细，教学效果也非常好。第六章涉及的则是各种显示器件，如阴极摄像管显示器液晶显示器及等离子体显示器。这些也都是学生每天都会用到的器物，离他们的生活很近，也可以采用同样的提问方式让学生带着问题去听课。当讲到人眼的视觉感知角度范围时，笔者没有直接去讲知识，而是先提问“为什么我们家里的电视机屏幕都是长方形而不是正方形的”，学生回答的角度很多，有的学生还从摆放稳定性方面做了思考，课堂立即变得非常活跃。随后笔者给出了正确的答案，由于一个提问的设置学生对这个知识点便有了深刻的记忆。