激光原理论文范文

导语：如何才能写好一篇激光原理论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

《激光雷达技术原理》以测量学和数据处理理论和方法为基础，讲授激光雷达技术的基本原理和数据后处理方法，同时结合实际案例讲解激光雷达技术在测绘、地质和工程等领域的应用前景和亟待解决的问题。由于激光雷达是一项测绘新技术，国内还没有成熟的教材，因此结合国际上较为权威的专著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及国内外相关的研究和应用成果自编了教程，对学生采取了“了解—新型传感器原理”“熟悉—激光扫描仪操作”和“掌握—激光点云数据后处理方法”的教学模式，以达到从理论到实践的教学效果。

1．1了解新型传感器原理

首先，以学生熟悉的全站仪为对照，让学生了解激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，具有非接触式、精度高(毫米级/亚毫米级)、速度快(可达120万点/秒)、密度大(点间距可达毫米级)的优势，且数据采集方式灵活，对环境光线、温度都要求较低。其次，让学生理解LiDAR的测量原理主要分极坐标法和三角测量法两种。其中，对于极坐标法测量，使学生了解测距的关键在于时间差的测定，引出两种常用的测时方法:脉冲法和相位法;让学生理解直接测时和间接测时的区别以及各自的优缺点，从而进一步了解脉冲式和相位式激光扫描设备的优势、局限性以及应用领域。最后，通过介绍激光雷达采集数据的扫描方式，让学生了解不同平台上的激光雷达传感器的工作特点，如固定式激光扫描仪适合窗口式和全景式扫描，车载、机载以及星载平台适合移动式扫描等。

1．2熟悉激光扫描仪操作

考虑到各类平台激光雷达的作业特点以及现有设备的情况，《激光雷达技术原理》课程以地基三维激光扫描仪为重点，让学生熟悉仪器的外业操作。尽管激光扫描仪数据采集的自动化程度较高，外业采集仍然需要解决扫描设站方案设计和不同扫描站间连接点选择等问题，要求学生在熟悉激光扫描仪软硬件操作的同时，还要掌握激光扫描仪外业采集方案的设计:踏勘工作区，分析研究最优化的扫描设站方案和坐标转换控制点选择，画出相关的设计草图，并设置主要扫描设站的标志。要求设站位置既要保证与相邻站的重叠，又要覆盖尽量大范围的被扫描对象，以减少设站数，从而提高外业数据采集效率。

1．3掌握激光点云数据后处理方法

利用点云数据可视化与点云原始存储格式之间的明显反差，让学生了解激光点云数据后处理的重要性和难点，及其已成为制约激光雷达技术应用瓶颈的现状。根据学生的理解程度，选取了点云的拼接/配准、点云的滤波和分类、点云的分割和拟合等后处理方法，要求学生掌握相关的算法并编程实现。

1．3．1点云的拼接/配准点云拼接是将2个或2个以上坐标系中的大容量三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。要求学生掌握如何解决点云拼接的两个关键问题:同名特征的配准以及旋转矩阵的构造。对于同名特征的配准，使学生了解常用配准方法的特点和适用范围，如ICP方法适合用于精拼接，而基于特征面的方法对场景特征分布要求较高等。着重让学生掌握最常用的人工标靶识别，以及特征面匹配，后者有别于学生所熟知的点特征匹配;对于旋转矩阵的构造，拓展学生在《摄影测量学》［6］中学习的基于欧拉角的旋转矩阵构造，掌握角－轴转角系和单位四元数方法。

1．3．2点云的滤波和分类要求学生了解滤波和分类的目的是解决激光脚点在三维空间的分布形态呈现随机离散的问题。掌握基于高程突变和空间形态学的点云滤波和分类方法。让学生理解单一的信息量会导致算法不稳健，从而引出多源数据融合的思路。目前，已经有很多激光扫描仪生产厂商推出的新产品中实现了多传感器平台的集成，如激光扫描仪会搭载小像幅的数码相机，甚至有些系统还提供由集成传感器生成的红外影像。每种数据源都有其自身的优点和局限性，将多源数据融合能够弥补各个单数据源的局限性，增大信息量，从而提高滤波和分类方法的稳健性。

1．3．3点云的分割和拟合要求学生掌握实现点云分割的相似性原则:平面性、曲面平滑度和邻域法向，以及常用的点云分割方法表面生长法。考虑到点云拟合是由离散激光点坐标计算特征模型参数的过程，要求学生掌握点云拟合中两个主要问题的解决方法:粗差剔除及最优解获取。

2实践教学法

实践教学是卓越工程师培养体系中一个重要的组成部分。作为技术性的测绘工程学科，除应用测量仪器采集数据、应用计算机处理数据的基本能力外，还需要构建实践教学体系以培养学生在实践中选用适当的理论、技术、仪器设备和作业方法解决测绘工程与地理空间信息产品生产实际问题的能力，从而使学生接受测绘工程与地理空间信息产品生产方案设计、实施以及实际应用中测绘工程解决方案确定等系统化训练。《激光雷达技术原理》课程实习要求学生全面应用所学知识，利用实习场地，依据实习目的和要求在老师的指导下分组独立完成全部实习内容。实习仪器为中国地质大学(北京)遥感地理信息工程教研室使用教育部采购专项购买的RIEGLLMSZ620三维激光扫描仪。《激光雷达技术原理》课程实习的目的主要是使学生通过三维激光扫描仪的使用，进一步巩固和加深理解相关理论知识和技术方法。要求熟悉三维激光扫描仪数据采集与处理(包括DEM、等高线和剖面图生成以及三维建模等)的全过程。通过实践性教学，不仅能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和LiDAR测量项目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。培养学生的应用能力、创新能力以及严肃认真、实事求是、吃苦耐劳、团结协作的精神。要求学生必须参加每一个实习环节，协作完成实习任务，独立完成实习报告。实习内容主要包括以下部分。

2．1三维激光扫描

数据的外业采集要求学生分组完成测区划分和踏勘，确定测站位置，根据测区地形，设计外业数据采集方案，完成外业设站、反射标靶布设和数据采集工作。学生需要完成校园内建筑物点云数据和奥林匹克森林公园地形点云数据的采集。

2．2点云数据预处理

要求学生分别利用随机软件RiSCANPRO和上机C语言编程对外业采集的三维点云数据进行预处理，包括点云数据的滤波和拼接。

2．2．1点云滤波1)手动滤波要求学生利用RiSCANPRO对点云数据进行滤波。RiSCANPROv1．7．0有两种模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者针对一般数据，后者对于提取地形的数据有明显效果。2)自动滤波要求学生上机应用C语言编程实现数学形态学方法、移动窗口滤波法、迭代线性最小二乘内插法、基于可靠最小值的滤波方法等常用的地形滤波算法，对外业采集的数据进行滤波，并对各算法的结果进行比较和分析。图1为学生基于虹湾地区嫦娥一号激光测高数据，利用五种滤波方法滤波后的数据点残差值分布图［7］。

2．2．2点云拼接1)基于反射标靶的点云拼接要求学生利用RiSCANPRO软件，结合外业数据采集时布设的标靶连接点，对地形和建筑物点云数据进行拼接。激光点云数据的拼接有两种方式:公共反射体的方式和采用使所有的反射体处于同一坐标系统的方式。在实际操作过程中，要求学生对两者结合使用，以期达到更好的拼接效果。2)基于特征面的点云拼接要求学生在对点云进行拟合的基础上，选取至少三对相互正交的特征面，利用C语言上机编程，实现基于特征面的点云拼接，并与单纯基于点的拼接结果进行对比，分析不同方法的优缺点。

2．2．3地形数据处理对地形数据的处理主要包括三角化、平滑、生成等高线和剖面。三角化参数的设置可参考量测工具量测出的点云中两点之间的距离初步设定，这个值可适当调整，目的在于使图中的点云数据彼此之间能尽量大面积地构成三角网;要求学生对已经完成三角化的数据进行平滑处理;针对已经完成平滑的数据，利用RiSCANPRO软件生成等高线。剖面图的显示既可以针对三角化之前的数据，也可以针对三角化之后(包括完成平滑的数据)来操作。

2．2．4建筑物几何模型重建针对《激光雷达技术原理》数据处理方法的教学内容，指导教师结合自身的研究成果组织研究生开发了点云分割和拟合以及三维建模等软件模块，考虑到学生的掌握程度和实用性，要求学生在利用软件模块实现点云数据分割和拟合的基础上，利用AutoCAD软件手工建立建筑物的几何三维模型，基于3DSMAX软件建立建筑物纹理模型。图2为暑期教学实习中指导学生利用商业软件和自主开发的软件模块重建的地大校园主要建筑物的三维模型。

3结束语

篇2

现代等离子体物理第一卷，湍流等离子体物理动理学

数值相对论计算机求解爱因斯坦方程

物理学家的随机过程理解噪声系统

量子信息和纠缠性的哲理

环境流体力学进展

聚合物的粘弹性力学基础分子理论、实验和模拟，第2版

天文问答指南

利用双筒望远镜探索太阳系的奥秘

药物设计

生态恢复

花图式

大脑中的语言

利用人工神经网络模拟感知

自然资源保护与管理中的分子方法

美容的神经生物学

空间认知与空间感知

评估自然资源

多媒体检索数据管理

Event—B语言的建模

算法语言Scheme的第6次修订报告

量子计算中的语义学技术

机械臂的自适应控制统一无回归矩阵方法

稀疏图像信号处理

机械和电子工程

伟大的工程师们

随机调度

复值数据的统计信号处理

移动机器人分析学的更多的进展 第5届国际ISAAC会议论文集

分析学的进一步进展 第6届国际ISAAC会议论文集

线性算子方法 逼近与正则化

2008年Isehia群论会议文集

应用数学和计算数学的前沿

计算科学的最近进展

超流宏观理论

高等凝聚态物理

量子杂谈 微观世界的魅力

从π介子到夸克 20世纪50年代的粒子物理学

非线性振动

非线性波

时间序列分析 社会科学家用的全面介绍

时间，空间，星系与人类 关于宇宙大爆炸的故事

彗星和生命起源

发现宇宙大爆炸)膨胀宇宙的发现

环境科学中的机器学习方法 神经网络与核方法

世界上最大的湿地 生态与保护

有害污染物的科学管理

达尔文的短篇出版物1829—1883

物理生物学 从原子到医学

达尔文笔记1836—1844

诺贝尔生理医学奖专题讲座2001—2005

陆蟹生物学

无标记生物传感技术以及应用

传感器与微系统 第13届意大利学术报告会论文集

传感器与微系统 第12届意大利学术报告会论文集基本泛函分析

物理学及有关领域大学生用数学方法

伽罗瓦理论 第二版

变分法中的重积分

数论概要

解Pell方程

复杂的非线性 混沌、相变、拓扑变化和路径积分

量子位势论

导电物质量子理论 超导

自旋 Poincare研讨会2007

结构系统的现代试验技术

结构力学中的混沌

物质结构

激光材料加工原理 现代传热与传质技术

超快强激光科学的进展 第四卷

相变材料 科学和应用

分析系统动力学 建模与仿真

微极亚塑性颗粒状物体中的剪切局部化

天线和望远镜的建模与控制

将无人飞机系统集成到国家空域系统

动力学系统中的模型提取 用于移动机器人控制

临床核磁共振成像及其物理学 指南

胶原蛋白 结构和力学

大型涡流模拟的质量及可靠性

信息系统开发、

移动多媒体广播标准 技术与实践

计算系统中的安全性

篇3

量子力学的成功和困惑

用宏观物理学的方法研究原子的性质及其相互作用时，只能通过测量微观量的平均值，大平均过程掩盖了原子水平上的重要效应。操控单个微观粒子，研究单个粒子的行为和性质以及少数粒子的相互作用，一直是就是物理学家梦寐以求的事。随着实验技术的发展，控制单个微观粒子的愿望成为可能。特别是1960年激光的发明和在这以后激光技术的发展，可以随我们所需改变激光的频率，控制激光束的延续时间并使激光束聚焦到一个原子大小的范围。从这以后，实验技术和实验方法有了极大的发展，利用激光可以使原子或离子冷却到接近绝对零度，就是使它们的运动速度减到非常小，直至几乎停止。还实现了利用特殊的电磁场来陷俘单个原子或离子。物理实验技术的进展使研究单个或少数几个粒子的性质、深入研究光子和物质粒子的相互作用有了可能。这不仅打开了高科技应用的广阔前景，还为证实和发展量子物理学的基本原理提供了实验基础。

量子力学已有100多年历史，量子力学理论取得了辉煌的成功。现代的高科技产品，如计算机芯片、激光、医用磁共振等等无不是在量子力学理论基础上发展起来的。量子力学被认为是最精确、最成功的物理理论，可是人们对量子力学的基本原理始终存在着疑问，那些创立量子力学的物理大师们自己都不满意量子力学的基本假设。在这些大师之间以及他们的后继者中，关于量子力学的理论基础是否完善的问题争论不休，新的解释层出不穷，至今还没有得出令人满意的结论。

量子力学描写微观世界的规律，但人类的直接经验都是关于宏观世界的。我们的测量仪器以及人类感官本身都是宏观物体，仪器测量到的和我们直接感知的都是大量原子组成的宏观物体。在经典物理学中，观察不影响被观察对象的运动状态，例如，我们能够观察一个行星的运动，追随它的运动轨迹，行星的状态变化与观察者无关，不受我们观察的影响。可是，对微观世界的观察就完全不是这样，当我们研究一个量子体系时，经过测量后的量子体系原来的状态总是被破坏了。例如，光子进入光电探测器后，光子就被吸收；电子被探测器件接收后，该电子原来的状态就改变了。宏观仪器对量子系统测量的结果，都必须转换为经典物理学的语言。要直接观察并且非破坏性（non-demolition）地测量量子体系的量子性质是难以做到的事情，所以，量子力学所预言的量子世界的奇特性质一直令物理学家和公众感到神秘难解。

2012年诺贝尔物理奖获得者和他们的同事们的工作，突破了经典物理学实验和人类直接经验的限制，他们直接观察到了个别粒子的量子行为。瓦因兰德小组做的是在电场中陷俘离子，用光子对它做非破坏性的操控。阿罗什小组是在空腔中陷俘单个光子，用原子进行非破坏性的测量。他们异曲同工，都对单个量子粒子进行实验测量，研究量子力学的基本原理。这些研究不仅对量子理论的基本原理的进一步阐明有重要意义，并且有广阔的应用前景。

阿罗什：把光子囚禁起来

阿罗什毕业于法国高等师范学校。1971年他在巴黎第六大学获得博士学位，导师是柯亨-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年诺贝尔物理学奖得主。从20世纪60年代开始阿罗什就在法国高等师范学校物理系的卡斯特勒-布罗塞尔实验室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。该实验室是以获诺贝尔物理学奖的阿尔夫莱德・卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿罗什曾到美国斯坦福大学，在诺贝尔物理学奖获得者肖洛的实验室中工作。

阿罗什说，他们的成功主要得益于卡斯特勒-布罗塞尔实验室特有的学术环境和物质条件。他们组成了极其出色的研究小组，并且将共同积累的知识和技能传授给一代又一代的学生。阿罗什还说，他给研究生和本科生的讲课也有助于研究工作，在准备新课的过程中他注意到了光和物质相互作用的不同方面。阿罗什认为，国际交流学者参加研究不仅带来专门的知识和技能，也带来不同的科学文化以补充他们自身的不足。他觉得幸运的是，在长期的微观世界探索中，他和他的同事们能够自由地选择他们的研究方向，而不必勉强地提出可能的应用前景作为依据。

阿罗什小组的主要成就是发展了非破坏性的方法检测单个光子。用通常的方法检测光子，都是吸收光子并把它转换为电流（光电探测器）或转化为化学能量（照相底片）（动物的眼睛是将光子转化为神经的电脉冲的）。总之，光子被测量到后立即消失。近半个世纪以来，虽然人类发展出了量子非破坏性测量，但这些测量只能用于大量光子的情况。而阿罗什和同事们做到了反复测量记录同一个光子。

光的速度非常快，达每秒30万公里，所以要控制、测量单个光子，必须将光子关闭在一个小的区域内，并使其在足够长的时间内不逃逸或被吸收。阿罗什小组实验成功的关键是制成反射率极高的凹面镜。反射镜是在金属底板上镀以超导材料铌，镜面抛光到不平整度只有几个纳米（1纳米=100万分之一毫米），光子因镜面不平而散射逃逸的机会非常小。空腔由两个凹面镜相对安放组成，镜间距离27毫米。整个设备安置在绝对温度1度以下的环境中。一个微波光子在腔中停留时间可达十分之一秒，即在两面镜子之间来回反射10 亿次以上，差不多相当于绕地球一周。可以说阿罗什小组创造了限制在很小的有限体积内的光子寿命的世界纪录。

阿罗什小组的另一项创造性贡献是利用利用里德伯原子作为探测器，实现非破坏性测量单个光子。所谓里德伯原子，是激发到很高的能量轨道上的原子，这种原子的体积比正常原子大许多。他们用铷（原子序数37）原子，把它的价电子激发到第50层的圆形轨道上（主量子数n=50）。这种情况下，外层电子从n=50 的轨道跃迁到相邻的轨道n=49和n=51，发射或吸收微波光子频率分别为54.3GHz（千兆赫兹）和51.1GHz。正常的原子半径在0.1纳米以下，铷原子中电子占据的最外层轨道为n=5；当它的最外面的电子跑到n=50的圆形轨道上时，原子的半径达到100多纳米，原子半径增大了1000倍以上。这样的原子好比一个很大的无线电天线，容易和电磁场相互作用。

瓦因兰德：让离子停下来

瓦因兰德和阿罗什同年，都生于1944年。1965年，瓦因兰德毕业于美国加利福尼亚大学伯克利分校；1970年在哈佛大学获博士学位，博士论文题目是“氘原子微波激射器”，导师是拉姆齐（Norman Ramsey）。以后他到华盛顿大学，在德默尔特（Hans Dehmelt）的实验室做博士后研究。德默尔特是1989年诺贝尔物理奖获得者。1975年，瓦因兰德和德默尔同发表了讨论激光冷却离子的论文，这是有关激光致冷的开创性论文，被学术界同仁广泛引用，其中包括获1977年诺贝尔物理学奖的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔诺季等。

1975年，瓦因兰德到隶属于美国商业部的美国国家标准与技术研究所工作。在那里，他创建了储存离子研究小组。在过去多年的工作中，他做出了多项世界第一的研究成果，终于获得了诺贝尔物理学奖。他是15年来美国国家标准与技术研究所第四位获诺贝尔物理奖的研究人员之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子计算机的建议方法有多种，许多科学家正在对不同的方案进行实验研究。瓦因兰德小组从事的陷俘离子的方法是最成功的方法之一。他们利用特殊排列的几个电极组合产生特定的电场，形成陷阱，将汞的一价离子限制在三个电极组成的空间中。三个电极包括两端各有一个相对的电极和一个环形电极，离子由激光束控制。

在常温下，原子运动的平均速度为每秒数百米，以这种速度运动的离子会立即逃逸出陷阱。要将离子陷俘在电场陷阱中，离子的运动速度必须非常小。只有在极低的温度下，离子或原子的运动速度才能变得很小。可以利用激光使离子冷却，使离子的速度减小到几乎停止的状态。将特定频率的激光束对着原子或离子射来的方向照射时，原子在迎面射来的光子的一次次冲击下，速度就慢了下来。当然，原子或离子吸收了光子又要再把它发射出去，发射光子时原子也要受到反冲。但原子或离子发射光子的方向是随机的，各种方向都有，结果反冲效应平均为零，只有迎面射来的光子被吸收后起到了减速的作用。但仅仅用这种方法还不能使原子速度降低到近乎停止，还要加上其他方法。速度已经很小的离子在陷阱中受电场的作用，还在以一定的频率振动，这种振动的能量和离子内部的能量状态耦合起来，形成复杂的能级。在适当频率的激光束照射下，离子吸收光子后又重新放出光子，落回原来内部能量最低的状态，同时带动离子振动能量的变化。在适当控制的条件下，重复这样的过程，就可以使离子振动能量逐步减少，直到振动能量达到最低的量子状态，离子近于完全停止。这时，离子就可以随意操控了。

瓦因兰德小组利用利用陷俘离子做成一个量子可控非门（Controlled NOT）。当然可控非门只是最简单的量子计算机的元件，一台能工作的计算机需要多得多的元件，离制成实用的量子计算机还非常遥远。然而前景是光明的，包括瓦因兰德在内的许多科学家正积极研究，攻克难关，希望在本世纪内将量子计算机研制成功。

瓦因兰德和同事们还利用陷俘的离子制造出了当今世界上最精确的原子钟。他的研究工作也可以检验量子力学基本原理，如进行“薛定谔猫”的实验。

不为盛名所惑

阿罗什和瓦因兰德有许多相同的地方。他们都在世界第一流的实验室中工作；巧的是，他们每人各有两位获诺贝尔物理学奖的老师；他们都有合作30年以上的同事组成的稳定的研究小组，还有许多优秀的学生和合作者，其中包括外国的访问学者。在他们的诺贝尔奖报告中，他们的老师、同事以及和他们的工作有密切关系的、前人的研究都一一提到。两人都还提到有100多位学生、博士后和访问学者也做出了贡献，强调成绩是大家努力的结果。

瓦因兰德和阿罗什也有一点很大的不同。阿罗什的研究目的偏重于探索自然界的奥秘，没有非常明确的应用目标，虽然他知道自己的研究成果肯定有长远的应用前景。他所属的卡斯特勒-布罗塞尔实验室也没有要求其研究一开始就必须有明确的应用目的。不过，即使在法国高等师范学校，这种待遇也只有像阿罗什这样的资深科学家才能得到。而瓦因兰德所在的美国国家标准与技术研究所本身就具有明确的实用目标：促进美国的创新和产业竞争能力，开创新的测量科学，推进美国的技术水平。该研究所的研究都是目标长远，技术含量高，能在世界上领先的项目。这些项目实际上都是结合远期应用的基础性研究。

瓦因兰德和阿罗什还有一个共同点，就是除了做研究以外，都在大学教课。阿罗什认为备课的过程促使他从多方面考虑基本原理，也有助于研究工作。而从学生的角度来看，能听到优秀的科学家讲课，和他们直接交流，不仅能学到当今前沿的科学知识，还可以学习到优秀科学家的治学精神和思想方法。

荣摘诺奖桂冠是否改变了科学家本人的生活呢？据英国广播公司（BBC）在线版消息称，阿罗什本人仅仅提前了20分钟被组委会告知自己获奖的消息。

“我很幸运，”阿罗什说，但他指的并不是自己得奖这回事，“（接到来电时）我正在一条街上，旁边就有个长椅，所以我第一时间就坐了下来。”他形容那一刻的心情，“当我看到是瑞典的来电区号，我意识到这是真实的，那种感觉，你知道，真是势不可挡。”

不过据诺奖官网的推特称，阿罗什接到获奖的确切消息后，打了个电话给自己的孩子，然后开了瓶香槟庆祝。再然后，他又回实验室工作去了。

（作者单位：复旦大学物理系）

阿罗什小组设备示意图

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；

篇5

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篇6

关键词：相干群振荡，级联装置，光学滤波，偏振旋转

 

(一) 引言

从慢速光的发展起，关于光的相关研究日益涌现，随后我们探索了很多不同的物理计划和媒介，并通过对光和物质相互作用的基本特性的更进一步的理解，以及利用这些相互作用应用到各个方面的可能性的增加，从而激发人们研究光速控制问题的兴趣。毕业论文，相干群振荡。更为特别的是，已经有人建议将慢速光效应应用到光的缓冲上来[2]，但也有人指出，在可以实现的延迟时间和可以容纳的带宽之间的反映问题上，基本物理极限是有折衷的[3]。有两个例子可以说明，一个是对光馈相控天线阵的控制及合成，另一个是对微波滤波器的控制。对实际应用来说，我们特别感兴趣的是，通过使用这种媒介，实现对廉价和小型设备的认识，并允许这些设备其他功能的集成。因此，那些以半导体为基础的设备尤其受到人们的关注。并且，在这些设备结构里慢速和快速光效应的研究上，人们已经做了很多工作。但不幸的是，半导体材料中的电磁感应透明现象是很难被人们所认识的[1]。因此，移相的时间很短，而离散层次结构（它对于实施电磁感应透明的计划是必要的）可以通过利用半导体量子点来被人们所认识。利用现如今的技术所获得的大小波动，将导致这种不均匀的扩大，从而减弱其影响[2]。毕业论文，相干群振荡。相反，人红宝石晶体所表现出的振荡效果（CPO），已经被不同的组数利用，以实现在半导体波导光中的光速控制[6-15]。从最近的评论来看，本文重新认识了CPO的物理效应，并强调了提高相移和频率范围的不同计划。

(二) 慢速光的基本原理

连续波（CW）光束在折射率为n的介质中传播时，其传播速度v =c / n，其中C是真空中的光速。折射率n与该介质中的相对介电常数通过等式相互联系起来。如果信号强度随时间而变化，即信号的频谱具有有限的宽度，那么强度调制的传播速度由群速度所给定，有如下等式:

（1）

其中，Ng表示的是群折射率而w是光的频率。

因此，可以看出，群速度随媒质和频率中相速度的不同而不同，其中的折射率与频率方面存在一阶非零的的导数。如果光的强度被调制了（例如正弦调制），那么群速度由通过设备传输强度模式的速度所描述。在讨论光的放缓问题的时候，我们感兴趣的是由媒质分散所导出的方程组（1）式，既然群折射率的这一部分可能因此而被改变，它就使我们能够控制光的速度。

(三) 相干群振荡（CPO）

CPO所产生的效应依赖于能够激发半导体的外部激光束，它导致了在半导体中载波分配的调制以及随后折射率的分散和改变。毕业论文，相干群振荡。在一般情况下，该效应可以通过建立在四波混频（FWM）理论的频率域来分析。然而，在实际情况下，重要的外部信号是由调制激光束的强度产生的，在动态折射率可以忽略的情况下，该效应可以由时域中的饱和作用来解释[9]。毕业论文，相干群振荡。在波导吸收的理论下（也就是说，存在一个电子吸收（EA）），CPO效应导致了慢速光的产生，对应于相位的延迟，波导的放大，而半导体光放大器（SOA）导致快速光的产生，对应于相位的超前。在这两种情况下，饱和功率和有效载体的周期就分别是功率分配和频率独立性的重要特征。根据激光束和调制频率之间的频率的不同，载波分配的不同动态效应就显得尤为重要。活性层的内部结构（即散装或低维度）会因此成为影响快速和慢速光行为特征的因素。

(四) 级联装置

既然电子吸收（EA）结构显示出的寿命要比半导体光放大器（SOA）结构显示出的寿命短得多（因为SOA存在多载波扫频），那么电子吸收（EA）就成为高频率应用的最佳选择。但另一方面，这种吸收限制了传播力度。解决该问题的一个办法是将上述两种结构结合，这是因为，不同的反应能够受益于EA部分的慢速光效应，而从SOA部分获得增益，并且没有快速光在该部分的抵消作用[11]。此外，通过连接几个这样的结构，可以增加总微波的相位延迟[12]。毕业论文，相干群振荡。图1显示出了照片，并编制了一个多部分的设备原理图和相对应相位变化的测量。

在等高线图中，它作为输入光的强度和反向偏置的功能图。根据图中所显示的，要控制光放缓的程度是可能的，要么通过反向电偏移，要么通过光纤输入光信号强度。对于固定反向偏置，我们观察到一个最佳的强度，这是由于诱导输入信号的饱和度和观察固定光学输入强度

的最佳反向偏置[5]，这也反映了增加电压有源区跌幅的载波扫出时间[9]。在这种特殊情况下，对于SOA部分的固定电流和EA部分的反向电压来说，我们能够获得大约140度的最高相位变化。如果电气偏移允许我们改变反向偏置，绝对相位的变化可能获得进一步增加，最近，这一结论被一个独立部分的波导所论证[13]。

Figure 1.

(五) 光学滤波

人们已经证明，对于强度调制来说，比如双边带，输入信号的相移只取决于动态增益[9，10]。然而，折射率的调制可以通过演示光学过滤前检测来增加相移（即调制一个非零线宽增强因子）[14]。该实验装置如图1所示，波长为1539.46nm的激光被网络分析仪所调制，它通过一个推拉式的Mach-Zehnder强度调制器（MZM）生成了两个边带（红移边带，蓝移边带），并伴随有强大的载体,其中ares=-0.2。经过了大量的SOA检测（这里四波混频效应将导致相位的变化和两个边带的增强），两个边带其中之一（红移边带或蓝移边带）将会在检测前被具有0.1nm带宽的光纤光栅陷波器所阻止。当调制频率大于4GHz时，一个边带可以很容易地被清除，而不破坏或其他边带或载波，通过采用光纤放大器（EDFA）和可变光衰减器（VOA），输入光功率可以调整在-10.3dBm和13.6dBm之间。毕业论文，相干群振荡。实验结果显示，如图所标记的三种不同的情况，即无过滤（黑），阻塞蓝边带和通过红边带（红色），阻塞红边带而通过蓝边带（蓝色）。该结果与以波混合模型为基础的数值模拟相比较，显示出了良好的吻合度。结果表明，绝对相移以及工作频率可以通过阻塞红移边带而大大加强。另一方面，阻断蓝移边带只会导致相移发生微小的变化。这种现象可以通过如下原因解释，即当我们考虑经过波混频后，它导致了两个边带的有效增益和相位变化，因为它不同组成部分之间相位的变化在这里发挥了重要作用。

Figure 2.

(六) 偏振旋转的利用

最后，我们可以展示一个完全不同的方法，该方法通过利用极化效应来实现对微波相移控制，该实验装置如图3所示，波长为1550nm的激光束被网络分析仪正弦调制，它是通过一个 Mach-Zehnder强度调制器（MZM）来确保相反符号转移曲线的TE和TM组件正常运行。利用这种方法，被调制的TE和TM组件之间的相位φ实现了180 °的相移。通过利用SOA（半导体光放大器）中依赖强度的偏振旋转，并在光电检测之前引进偏振选择性的组成部分，我们因此可以控制相移。在实验中，通过引入一种掺铒光纤放大器（EDFA）和可变光衰减器（VOA），SOA的输入光功率可以在- 7dBm的和13dBm之间调节，这将促使SOA信号的偏振旋转[14]。在经过SOA以后，通过网络分析仪，我们用一个偏振控制器（PC3）和偏振分光镜（PBS）来选择需要被检测的偏振性。SOA的源电流固定在160毫安，调制的射频功率为0dBm。测量结果表明，该相位可以通过输入光功率和大约150 °的相移控制而不断的调整，它所获得的高调制频率高达19 GHz。

Figure 3.

(七) 结论

我们已经介绍并展示了控制强度调制光信号相移的不同计划，它建立在半导体光波导中慢速和快速光效应的基础之上。我们发现，通过级联设备或利用光学过滤设备可以进一步增强活动区域中混合波的基本作用。此外，我们可以实现移相器，方法是在两个光场偏振元件上引入不同的相移，并通过利用非线性偏振旋转效应不断交换它们之间的相移。在这个时候，最大的相移达到了我们所要求的180 °并且能够获得高达20 GHz频率。为了足够灵活的实施相控天线阵和微波滤波器，相移的控制应该被进一步增加到360°，并且可根据实际应用增加额外的要求。

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篇7

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)。

篇8

“弃暗投明”的新技术

宋延林笑着说，走上“纳米材料绿色制版技术”的研发之路，始自一次“意外”。

那是1995年，正在攻读博士学位的宋延林，琢磨着自己关于信息存储材料的研究工作。他不想重复别人的材料体系，于是有了一个大胆的想法：既然当时国际上主流的信息存储材料是无机材料，那么自己就挑战一下有机材料。

这在当时并不被人看好，但他与合作伙伴最终成功地将信息存储点的尺寸从 十几个纳米缩小至1.3个纳米。相关论文很快被国际权威学术期刊接受发表，研究成果亦被两院院士评选为1997年“中国十大科技进展”之一。“这给了我一个很大的启发，不是国外没有做过的事情就不能做。以前中国人总觉得引领科技进步的一定是西方国家，我们只能一味追赶，似乎最好的成绩也只能是缩小与国际先进水平的差距。但事实不应该是这样。”

从那天开始，宋延林就打定主意，要做与别人不一样的东西。多年以后，灵感聚焦于“印刷技术”。

从成像原理来看，印刷技术的发展可以划分为两大阶段：首先是“物理成像阶段”， 基于物理凹凸结构成像，譬如雕版印刷、木活字印刷、铅字印刷。接下来是“化学成像阶段”，基于化学感光成像，主要有两种技术，一种是激光照排技术，上世纪80年代由王选院士主持研发的汉字激光照排技术，目前仍是中国印刷业的主流技术；另一种是国际上流行的计算机直接制版（CTP）技术。

但无论是激光照排技术还是CTP技术，都是感光成像的过程。激光照排的过程与胶卷曝光类似：先将计算机处理的信息通过激光扫描到感光胶片上，再通过曝光、显影、定影得到一张底片，底片在涂有感光层的PS版上重复曝光、显影、冲洗的过程，得到最终印版。

“事实上，高质量的信息传输，应尽可能减少信息转换的环节。有没有一种办法，可以直接打印出印版，省略化学显影过程呢？”

宋延林首先考虑的是确定印版的材料要求。对于印刷而言，印版的图文区需要“沾油墨”，空白区则“不沾油墨”。高质量的印刷，要求两个区域必须形成足够大的反差，否则很容易“糊版”。宋延林根据信息存储中提高信噪比的要求和纳米材料控制表面性质的研究基础，在印版表面形成特殊的纳米结构，确保图文区和空白区有足够的反差，且界面清晰。

不过事情远没有大功告成，“耐印力”成为紧跟着必须面对的挑战。“如果要让这项技术走向市场，必须确保它可以满足常规生产要求。目前主流印刷版材的耐印力，比如印刷普通报纸，需要在10万份以上。最终我们通过纳米材料的复合增强，使新版材的耐印力达到同一水准。”

所谓“复合增强”，打个通俗的比方，和增强柏油马路耐磨性类似：只铺沥青的路面极易损坏，在沥青中掺入石子，就大大提高了耐磨性。“虽然听起来简单，但实际操作时，还要保证极其细微的纳米颗粒不团聚，特别是在南方、北方零上40℃至零下40℃的温差下，不沉淀，不堵头，打印出的墨滴大小要与版材表面张力、纳米孔的孔径形成定量可控的关系，实现所有这些，背后是一系列复杂细致的研究工作。”

除此之外，由于纳米材料绿色制版技术在国际上并无先例可循，因此亦没有成熟的配套设备。为此，技术团队还要开发针对报业、商业和票据类的设备及相应软件。

当一切都从理论化为现实，一种全新的印刷制版技术横空出世。宋延林一口气描述它的操作原理：“用计算机处理好全部图文信息，直接将印版打印出来，图文区是亲油的，空白区是亲水的，两者反差足够大，足够耐磨。”

新技术的优势显而易见。首先，传统的化学成像过程，印版与胶片的生产、运输和使用过程都要严格避光，非常麻烦。而纳米材料制版技术，则是基于“非感光”的全新原理，宋延林打趣说，有领导说这是个“弃暗投明”的新技术。

其次，依赖化学成像形成的印刷产业链，有两大无法根除的污染。

一是制版的污染。感光成像的化学冲洗过程，是将感光材料全面覆盖在版基上，然后根据实际图文情况，将“图文区”保留，“空白区”侵蚀掉。如此一来，80%以上的感光材料都被浪费，同时造成每年百万吨量级的废液排放。

二是版基的污染。目前主流印刷制版技术的铝版基制备，实际是一个电解氧化的过程，电解液里的浓酸，会腐蚀消耗铝材，再加之曝光过程中的损耗，大量的铝材变成污染物被浪费，并造成严重的金属离子污染。而废酸用石灰中和后，又会形成大量废渣。

“纳米材料印刷制版技术是用计算机直接打印制版，没有化学腐蚀过程，既不会形成废液、废渣污染，也不会损失铝材。被消耗的仅仅是打印的墨水，成本优势明显，有可观的利润空间，且可以通过鼠标简便操作。”宋延林说，这是令他自豪的一点。

他永远都记得，有一期《时代周刊》的封面触目惊心：一只巨大的iphone手机，连接着一座冒着黑烟的工厂，用醒目的字体探讨这只“神器”为什么会选择“made in china”（中国制造），结论有二：一靠“廉价人力”，二靠“超级污染”。“中国留给世界的印象，一定要改一改了！事实证明，我们可以拿出领先、环保的绿色解决方案。”

再见，试验室！

篇9

过去的这个冬天，我一直伏案于书桌旁，专心于完成我的物理学哲学博士论文。在终于为论文画上句号的这个初春，一夜的南风吹白了书房外如雪的梨花，正当我欣喜于小城春天的又一次莺飞草长之时，我收到了中国驻美使馆教育处张静安老师的电子邮件，通知我获得了2007年度“国家优秀自费留学生奖学金”，并热情地邀请我们谈一谈感想。

谈一谈什么好呢?多年来都是用英文写实话实说的科技论文，很少文以明志，笔下抒情，我不免踌躇起来。思想之余，我首先要感谢使馆教育处的老师们和国内的专家、评委们的辛勤工作，把这份荣誉授予我，让我深深地感受到来自祖国的一份关怀。这份关怀让我们留学海外的学子感到十分温暖，同时也更深切地了解到祖国对我们的关注。我想借着这个机会，谈一谈10多年来我在物理学的学习和科研中的一些经历，也许更能够表达我对这种关怀的谢意。

一

我中学和大学时代是在广州度过的。在执信中学读书时，我对物理产生了浓厚的兴趣。由于父亲在中山大学物理系任教的关系，我有机会认识许多中山大学物理系的老师。还记得当我要参加全国中学生物理竞赛时，物理学教学的专家罗蔚英老师专门找来习题集和大学课本送给我，告诉我学学普通物理对物理竞赛有很大的帮助。之后，我在全国物理和数学竞赛中都获了奖，得到了免试保送的资格。当时，许多保送生都选择热门专业，愿意学习基础学科的人很少。当得知我打算选择物理专业时，时任广东省物理协会理事长的莫党老师非常高兴，专门为我给几所国内最好的物理系写了推荐信。回想起来，当时的我只是一个什么也不懂的中学生，物理学前辈们对年轻人的热情是促使我研究物理、热爱物理的一个重要原因。

1995年，我进入中山大学物理系理科人才培养基地班学习。基地班的学生一入学就可以选择本科导师，进行科研工作。选择什么样的科研方向呢，像许多热爱物理学的中国年轻人一样，我一开始属意于理论物理，因为杨振宁、李政道的影响，可我很快发现我更着迷于实验物理学。

中山大学有一个早年由我国著名的光谱物理学家高兆兰教授成立的超快速激光光谱学实验室，每当我进入实验室，在黑暗中看到那些红红绿绿的激光光束和跳跃在示波器上的脉冲信号时，我就感到莫名的兴奋和紧张。那时一台飞秒量级超快激光还是一台非常稀罕的仪器，中大的老师们曾经自己研制过一台。当我看到许多人在黑屋子里忙活大半天，为在示波器上终于获得一个脉冲波形而得意万分时，我被深深地吸引了。我找到当时的超快激光实验室主任周建英老师，提出请他作为我的本科导师。10多年后我仍然记得他津津乐道地告诉我，下一个世纪物理学的一个主题将会是对量子世界的操控，激光与物质的相互作用是一个重要的前沿，这影响了我后来科学研究的兴趣所在。

1999年，我来到北京大学物理学院现代光学研究所龚旗煌老师的实验室，攻读硕士学位。在龚老师的悉心指导之下，我开始了利用飞秒激光进行光子材料微制备的研究。在这里我接受了光学实验的完整训练，也学会了如何一步步地开展一个全新的课题。这里宽松融洽的气氛，使我有机会接触到现代光学研究所里不同的研究方向，由此扩展了学术视野。2002年，因为我在超快激光微制备课题上的工作，被授予中国光学学会王大珩光学奖的青年学生奖。同年，我收到了美国五六所最顶尖光学与原子光物

二

负笈美国，我的目光投向了冷原子物理学。冷原子物理学是世纪之交物理学一个异常活跃的领域，它利用当今最精密的实验技术把气态的原子冷却到自然界的几乎绝对零度。在这一温度下，原子表现出奇妙的量子力学性质，他们不再是单个的孤立粒子，而是像振动的琴弦一样表现出优美的波动性。冷原子物理学的实验研究不仅可以回答量子物理学中一些悬而未决的最基本科学问题，而且为实现和操控量子世界提供了非凡的技术手段。1997年，两名美国物理学家因为激光冷却原子的实验技术而获得诺贝尔物理学奖。4年之后，另外3名美国物理学家又因为成功地冷却玻色原子到玻色爱因斯坦凝聚态，获得2001年诺贝尔物理学奖。4年之中同一领域两度获得诺贝尔奖，这在科学史上极为罕见。

在自然界中，任何微观的粒子都可以分为玻色子和费米子两大类。在冷却玻色子后，冷却费米子成为冷原子物理的核心问题，也是整个物理学界关注的焦点之一。但是费米原子的冷却非常困难。较冷的费米原子处于简并态，泡利不相容原理使同类原子间的碰撞受到抑制。要进一步冷却费米气体，需要冷却和捕获多重自旋态的费米原子。这需要激光冷却捕获原子技术上的重大革新。在美国杜克大学博士期间，我有幸遇到了我的导师约翰・汤姆斯(John Thomas)教授。约翰上个世纪70年代毕业于麻省理工学院，他是当今美国原子与光物理学界的大师之一，是全光学冷却原子方法的主要开拓者。

我在约翰指导下的研究正是致力用全光学冷却的方法冷却6Li费米原子，并研究强相互作用下费米气体的物理性质。我们利用高功率的超稳定远红外CO2激光，形成光学陷阱，直接把冷原子从磁光阱中捕获并进行蒸发冷却。形象地说，这个工作好比是为原子和光子编舞，让冷原子随着激光起舞，把物理学家们带入充满未知的量子世界。迄今为止，全光学冷却的关键技术只有美欧的少数研究小组掌握。鉴于搭建一个原子冷却系统的复杂性，大多数在这个领域工作的学者有操作系统的经验，而没有从零搭建的经验与能力。约翰作为一名出色的实验物理学家，特别注重培养研究生制造仪器的能力。他常常用风趣的语言说明极为深刻的做科学的道理。他讲到麻省理工学院历史上的成功经验之一，就是一个一流的实验物理学家总是一个优秀的工程师。他又开玩笑说，如果你喜欢整天在实验室里干管道工，而不是急着收集数据的话，你就可以完成任何人都完成不了的实验。

在约翰的指导下，我在博士期间完全从零开始，搭建了新一代的全光学费米原子冷却系统，在技术上进行了多项革新，发展了高真空红外窗口，超稳定光学等多项原创性技术。在自己搭建的系统上，我系统研究了强相互作用下6Li原子的冷却特性，把费米原子冷却到了的超流态凝聚温度之下。经过2年的工作，从一个空房间到建成全新的超冷原子实验室，我的工作受到了约翰的高度评价。这种训练也使我成为在这一领域掌握核心技术和创新

能力的博士研究生。

强相互作用费米气体的实现为从实验上探索强相互作用的多体量子力学和量子场论打开了大门。强相互作用费米子涉及到高温超导体、中子星、夸克胶子等离子体等物理学上的奇异体系。这些体系和强相互作用费米原子气体一样处于量子热力学的普适状态，即所有物理量仅仅是温度的函数，而不依赖微观的相互作用。这一问题的实验和理论研究受到了原子物理、凝聚态物理、核物理和高能物理各个领域的广泛关注。2006年，我通过费米原子在强相互作用区间和弱相互作用区间的等熵绝热变化，提供了第一个不依赖理论模型的强相互作用费米气体的热力学测量，测定了这一体系中能量与熵的基本关系，明确了温标和超流相变的临界温度，从而为证实量子多体系统中普适热力学问题奠定了实验基础。著名的理论物理学家奥卢，布卡克(AurelBulgac)、彼特，庄曼(PeterDrummond)等对于我们的实验给予很高的评价，认为这是冷原子领域的一项重大进展，是检验强关联量子理论的实验坐标。

三

我的另一重要工作是研究强相互作用的费米气体中的量子粘滞力。众所周知，超流体展现了完美的流体性质。但正常流体是否也可以具有完美流动性是一个物理学领域极具争议的问题。近来高能物理学在夸克胶子等离子体上的实验进展和弦理论对强相互作用量子场的计算显示，正常流体也可以逼近粘滞力的量子力学极限。我们利用旋转超冷费米原子的实验，展示了在强相互条件下，正常态和超流态的费米原子都可以有完美的流体性质。一旦测定了量子粘滞力的下限，不仅对了解夸克胶子等离子体有重大意义，还会为弦理论的计算提供第一个实验检验。

超冷费米原子的研究在过去几年是一个激烈竞争的领域。竞争主要在包括我们小组在内的美国4个研究组和欧洲的2个研究组中展开。诺贝尔奖获得者沃尔夫冈，克特勒(Wolfoang Ketterle)和美国科学院院士兰迪，惠里特(Randy Hulet)是其中的另外两个小组。我的研究工作得到了这些同行的肯定和赞赏。2007年我被授予弗里茨，伦敦奖学金(Fritz London Fellowship)，该奖是以量子化学和低温物理学的奠基人，著名物理学家和化学家弗里茨，伦敦命名的一项奖励。

为推动美国在量子科学领域保持领先地位，美国国家标准技术研究院和马里兰大学集合了这一领域的国际顶尖科学家，于2007年成立了联合量子研究所(Joint QuantumInstitute)。为了发掘优秀的年轻人加入这一团队，联合量子研究所专门设立了博士后奖(JQ0 Postdoctoral Fellow)。该奖每年在全世界范围内通过竞争，评选出两位获得者，一位侧重于理论方向，一位侧重于实验方向。博士毕业之际，我有幸被选为其中之一。诺贝尔奖获得者威廉，菲利普(William Phillips)高兴地对我说，你是我们研究所第一个实验方向上的博士后奖获得者，我们希望你成功。

四

篇10

论文摘要：介绍了一种在玻璃基板上切割V型槽并对V型槽纤芯距进行高精度测量的光纤偏振光干涉仪，该系统包括光源、偏振器、偏振控制器、波片、自聚焦透镜和探测器组成，并对这种光纤传感器原理进行分析。其理论上其测量精度可达到0.01nm，很好地解决了实际生产中高精度的非接触在线检测，并满足了光通信行业对V型槽纤芯距的实际要求。

引言

在光通信纤维阵列用玻璃基板上刻高精度V型槽（通用型槽间距即纤芯距为127±0.5um和250±0.5um）的关键技术被日韩等少数国家垄断，国内使用的光纤阵列用V型槽基板均需要依靠进口，价格昂贵，严重制约了我国光纤到户（FTTH）工程的进程。而光通信纤维阵列用V型槽基板是光纤到户工程中必不可少的光器件，主要用于对光纤精确定位生产各种衔接光纤干线与家用光纤之间的信号传输的光器件。

日本在光通信纤维阵列用V型槽基板的加工设备开发上起步较早，也具有较为成熟的技术方案。目前，日本等国家生产光通信纤维阵列用V型基板全部采用高精度的专用切割机，而此类设备日本等发达国家对我国实施禁运，国内部分企业与机构也曾尝试对此方面进行研究，皆因为技术难度较高，而最终以失败告终，因此在国内尚属于空白。

在先进的生产制造过程中，非接触的在线检测发挥着越来越重要的作用。在线检测的对象在被测过程中是不断变化着的，因此对检测传感器不仅要求其精度高、稳定可靠、有良好的动态性能、能对快速信号实时响应监控，而且一般要非接触式测量，并便于安装。

本文提出一种新型的光纤偏振光干涉仪，它将偏振光干涉技术和光纤传感技术相结合，能对玻璃基板V型槽的纤芯距进行高精度的在线检测的非接触测量。

1、实验原理设计

即

该线偏振光 的偏振方向与x轴夹角为 。

（1）

被测物位移变化一个波长则合成光的偏振方向转动了角。因此，通过检测出偏振方向角，即可得到位移。所以，可将干涉仪的位移测量精度，由一般检测干涉条纹的位相细分转变为检测偏振光的偏振方向角的角度细分；而检测角度细分要比检测位相细分精度高，从而可得到较高的测量精度。

由式(1) 可得位移的变化量。如，当角度检测精度时，则可测得位移精度；而当 时，则 ，因此光纤偏振光干涉仪可以具有很高的灵敏度和精度。

2、 测量实例及结果

转贴于

本项目结合光学精密测量技术实现通用切割机主轴的精确定位，通过设计稳定的工作平台，选用硬度合适的刀具，选择最佳的切削参数，完成V形槽的亚微米超精密机械加工，尽可能减少由于机械方面引起的切割误差。

实际切割原理如图2所示，在实际中，算机通过控制偏振角度 的值来控制刀移动的位置来实行对玻璃基板上对V槽纤芯距的切割。实际切割的产品如图3所示。该图是8通道纤芯距为250um的V型槽的放大图。

如图4是计算机显示屏显示的控制情况。从图可以看出，该系统可以很好地监控实际加工情况。

3、 结论

本项目开发出具有独立知识产权的基于迈克尔逊干涉仪实时测量监控系统。该系统已经用于玻璃基板V型槽加工的实时检测中，有效地保证的光通信用玻璃基板V型槽的精度要求，并在国内率先批量生产出高良率的光纤通信用玻璃基板V型槽，有利于推动我国光纤到户工程。

参考文献

[1]胡永明. 全保偏光纤迈克尔逊干涉仪[J]。中国激光，1997 ，24 (10) :892 - 894