激光原理论文汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇激光原理论文范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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2.设置体系，实现开放教学

关于高职院校广告设计专业学生的创新能力培训，不能够仅仅依靠于基础的课程以及专业课程的教育，教师还应该为学生们打开更为宽广的知识面，让学生们广泛地学习。以美国为例，美国广告专业的教育课程以人文和社会科学课程为主，并且要有语言学、心理学、自然科学、市场学、经济学、传播学、社会学、法律学和政治学等等方面的内容，只有广泛的涉猎各个方面的内容，广告设计专业的学生才能够在日后的领域当中发挥出创造性，更加深思熟虑地思考问题。在中国，广告设计的课程却只是以专业课的学习为主，很少有其他的辅助人文学科，比重比较小，在专业课程的设置上也存在着很多的问题，而且由于内容设置的不够科学，经常会有一些相似的内容重复出现，时间久了学生们自然会产生厌倦的情绪，通过这种方式培养出来的学生不仅不能够达到一定深度和广度的专业知识，甚至会对广告设计这个专业产生怀疑。在这种局面下，高职院校必须要重新整理自身的课程体系，积极地推进开放式的教学模式，采取“请进来，走出去”的教学模式，一方面，学校可以鼓励一些专业教师进入到广告专业的公司或者是企业进行兼职，让教师的教学内容更加具有实际应用意义。另一方面学校应该积极地邀请一些具有丰富实践经验的广告设计是到学校进行广告理论的深入讲解，采取座谈会或者是客座教授的形式来形成校企结合的教学，从而使广告设计的教学更接地气，也更加具有应用价值。

3.重视学生，调动课堂氛围

在中国的教育界普遍存在的问题就是对于学生们学习积极性的调动，传统的教育中总是重教有余，反而重视学习不足，或者是重视灌输有余，而重视启发不够，这种教育形式是必须要得到改革的，尤其对于需要创新的广告行业，复制式的教育不仅没有意义，甚至会严重阻碍学生们在未来的职业发展。在广告界当中需要大量的模拟教学和实践教学，要求学生们必须能够充分地激发和调动起学生们的思维活力，让学生们成为敢想敢做的人，充满勇气和热情，所以学生和教师之间必须要能够形成“教学相长”的双边互动关系，将学生们所学的知识内化为一种人才的基本素质，让教师讲授的知识能够成为学生们日后职业生涯当中“自然流淌”的血液，成为一种能力。所以，在三年的高职院校教学过程中，教师可以设置一些教学活动来调动学生们的学习积极性，让学生们成为学习的主体。比如说在一些创新能力的培养过程中，教师可以设置一些课外的教程，让学生们通过课外环境来提升自己，可以安排一些市场调查、创意设计、媒体调查、广告摄制以及制作等等内容，让学生们能够将理论和实际结合起来，构建起实践的基地，让学生们都有机会去考察自己，在实践的过程中更加积极主动地调节自己，让自己得到锻炼的同时也能够创造一些经济效益，并结合市场的调查为学生们选定课题，让学生们能够在课程之外获得更多的知识补充，实现课内外同步进步。

4.加强实践，探索新型模式

实践教学的目的就是要在学生们掌握的理论知识和未来的职业实践能力之间构建起一个桥梁，更加侧重于学生们实践能力的提升，学校和企业之间可以建立起一些结合的项目，帮助学生们在实践中更加明确自己的未来发展方向，有利于对现代化新型人才的培养，学生们可以通过教师参与到一些项目的实践当中，最终形成一种产学研一体化的教学模式，培养创新型的人才。在中国的广告教育当中，在形式上是具有一些时间环节的，比如说对口地安排学生进行毕业实习，但是这种实习通常都是形式至上的，并没有形成实际的效果，在这种情况下，很多院校采取了放任管理的方式，通常都是学校介绍，学生自己去找机会，公司有需求的时候可以到学校吸纳一些学生，在这个期间学生们才真正有机会进行实地的实习，对于学生们的职业能力和决策能力起到了切实的作用。

篇（2）

中图分类号：G642.0

文献标识码：C

DOI： 1（）.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.005

1 我校《激光原理与技术》专业课存在问题

我省许多理工类院校的光信息、光电类和大部分应用物理专业都开设《激光原理与技术》课程。作为重要专业基础或方向课，此课程：第一，具有较强的理论性、实践性、前沿性和探讨性；理论抽象，公式众多，有相当学术和技术含量的课程，教学中经常发现学生对概念缺乏准确理解或概念和实际应用“两张皮”的现象。第二，课程教学内容多，课程容量大。第三，由于激光技术、光电技术的发展日新月异，器件层出不穷，与新现象、新理论、新器件、新应用有关的课程教学内容也必须不断地做出更新调整，

另外，《激光原理与技术》课程涵盖知识点包括激光原理、激光技术两部分，知识点明确，可以用一个实验、一个概念来组织教学内容。课程具备开展翻转课堂的实施要求。

2 翻转课堂在《激光原理与技术》课程中的实施方案

结合我校《激光原理与技术》课程特点，在现有的翻转课堂模型基础上，我们设计了翻转课堂的教学路线图f如图1）。主要由线上学习、课堂学习和课后学习三部分组成。LMS作为教学实施的基础性管理学习平台，可提供教学资源、学习过程记录和互动场所。

线上学习

课堂学习

课后学习

2.1 设计知识单元的策略

将课程按“知识块”分成8个教学单元，即：激光的基本机理，激光谐振腔理论以及激光振荡理论，连续和脉冲激光器的工作特性，选模技术，放大技术，稳频技术和激光短脉冲技术。每个教学单元可以由一次或多次课程完成，以便教师开发课程视频。

2.2 设计课程微课

第一，根据本专业课程教学内容（突出难点、重点），设计微课。第二，每个教学单元可分成若干个模块，以模块为单位设计微课。第三，微课内容包括微视频、课间练习和每周作业。通过微视频中的导读内容、课间练习和作业，向学生提出问题，引导学习者自主思考。

2.3 翻转课堂教学设计

2.3.1 线上学习

第一，通过慕课学习。让学生假期在慕课平台查找与激光器件有关的知识，提前使学生进入到课程中来，在头脑中初步形成激光器件的结构框架，对激光器件的主要应用等有简单的了解，简单的知识点通过慕课学习。第二，通过微课学习。设置每周微课时间和作业提交截止时间。课间练习和每周作业可采用填空或选择形式，每道题在截止日期之前允许学生提交3次，否则当次作业记为0分。另外，在学生看完微课之后，对微课中的收获和疑问可以在讨论区发帖。由教师团队或学生讨论互动给出解答，完成课题组布置的线上学习任务。

2.3.2 课堂学习

第一，分析每个教学单元的目标、知识类型、学生线上学习情况和存在的问题，确定教学策略，如“讲授”、“自学”、“讨论”、“实验”、“探究”等。第二，学生的独立探索和协作学习。具体分为五个环节：①明确问题：根据课程内容和学生观看微课时提出的疑问，总结出-些有探究价值的问题；②独立探究：从开始时选择性指导逐渐转至为学生的独立探究学习方面，让学生在独立学习中构建自己的知识体系，注重和培养学生的独立学习能力；③协同学习：通过“探究式案例”、“探究式实验”鼓励学生以小组协作形式，采用对话、商讨、争论等形式进行讨论并实施；④交流展示：成果交流采用如：举行展览会、报告会、辩论会、小型比赛等；⑤考核评定：建立线上学习、课堂和课后学习各环节的考核评价。考核成绩构成为“课间练习20分+每周作业15分+课后研究报告和小论文5分+讨论区及课堂活跃度10分+期末考试50分”。

2.3.3 课后学习

由课后的复习，学生定期的答疑，学生完成的项目任务和课程论文构成。

3 翻转课堂教学实施案例――以光学谐振腔（FP腔）为例

3.1 线上学习

首先利用微课介绍实验现象，给出FP腔的输出装置，给出了连续波入射时单模光纤FP腔输出光谱。提出问题：如何解释上述实验现象呢？接下来在微课上介绍描述上述激光现象的基本概念与相关规律。根据多光束干涉原理，可得垂直入射时，光学FP腔的输出与输入光强之比为：

将光纤长度，折射率（n=1.48）代人，可得其自由谱宽为50CHz，利用变换式，可得自由谱宽为0.4nm，理论计算与实验现象一致。通过微课学习，学生完成知识的内化。课间提问，采用填空题：C02激光器波长为10.6um，当腔长L=lm时，自由谱宽为（），如果该激光器的光谱线宽度AVF=108Hz，则输出为单模还是多模（）。要求学生在规定时间完成课间作业的提交。

3.2 课堂学习

首先，提出问题：腔端面反射率对输出特性的有什么影响？让学生在独立学习中构建自己的知识体系。然后，进行协作学习，以4人为以小组，利用计算机对（1）式所描述的规律进行数值计算，将结果可视化，计算结果与实验结果一致。从图上还可发现原本静止的图“动”了起来。给学生很大的想象空间，这一环节是理论分析的重要补充，再次完成知识内化。将科学计算引入课堂，提升学生解决问题的能力与效率，引导学生进行研究性、探索性学习。通过可视化，学生对复杂的激光现象具有了感性认识，促进学生对晦涩理论的理解。最后，介绍新实验现象的探索。前面我们详细学习了连续波入射情形下，光学FP腔的输出特性，自然会想到脉冲激光入射情形，那么脉冲激光入射到光学FP腔，其输出具有什么特点呢？通过教师的引导和学生的协作学习和探索，得到当脉冲激光入射到单模光纤FP腔时，其输出波形具有衰荡特征，从而完成创新能力的培养。

3.3 课后学习

以小论文形式，让学生完成一份研究报告，题目为光学FP腔的激光器件中的应用。鼓励学生利用网络资源，查阅光学FP腔在各个领域的应用。例如FP在输出模式选择，光束质量改善等方面的应用，让学生自行选题，自行设计实验方案，在学院的激光实验室独立完成实验，完成小论文撰写和提交。

4 结束语

翻转课堂教学模式起源于美国，在我国真正去推行翻转课堂教学模式还有很多问题有待解决，还需要更多的实际教学工作要做。

参考文献：

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2引入慕课资源，促进课堂教学改革

《激光原理》属于光电子类专业的一门重要专业课程。由于课程的针对性较强，相对于其他的公共基础课而言每个学校担任《激光原理》课程的教师为数不多。目前，《激光原理》课程教学内容多以教材为主，再加以教师教案和收集的各种资料，导致《激光原理》课程信息量少，形式也比较单一。当今我国光电产业迅猛发展，而激光是整个光电产业的灵魂，所以，让广大光电产业从业人员掌握和了解一定的激光原理知识是非常必要的。实际上，光电产业作为一个新兴战略产业，许多的从业人员并未受到过系统的光电子理论教育，因而，引入慕课，不仅可以让在校的光电专业学生受惠，而且可以惠及社会上众多非“科班”出身的光电产业从业人员。慕课突破了个别教师的界限，可以是一所大学，多所大学，其他社会机构，甚至是更多个人直接上传视频、文本、音频来参与教育内容并在全球分享[2]。这样一来，慕课进入课堂，使得教学模式多样化，教学内容多元化和海量化，每位学生都可以随时随地地从慕课平台中去获取更多自己所需要的学习资源。《激光原理》课程理论性强，其中涉及到较多的复杂抽象的物理概念。在实际的教学过程中学生不易理解，仅仅依靠课堂教学很难达到预计的教学效果。这就需要改变传统的教学模式，制作一些短小精悍的微视频课件来实现慕课教学。慕课的主要载体就是十分钟左右的微视频，我们可以为每一个晦涩难懂的物理概念制作一个微视频，并加以多媒体动画讲解[3]。每一个微视频的时间不长，这样可以集中学生的注意力，同时动画讲解可以提高学生学习《激光原理》的兴趣，更大程度上提高学生自主学习的能力。另外，在慕课模式下，《激光原理》课程的考核方式也可以采用除传统的试卷考试之外的更为灵活的方式进行。在整个《激光原理》课程的学习过程中，由于有了慕课这种方便、快捷的学习方式，学生可以随时对自己感兴趣的内容进行学习，所以，在学习过程中更能激发学生的主观能动性。那么，在这种情况下，教师也可以根据所教授的内容和学生自身的特点对学生进行引导并提出一些跟课程相关的问题，叫学生自行寻找解决问题的方案。据此，教师可以判断学生对课程的掌握程度和学生解决问题的能力，从而给出课程的考核分数。这样的考核方式，也是激励学生不断学习的一种手段，在每次任务的完成和讨论过程中既可以调动学生的积极性又可以增进师生互动，同时每次任务完成后可以及时的帮助学生了解自己对知识点的掌握效果。

3利用慕课平台，建立虚拟实验室

在大多数《激光原理》的实际教学过程中，多以理论教学为主，虽然在教学中辅以多媒体教学手段，但是教学效果不是很明显，比如在讲解谐振腔的损耗对激光器的影响的过程中，由于教学手段限制，很难让同学们从抽象的理论中解脱出来。那么如何让学生真切体会到谐振腔损耗对激光器的重要性？这是我们在《激光原理》教学中一直关注的问题。显然，我们必须改变传统的以理论教学为主的教学方法。这样就要求理论教学内容紧跟实验教学，但是由于目前激光实验设备昂贵，针对性强，甚至有些大型精密仪器往往无力购买，这必然导致实验教学的缺失。另外，实验课教师面对学生讲解实验的时候，由于一个班人数较多，受到视角的限制，不可能所有的学生都能完整清楚的看到每一个操作细节。尤其是大型贵重的仪器受到经费的限制，台数少，上课学生多的时候不是所有的学生都有实际操作的可能，甚至有时候很多的精密仪器都是作为演示实验只有教师操作，学生只能在一旁观看。利用慕课资源，建设虚拟实验室可以在很大程度上解决激光原理实验的问题。在教学手段上，可以利用LASCAD等激光器设计专用仿真软件建立虚拟实验室，演示激光的产生和激光束的传播规律，以提高教学效果。虚拟实验室可以大大减少设备资金的投入和各种实验耗材的开销，还可以使得每位学生都有亲自操作的机会，可以使得学生更大程度上加深对深奥的概念理解。由于慕课建立在网络平台，课后只要学生有兴趣就可以继续在虚拟实验室进行操作，方便学生利用零散时间来进行学习，如果有不熟练或有疑问的地方可以反复多次的实践直至理解为止，这在传统的实验课堂上是几乎不可能的。在慕课条件下建立虚拟实验室可以在教学内容上，加大综合性、设计性实验课题的比重，体现理工科课程的特点。精选一部分实验内容制定微型的基础实验用来完成一些验证性实验，例如模拟激光器和激光束的相关特性，加深学生对《激光原理》的感性认识。同时可以再加设一部分激光原理的课程设计的题目，启发他们做一些新型的科学研究，满足学生的高层次需求。比如，利用虚拟实验室结合matlab编程等软件设计，鼓励学生开展激光器有源光学谐振腔设计等工作，开展高斯光束聚焦特性和中红外激光器设计等专题活动。同时可以借鉴国外的教学模式，各种课程设计的实验报告采用论文形式，培养学生的科学素养，提高学生撰写专业论文的能力，为今后的毕业设计、毕业论文以及科技论文打下坚实的基础。我校2014年获批湖北省光电信息技术虚拟仿真实验教学中心，以该项目为依托，我们已经着手建立激光原理虚拟实验室。

4慕课可以增进师生交流与沟通

传统的教学方式以课堂为中心，教师主导着课堂教学。而课堂教学则以灌输理论知识为主，教师讲解过程中学生处于被动接受的地位，师生间互动较少。受到多方面因素的影响，目前大部分学校的《激光原理》教学，教师在课堂上往往只根据教材的安排，按部就班照本宣科教授书本非常狭窄的理论知识，而不注意这门课程在生产实际中的应用以及这个行业当前发展的状况。另一方面，在现有的教育体制下，高校教师更多的关注自己的科研，而缺乏在教学方面创新的动力，仅把知识的灌输作为主要的教学目标，学生在学习过程中得不到有效的指导和监督[4]。然而教学的主要目的并不是为了培养学生的应试能力，而是为了训练学生的自主学习能力使其更能适应社会化发展。慕课利用当代先进的信息技术，使得全人类能够共享优质教育资源。慕课所提供的方便和快捷保障了学生的学习自[5]。与传统的教学方式不同的是，慕课的内容汇聚了大量的优质资源，学生可以通过网络观看各种《激光原理》的微视频，也可以根据自身的情况来制定学习目标，组建学习内容。学生可以观看本校、外校甚至是国外教师教授《激光原理》的教学视频并操作各种虚拟实验室。学生可以利用慕课平台与更多的教师和同学交流互动，分享各式各样的学习资源，甚至于可以组建网络讨论小组和兴趣小组，互相讨论自己感兴趣的课题，分享笔记，点评课程。在慕课模式下，教师和学生的角色都会有所转变甚至于可以互换。慕课对教师提出了前所未有的挑战，学生可以根据所需要的学习内容自行选择上课教师，这样对教师的教学水平、教学风格提出了更高的要求。学生也可以根据自己对某个知识点的理解制作微视频上传到慕课平台，教师也可以通过学生的讲解视频来了解学生的思维方式和理解程度。有些学生通过参考文献、虚拟实验或是各种社会实践来提出自己对《激光原理》课程中各种见解，这些都是教师在传统教学中所无法得知的。可以想象在慕课环境下，没有学生会选择教学模式古板、教学质量差的教学视频来观看，这样很多照本宣科、本本主义的教师将会消失，同时也对学生的自律性提出了更高的要求，是被动的学习转变为自主的学习模式。所以，在慕课模式下，教师教学生学的传统师生关系将会发生很大的改变。教师在教学过程中将会有更多的机会从学生处获益，“教学相长”将会在慕课模式得到更加完美的诠释。

5慕课模式下校企合作，了解更多的科技动态

激光原理是一门实践性很强的课程。教学中需要学生多动手、多思考，在实验中理解和应用课堂教学中学到的理论知识等。受限于激光器的构造特性，一般理论课堂难以进行实验演示，即便演示，效果也不好。此外，在教材上，由于光电子技术的快速发展，新型光子器件和新的激光技术不断涌现，导致教材的先进性有所欠缺，比如激光短脉冲技术一般教材都只介绍传统的调Q，锁模技术，而应用在高功率超短激光脉冲产生的啁啾放大技术却很少涉及。这种教学模式与教学部提出的“应用型普通本科学校”是相违背的，大学从来不是“象牙塔”，不只是单纯的要求学生参加应试教育的考试，而是要培养提高学生的综合能力包括自主学习的能力、发现问题解决问题的能力和工程应用能力等。但是，综合能力的培养与提高不是一朝一夕的事情，它贯穿于从学校到社会甚至整个人生。这就要求我们的大学课堂与企业的要求紧密的链接起来，可以根据企业合作要求搭建慕课平台，企业可以根据他们对激光工艺的要求和大学院校共同开发慕课平台，聘请企业工程师和一些有经验的工人加入慕课的开发和制作[6]。根据企业要求制作的慕课，学生不仅可以学习理论知识，还可以学习到实践技能。在所有完成慕课的学生中，企业可以根据完成情况择优录取，免去一部分招聘和培训的成本，学生通过慕课的训练也能很好地适应企业的工作，真正获得双赢的效果。由于《激光原理》课程专业性强，大多受到资金的限制，每个学校对《激光原理》课程的投入不会太大，难以添置高端仪器，而慕课是综合各个院校及企业的各种教学资源，这样实验仪器设备要更为齐全，通过慕课可以了解到一些没法见到的大型高科技仪器设备，熟悉仪器的用途、操作原理以及使用方法等。利用慕课模式，引进企业的研发机构，这样可以综合利用社会资源。在《激光原理》慕课建设内容中，可以以企业产品市场销售走势对教学重点进行适当的调整，以适应企业的需求[7]。从这个角度来讲，这也可以激发学生学习《激光原理》的兴趣，开拓知识面，开发其潜在的创造能力，通过这种课内外科技活动结合的教学形式，了解高科技知识，达到在本科阶段参与科研的目的。这既为学生的进一步深造奠定了坚实的理论和实践基础，也实现了学校人才培养和企业需求的无缝对接。所以，在慕课模式下实现校企合作，对学生、学校和企业都是有好处的，是一举三得的事情。

篇（4）

鉴于目前落后的人工测试手段，为了提高测试精度，缩短实验周期，兼顾节约实验经费，依据炮控系统测试技术特点，可选择的测试方案有以下4种：

（1） CCD+点光源；

（2） 激光器+PSD光学测量靶；

（3） 光纤陀螺；

（4） 电测法。

1.CCD+点光源

将点光源和标尺安装在炮筒的前端，与CCD（Charge Coupled Device）正对的方向；由点光源在CCD中成像，以此来识别炮筒的位移；同时在点光源平面处设立标尺，来对CCD进行标定[1]。其原理如图1所示，在这种方案下，点光源所成像的位移实际就是炮筒的位移。影响测量精度在于两个主要的方面，一是CCD的单位像素，一是点光源与CCD之间的距离变化带来的非线性误差。

图1 CCD+点光源测试原理图

2.激光器+PSD光学测量靶

PSD（Position Sensitive Detector）是一种半导置敏感器件，其工作原理是基于横向光电效应，又称侧向光生伏特效应或殿巴（Dember）效应[2]。将激光器固定在炮管上，发射激光照射到位于炮口正前方的测量靶上。该激光光点经过光学系统成像于高精度PSD上，PSD输出的信号经过炮控系统测试前端机处理后，经CAN总线传送到计算机中，计算机计算出光点的位置，入射光点的位置及数据可以在显示器上实时显示。火炮身管运动时，激光光点的运动轨迹就显示在计算机屏幕上，根据相应的公式便可计算出炮控系统的静态参数。其原理如图2所示。

图2 激光器+PSD测试系统原理图

3.光纤陀螺

光纤陀螺FOG（Fiber Optic Gyroscope），是利用光纤构成的萨格奈克（Sagnac）干涉仪[3]，是一种纯光学、全固态陀螺仪。它具有测量精度高、灵敏度高、环境适应性强、启动快、重量轻、寿命长和抗冲击能力强等优点以及结构上的适应性和灵活性[4]。将光纤陀螺安装在火炮身管上，调整光纤陀螺敏感轴，使敏感轴与火炮身管转动平面垂直，当光纤陀螺与火炮身管同步转动时，光纤陀螺便可测量出火炮身管转动的角速度。其原理如图3示。

图3光纤陀螺测试系统原理图

4.电测法

在炮控系统控制箱上开一测试输出孔，它将炮控系统水平向和高低向速率陀螺的反馈信号送到测试输出孔，可以利用该信号进行炮控系统静态参数的测试。但若角速度信号叠加有干扰，那么积分计算的结果将带来更大的误差累积，最终导致测试精度的下降。

5.方案选择

CCD+点光源测试方案由于需要使用高速CCD，系统成本过高；激光器+PSD光学测量靶对环境要求较高，不适于在环境恶劣的条件下使用；电测法成本最低，但其通用性差，且使用装备自身的传感器测量，这在武器定型实验中是不允许的；综合考虑，本测试系统选取光纤陀螺作为测试系统的传感器。

利用光纤陀螺进行角速度的测量，其精度主要受如下因素影响：光纤陀螺自身的测量精度、地球自转速度在陀螺敏感轴上的分量、光纤陀螺安装的偏差角度、火炮身管的指向、座圈的倾斜度。角度量的测量精度主要取决于角速度测量精度、数值积分精度以及积分时间的长短等因素。为了提高炮控系统性能参数的测量精度，确定上述因素对角速度、角度量测量精度的影响，必须开展专项研究，从理论、方法和测试手段上分析各影响因素对测量精度影响的权值，寻求改善测量精度的最优途径。

综上所述，开展基于光纤陀螺的炮控系统性能参数测试精度及影响因素的研究是十分必要的。

参考文献：

[1] 刘邦俊， 徐鹏飞， 张建国. 型轮式火炮炮控系统的角位移测量技术. 四川兵工学报. 2008，（6）：58～59.

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微电子技术和传感器已经成为二十一世纪信息社会的重要标志。随着激光传感器的广泛应用及新型光电扫描与光电探测技术的不断提高，工业、农业、家庭、军事、医学等应用领域的传统方法得到了改善。激光传感可控型水龙头将激光位移传感器与电子信号处理技术结合，应用在了水资源节约领域。市场上的传统插卡式热水龙头在使用时难以估定水瓶内的水位，存在着极大的安全隐患和水资源浪费问题。该项日利用激光位移传感技术检测并定位水的高度，经过数字信号处理器将信号反馈到电子电路，自动切断电源。和传统插卡式热水龙头相比，基于激光位移传感器的可控节约型水龙头具有测量精度高、可靠性好、非接触、自动化、安全等突出优点，有极重要的现实和环保意义。在前期的推广中，这项技术先应用于学校水房保温瓶水位的测试。随着后期技术的成熟和市场的开发，可推广向工厂水箱水位测定等更广的领域，发挥更大的经济和应用价值。

一、激光位移传感器的研究现状

现今光电技术的发展、微机的控制、数据的处理及PSD、CCD、四象限位移探测器的改善，使传统的三角测量法有了广泛的应用。具体包括质量的检测、设备的维护、机械和生产自动化、流程和设备的监控等各个领域。

目前在国内，激光位移传感的主要应用包括：对灵敏度和精确度的分析，如何提高其使用范围以及位移、角度、同轴度的非接触测量和校准领域。不过，我国对激光位移传感器的研究仍处于实验阶段。国外很多专家对其做了大量的研究并取得成果。西班牙的研究者在三角激光位移传感器的系统中，发现周围的杂光对测量的精度有影响，并给出了相应的消除方法。目前，国内外有很多这样的产品，广泛地应用在军事技术、航空航天、检测技术等诸多领域。美国研制出红外测温传感器，使其在恶劣的环境下仍能测量出飞行器各部分的温度；城市的交通管理也运用红外光电传感器进行路段事故检测和故障排除的指挥。总体来说，国外传感器的测量范围大，线性度好，分辨率高，稳定性好。国内对激光位移传感器的研究虽不及一些欧美国家，但是却在研究的种类上屡创新奇。

二、激光三角测量技术的原理

激光三角测量法是指从光源发射一束光线到被测物体表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，成像位移和实际位移存在一定的换算关系，通过这个关系式可以计算出被测物体表面的实际位移。由于入射光和反射光构成一个三角形光路，因此被称为三角测量法。按照入射光线与被测物表面法线的关系，可分为直射式和斜射式。本项研究采用的是直射式激光三角测量法。

如图l所示，激光发射器发射出一束光线到热水瓶水面形成光斑，光线在表面发生反射后，从另一个方向通过成像透镜，光斑成像在CCD位置传感器上。随着热水瓶水面高度的变化，反射光的角度在发生变化，光斑成像也随之发生位移。设光斑在CCD成像面上相对位移为X’，被测表面（即水面高度）的实际位移为X，则两者关系如下式：

在传感器的选择上，本项研究选用的是CCD激光位移传感器。目前应用于激光三角法测距的光接收元件包括：CCD（Charge-c.oupled Device，光电耦合器件）和PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感元件）。PSD是基于横向光电效应来实现光能、位置的转换，CCD是一种新型光电转化元件，主要由光敏单元、信号输入单元和信号输出单元组成。CCD以电荷作为信号，实现电荷的存储、转移和检测。与PSD相比，CCD具有轻便、体积小、耗能小、精度高、稳定性好、时效性高等特点。基于上述考虑，最终选定了CCD激光位移传感器。

三、基于激光位移传感器的可控型水龙头系统结构

本项目研究的激光位移传感器硬件系统包括：激光电源、半导体激光器、线阵CCD驱动电路、输出信号的处理系统、单片机测量系统和水龙头阀门控制系统。如图2所示为激光位移传感器的可控型水龙头系统的总框图。

3.1 光源的选择

激光器有很多种：气体激光器、固体激光器、半导体激光器等，气体激光器单色性和方向性好，但体积和重量大，需要外部高压电源，不易安装在小型光学测头上。半导体激光器具有超小型、高效率、电压低、电能转换率高、便于安装等优点。激光光束在传播中存在散射，当测量目标越远，光能量分布不均匀，从而导致误差出现，半导体激光位移传感器可以进行体积小的短距离测量。

3.2 线阵CCD驱动电路

目前，应用于激光三角测距系统的光接受元件主要有两种：CCD――光电耦合器件和PSD――位置敏感元件。本测距系统设计中采用精度高、稳定性好的光电耦合器件CCD作为光电探测器，根据被测物体的移动距离，间接进行测量。

3.3 输出信号的处理系统

图像采集后，CCD输出的信号叠加了较大的干扰噪声，所以要先经过预处理电路后在进行二值化处理。预处理即是将CCD输出进行前置放大后进行滤波处理，放大电路将微弱的信号放大同时干扰的噪声信号也得到了放大。

所以经过低通滤波器将放大电路处理后信号中的高频成分滤除，常用低通滤波器包括：三角滤波法、高斯低通滤波器、中值滤波器等不。最后将输出的信号送入电压比较器进行二值化处理得到稳定的数字信号。最后将数字信号送到单片机系统进行脉冲计数就能得到像点位置信息。系统将计算后的结果显示在显示器界面上。

3.4 水龙头阀门控制系统

在理想条件下，热水瓶的高度为H，由上述系统测出水面高度为X，当x的值接近L时，系统通过反馈电路来控制水龙头的阀门。

四、结束语

激光三角法采用非接触测量，以其实时性强、精度高、对被测物体表面没有特殊要求等优点得以广泛应用，本论文利用直射式激光三角法，对系统的结构参数和所选器件做出了合理的设计和选择。论文的主要工作包括以下几个方面：

（1）通过对激光测距系统在国内外的发展现状研究，并结合本系统情况，确定了本系统的测量原理。

（2）数据采集：令热水瓶的高度是定值H，从光源发射一束激光到被测物体（上升水面）表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置。通过线阵CCD对光电信号进行采集，从而计算出水面到瓶口的距离X。

（3）信号处理将采集到的数据经过滤波放大电路处理，然后将输出的结果由模拟信号转化为数字信号，最后将信号送人单片机系统。

（4）数据结果输出：通过单片机的计算被测物体的位移量，当X-H趋近于零时，将其距离显示在显示器界面上，通过电路控制水龙头阀门的关闭。

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我校光信息科学与技术专业历史悠久、办学基础好、生源质量高、专业方向应用性强。为适应国家对激光科学与技术及光信息技术高素质人才的需求，发挥我校光信息科学与技术专业应用性强的优势，围绕“特色教育，服务社会”的宗旨，2009年申报成功了光信息科学与技术国家第一类特色专业，目标是建设一个以激光科学与技术和光信息技术两个专业方向为优势方向，特色鲜明的名牌专业，使之在培养质量方面达到或接近国内一流水平。在专业边缘领域，大胆开拓，不断扩展研究内容，使该专业成为国内激光科学与技术和光信息技术方向高级人才的培养基地，满足社会发展需要，为同类型高校相关专业建设和改革起到示范和带动作用。电动力学作为该专业重要的一门专业基础课程，需进行教学内容和教学方式的改革，以适应特色专业的建设和培养高质量毕业生要求。

二、电动力学课程教学现状及课程特点

电动力学课程内容，对大多数学生来说感觉到比较难学。原因是知识点较多，抽象难懂。数学推导复杂，要求有较强的数理基础。虽然有些电动力学问题接近实际，比如波导问题、天线问题，但学生要理解和解决这些问题，需要一定的过程，由于上述问题的存在，使初学者常常感到电动力学课枯燥无味、难以入门；上课听讲似懂非懂，下课做题无从下手。并且,由于招生数量的增加,极大降低了师生比,降低了学生与老师交流的几率。同时，现代大学生与80年代大学生比，缺乏主动思考意识和能力，都严重影响电动力学课程的教学效果。

三、教学改革设想及实施

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中图分类号：TH741 文献标识码：A

A Non-contact Trigger Probe Based on DVD Pick-up Head

GAO Wei， CHEN Xiao-huai， CHEN He

（School of Instrument Science and Opto-electric Engineering， Hefei University of Technology， Hefei Anhui 230009， China）

Abstract： This paper presents a non-contact trigger probe based on the commercial DVD pick-up head. The focus sensor and the mechanism have been designed and manufactured. Experimental results show that the non-contact trigger probe can obtains 1nm resolution and a repeatability of 12nm. The non-contact trigger probe can be used on a micro/nano CMM.

Keywords： DVD optical pickup head； non-contact probe； Nano-CMM

引 言

近年来，微纳米三坐标测量机整机及其接触式探头技术得到了快速发展，世界上许多国家和地区的研究机构都公布了自己研制的三坐标触发探头，比如德国PTB[1-2]、英国国家物理实验室[3-4]、荷兰Eindhoven大学[5-6]、台湾大学[7]、合肥工业大学[8]等。

本研究采用日立公司的DVD读取头HOP-1000作为开发对象，如图1 所示，应用于纳米三坐标测量机非接触触发探头上，并对其运作机理以及测量原理进行了应用性研究。

1 DVD激光读取头聚焦原理

DVD激光头组件中包括激光二极管，为读取头提供稳定的测量用激光光源；光学组件中包括穿透式光栅、分光镜、四分之一波片、聚焦物镜、光电传感器等，光电传感器将光信号转换为电信号，由光电传感器输出的电压信号的强弱可判断出入射光的光强度[9]。本研究中所使用的DVD激光头的内部传感器由四片面积相同且光电形式相同的光电传感器所组成，称为四象限传感器（Quadrant detector）。当光点打在检测器上时，光点落在各检测组件上的能量不等，因此其信号输出也不同，利用电子线路，比较各检测组件的输出，就可获知光点位置差。激光读取头就是利用四象限传感器来侦测四个象限分别的感光强度，并进而经由后续的电路信号来计算聚焦误差信号（focus error signal，FES）。

激光读取头的聚焦光点大小及品质决定资料读取的正确性，同时也影响聚焦误差信号FES的判断，决定了我们在测量应用时的精度。本研究中所使用的DVD读取头性能参数有：NA=0.6，λ=650nm，光点直径约为0.86μm。

DVD激光读取头的聚焦原理为像散法（Astigmatic Method）。像散是指光线经过像散透镜，造成成像时横向与纵向的放大率不同，因此造成像点的失真。利用此像散特性作为测量依据，并结合感测组件四象限传感器，当透镜的垂直焦距与水平焦距不同，如图2所示，则物体若偏离透镜前焦平面位置时，在四象限光传感器上的成像光点呈现椭圆变化，当物体处于透镜的正焦平面位置时，成像光点呈现圆形（FES=0），经信号处理，即四象限的（A+C）-（B+D），失焦信号对失焦位移量的关系成一曲线，即所谓的S 曲线，如图2所示。

2 DVD激光探头系统测量原理

2.1 DVD读取头运作原理

如图3所示，激光二极管在加电以后发射约为0.5mW的650nm波长红激光光束，经光栅衍射后形成三束检测光，再经分光镜、反射镜、准直透镜，将激光束变成准直光束。准直光束经过镜片中央呈现有间隔几十数百微米同心圆沟槽的全息透镜后，使准直激光束聚焦成适合DVD光盘信息读取的焦点。经光盘反射的光束沿圆光路再经过准直透镜、反射镜和分光镜后穿越柱面像散透镜，投射到四象限光电二极管传感器（four-quadrant photodetector）A、B、C、D 上。四象限光电二极管传感器根据光点在四个象限上的分布，输出一聚焦误差电压信号FES（B+D）-（A+C）。

这个聚焦误差信号经过运算放大，补偿处理，驱动音圈马达VCM（Voice Coil Motor），将固定在音圈马达上的全息物镜推到可以聚焦光盘平面的位置，达到自动锁焦的目的[10]。

在DVD激光读取头实际读取光盘数据的过程中，光盘除正常旋转运动外，也会产生上下抖动以及偏心旋转等不规则运动。读取头必须不断将位置误差信号反馈给伺服系统，通过音圈马达驱动器实时修正聚焦镜组的位置，使物镜回到聚焦面，以读取正确信号。由于自动聚焦的缘故，物镜始终随着光盘反射面的表面起伏，如果可以得知物镜位移的方法，就能了解工件表面的轮廓分布甚至粗糙度。

2.2 自动聚焦与测量原理

自动聚焦是指待测物的反射面总是可以锁在激光读取头的物镜焦平面上，也就是说当物体表面有起伏时，读取头的物镜会随之起伏，以便让物镜与物体表面间的相对距离不变，而这个相对距离就是该物镜的焦距。

如图4所示，在自动聚焦的过程中，当物体反射面位于物镜的焦点时，经过像散法处理，失焦信号为零，轨迹落在S曲线的中点。当物体反射面离开焦平面，无论是逼近还是远离物镜，都会使失焦信号输出一个不为零的值，这个值经过控制法则处理后，回去驱动音圈马达，使物镜超失焦信号为零的方向移动，最后到达平衡位置。此时维持物镜不动所需的电流转换成可读取的电压信号，即音圈马达的驱动电压信号。由于推动物镜回到平衡位置的过程是实时现象，光电信号的反馈运作与支撑物镜的弹簧微量运动的配合都是在非常短的时间内完成，所以在静态观察下，只能看到平衡后的结果，也就是物镜位移量对音圈马达驱动电压信号的关系。

在实验验证中，这个关系为近似直线的变化，因此音圈马达的驱动电压会随着表面高低而有线性的变化，只要测量到音圈马达驱动电压的变化，就可以依照这个线性关系求得物镜的位移量，也就得出物体表面的轮廓。因此，如果将物镜固定，根据输出电压的变化，就可以得到物体表面的形貌高低变化，成为位移测量的感测元件。

3 非接触式聚焦探头及应用

3.1 主轴系统设计

主轴系统提供Z方向运动，实现10mm行程范围，并能保证精密的测头瞄准功能，因此需要精密机械传动机构的设计。

图5所示为主轴机械结构设计效果图[11]，盖板固定在拱形桥架对称中心上，使桥架受力产生的变形集中在其中心部位，由前面章节叙述得知其对测头测量精度产生的影响很小。压电陶瓷纳米电机驱动精密滑动导轨的滑动块，将精密运动传给与滑动块相连接的中心轴，从而带动探头系统上下运动，使得探头在一定运动范围内实现纳米级的位移分辨率。中心轴通过滑轮和配重系统进行重量平衡，移动距离通过平面镜激光干涉仪基准进行精密位移感测。结构设计过程中兼顾激光干涉仪的测量轴与测头的测量轴重合，消除阿贝误差，提高探头系统的测试精度。

3.2 DVD聚焦探头改装

研究中使用的是DVD激光读取头的聚焦功能，因此将DVD探头进行初步改装。将音圈马达部分拆除，测量物镜可以独立出来，加夹持镜筒，可以使物镜测头部分的直径减小，如图6所示。并且合理调整物镜对准位置，并进行性能测试，其分辨率与测量重复精度与初装DVD读取头相比并没有改变。这为将其组装入接触触发式测头时进行空间体积上的改装提供了便利，物镜可调整与物镜镜筒的可伸长行为将来接触触发式测头微型化打下基础。

DVD探头实物图如图7所示。

4 实 验

实验架构示意图如图8所示，采用PI纳米驱动台作为位移基准，PI驱动台采用电容传感器的位移反馈标准，其重复性精度为2nm。实验架设实物图如9所示。

重复进行6次实验，得出聚焦信号FES如图10所示。从图中我们可以看出，1μm至3μm段线性比较好，FES电压变化量为8V，FES线性斜率为0.25nm/mV。从图11可以得知，FES信号噪声低于4mV，因此我们可以推断此非接触探头的分辨率优于1nm。

FES电压为零点为触发点，我们可以得到6组触发点数据，如表1所示，触发重复性精度低于12nm。

5 结 论

本文介绍了基于商用DVD读取头开发的非接触式激光探头的开发，对DVD读取头的运作原理进行了介绍，阐述了其光学测量原理、自动聚焦原理以及性能校正。拆除音圈马达，固定物镜，将DVD探头改装为非接触式光学聚焦探头，作为开发接触触发式微型探头的位移感测系统，通过实验室验证，具有高分辨率（0.25nm/mV）、高测量精度（测量重复精度

参考文献

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篇（8）

[中图分类号]E933.43 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）05-0009-01

1轴子、光子相关理论简介

本文首先简述了关于轴子和光子的理论，以方便研究轴子和光子的相关理论，进行相关实验。

1.1量子场论

量子场论是以量子力学原理等为基础，一种解释了微观物理学的理论。量子动力学具有悠久的历史，也比较成熟。他研究的内容主要是电磁场和带电粒子的相互影响的情况以及这种相互影响的量子性质、带电粒子相关活动等。它还对相关高精度实验进行了分析。

我们所生存的世界中存在着许多量子场系统。粒子的生成或消失取决于量子场的情况。所渭真空就是指量子场中的能量处于一种最低状态。与其他激发态相比较，这种最低态指的是不存在任何粒子的状态，可是，真空中存在着许多量子场，并时时刻刻运动，即物理学中所谓的真空零点振动，该点对应的能量则称为真空零点能。在这种情况下，若能够使量子场不再扩散到更大的空间中去，而它所在的较小的空间的大小出现改变时，此量子场产生的零点振动能也会出现较小的改变，即得出了著名的卡西米尔效应。

1.2对称性和守恒律

对称性和守恒律在物理学中有着非常重要的地位。物质的情况及其运动特点在对称变换时所展现出的固有性质就是对称n生。如果物体的运动及其能量最低态具有对称性特点，则其相应的物理量均守恒。物质在运动过程中都满足守恒定律。

1.3规范场和规范玻色子质量

规范场是一类物质场，它与相关规律的固定性联系很大，规范玻色子指的是一种场量子。电磁场也是常见的规范场。其不变性对周总耦合形式的形成有很大的影响。规范场的量子就是规范玻色子，也使其相互影响。因为规范对称性的规定，规范场的相关量中没有规范场的质量项，它会影响规范对称性。当相应的规范玻色子质量为零时，这说明其对应的作用是长程力。

2强场激光偏振法探测轴子实验简述

二十世纪末，世界著名大学罗切斯特大学的一位博士和一些学术专家在美国国立实验室做了该实验。他们通过变更激光射向强磁场偏振方向的方式，来探测轴子。下面着重研究光子非静止质量的相关情况。

强场激光偏振法探测轴子实验，指的是研究轴子与光子的电磁耦合作用。有相关效应可知，当一束线偏振光出现于强磁场时，而与磁场正交的分量则与磁场相互作用生成新的轴子，所以，此分量的幅值就会降低，进而造成其偏振方向会与原偏振方向有一定的角度。二十世纪末，有一些博士和专家就在这一理论的基础上来探测肘子。

该实验体系由三部分组成，一是强磁场；二是光学系统；三是椭圆偏振检测系统。强磁场主要是生成新的轴子，磁场是通过超导偶极磁体形成的。还有其他物体如起偏器等，其光轴方向与磁场方向须有一定的夹角，如此方能满足实验的要求。

实验时，首先在某一横向磁场中引入一束线偏振光，激光先经过隔离器到达起偏器，其光轴方向与磁场方向会有一定的夹角，而后会产生一定角度的线偏振光，接着射进光学反射腔，最后又到达检测区，反射腔位于磁场区中，一旦磁场中形成新的轴子，则反射腔发出光线，其偏振状态会有一定的改变。实验对变化的激光偏振方向夹角进行分析，以达到探测轴子的目的。

光首先进入反射腔，射出后又进入法拉第盒，并得到其一定的调制，如此有利于避免不必要的非线性项，随后射到检偏器上，需要说明的是，它和起偏器一样也是偏振晶体，二者的光轴方向是正交的，结果发出的光电信号传到光电二极管，并在此处被检测出。我们要想了解该偏振光的椭圆率，可以把一定规格的波片放在法拉第盒的前边，这样就可以通过测量偏振方向的变化来得出该椭圆率。

3光子静止质量为零时的实验分析

由相关效应知，当线偏振光经过较强磁场时，与磁场正交的分量在与磁场相互作用的过程中形成轴子。有量子动力学理论可知，光子主要来源于激光束，并在强磁场的影响下，形成了轴子。磁场中的场强张量存在于一定区域的总电磁场中，它包括两部分，一是外部产生的强磁场；二是由激光束产生的电磁场场强。

因为Primakoff效应中的光为外磁场平行的部分时才能形成轴子，但和外磁场正交的部分却未出现任何改变。二十世纪末期，有一些专家教授根据相关理论和原理，并采用相应的方法来探测轴子。当激光经过一个非纵向的磁场区时，其偏振方向则会与磁场形成一定的角度，约为45度。发出的激光的偏振方向与原方向也会形成相应的角度。

4光子静止质量不为零时的实验分析

从一些图书资料中可以查知，爱因斯坦在狭义相对论中提出了两个基本假设，即所谓的光速不变和相对性原理，它对现代物理学的发展起了巨大的推动作用。光子静止质量上述假设中的观点。物理学是建立在实验的基础上的，因此，只有进行科学的实验才能得出正确的理论。我们可以从电动力学中得出光子静止质量为零时的电磁场的密度等参数。由此密度推导出电磁场的运动方程。当光子静止质量为非零时，玛克斯韦尔电磁场必须把其静止质量项考虑在内。然后才能对其进行独立地光子静止质量研究。实验中测得的角度与磁场区域长度呈线h生关系，为方便探测，在实验中安装了反射镜，使激光循环反射，从而增强了相应的测量效应。

结束语

篇（9）

 

1、光纤通信系统的基本组成

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波有0.85、1.31和1.55三个低损耗窗口。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。论文格式。在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲'0'码和'1'码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。光纤通信系统的基本组成原理图如下图1-1所示：

图1-1光纤通信系统

1.1光发射端机

光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中传输。电端机就是常规的电子通信设备。光发射机的原理图如下图1-2所示：

图1-2光发射机原理框图

光源是光发射机的核心，其性能好坏将对光纤通信系统产生很大的影响。目前光纤通信系统使用的光源都是由半导体材料制成的，而半导体光源分两种：发光管LED和激光管LD。由于半导体激光器发出的是激光，发光功率大、谱线宽度窄，但电路结构复杂，温度特性差。而半导体发光二极管发出的是荧光，发光功率不大，谱线宽度宽，但电路结构简单、寿命长、价格便宜。在实验室中经常用到。

1.2光纤或光缆

光纤作为传输媒介，作用是将发射端机光源发出的光信号，经远距离传输后耦合到接收端机的检测器，完成信息传输任务。在通信中使用的光纤通常是由石英玻璃制成的，由纤芯和包层组成。目前，塑料光纤应用于低速、短距离的传输中。其构成光纤的纤芯与包层都是塑料材料。与大芯径50/125μm和62.5/125μm的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达200～1000μm，其接续时可使用不带光纤定位套筒的便直注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生 ±30μm偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径100μm或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。论文格式。

1.3中继器

含有光中继器的光纤传输系统成为光纤中继通信。光信号在光纤中传输一定的距离后，由于受到光纤衰减和色散的影响会产生能量衰减和波形失真，为保证通信质量，必须对衰减和失真达到一定程度的光信号及时进行放大和恢复。中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形。

1.4光纤连接器、耦合器等无源器件

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

1.5光接收端机

光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。光接收机原理图如下图1-3所示：

图1-3光接收机电路原理方框图

2、光纤语音电路设计

光纤语音电路由三部分组成：光发射电路、光纤和光接收电路。论文格式。其工作原理是：音频信号最初是声波，由发送器的电子麦克风转换为电信号。此信号由LM358组成的音频放大器放大，并且借助于一个单独的晶体管控制LED的端电压，将电信号转换为光信号。光信号送入光纤或光缆。在光纤或光缆的另一端，光信号照射到接收器的光电检测器上。光电检测器再将其转换为电信号。此信号被放大并送入扬声器转换为声波恢复为原始信号。

2.1、发射器电路板

此电路主要是把音频信号经麦克风转换为电信号，电信号经滤波器、多级放大器把微弱的电流信号转换为适合半导体二极管发光的电压信号，在晶体管的调制下把电信号转换为光信号送入光纤中进行传输。在发射器电路上有一个话筒和调制LED发光的线路。LED装在塑料壳中以便于连接光纤或光缆进行发送信号。在实验室里设计操作可以使用200m长的塑料光纤传送语音信号，也可以使用玻璃光纤在更远的距离内通信。光纤语音发射器电路如下图1-4所示：

图1-4光纤语音发射电路

2.2、光电接收器电路板:

在接收器电路板上通过光电检测器把光纤传输的微弱的光信号转换为电信号，经电容滤波、运算放大器放大，把电流信号转换为电压信号，放大到适合扬声器输出的电压，恢复原始的语音信号。光纤语音接收电路如下图1-5所示：

图1-5光纤语音接收电路

3、结 语

本文详细的介绍了光纤通信系统的组成，为设计光纤语音传输电路提供理论基础。在该电路系统中语音信号以光波形式在光缆内传输、不受任何电场和磁场的影响。传输距离远，抗干扰能力强。每个电路板需要一个9V电池，元件简单，易于实现，在实验室就能操作完成。

参考文献

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篇（10）

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；