lesson7激光在信息技术中的应用.ppt

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1、激光技术在信息技术中的应用,激光全息技术光纤通信激光打印激光扫描激光存储,激光全息技术,一、全息术历史回顾,1947年英国物理学家丹尼斯盖伯(Dennis Gabor)首先提出“波前重建”的构想，为全息术的诞生奠定了理论基础。1971年，瑞典诺贝尔奖委员会为了表彰盖伯对全息术的发明和发展所作出的开创性贡献，授予他该年度诺贝尔物理学奖。全息术至今已经历三个阶段。从盖伯最早提出全息术的思想之后的十多年，这个时期是全息术的萌芽阶段。这一阶段的全息术主要是理论研究和少量的实验。全息术发展的第二阶段是在1960年激光出现以后。1963年，美国密执安大学的利思(N.Leith)和乌帕特尼克斯(J.Upat

2、nicks)提出的离轴全息术，使全息术在沉睡了十几年之后得到了新生。但当时全息术的不足之处是只能在激光照射下显示物体的三维影像。20世纪80年代以后延续至今是全息发展的第三阶段。科学家们致力于研究用激光记录，而用白光再现的全息图，例如反射全息、像全息、彩虹全息、模压全息及合成全息等。应用白光再现的全息术由于走出实验室，可在白昼自然环境中或者在一般白光照明下观看到物体的三维影像，使得激光全息显示技术在得以迅速发展。,二、激光全息术的原理,全息术，又称全息照相术，顾名思义就是记录了被摄物体的全部信息。它不仅像普通照相那样记录物体的散射光强，还记录了散射光的相位，正因为如此才能再现原物的立体图像。,

3、全息照相的拍摄和再现原理示意图,全息照相的拍摄和再现原理示意图,为了记录物体光波的相位，全息图的拍摄需要基于光波的干涉原理。激光器发出的光束由分光镜一分为二，其中一束直接照射在记录介质上，称为参考光束；另一束照到被摄物体上，由物体散射的光射到记录介质上，称为物光束。物光束中与参考光干涉后形成密密麻麻的干涉条纹，这些条纹的密度和位置反映物体的各部分散射光的相位变化，条纹的明暗对比度(即反差)则与散射光的强度对应。这样就将物体的全部信息记录下来，得到了一张全息图。,全息照相的拍摄和再现原理示意图,全息图的再现基于光波的衍射原理。全息底片上的记录条纹是一组无规则的衍射光栅。用与拍摄时完全相同的激光作

4、照明光，照到全息图上发生衍射，产生一列沿照明方向传播的零级衍射光波和两列（1级）衍射光波。其中一列衍射光波与位于原物体位置的实际物体发出的光波完全相同，当这个光波被人眼接收时，就等于看到了原物体的再现虚像。另一列衍射光波再现了原物体的共轭实像，它位于观察者的同侧。,视频：全息摄影,三、计算全息图,传统的全息图均是用光学方法产生的。对于实际不存在的物体，当知道物体光波的数学描述时，也可以利用计算机控制绘图仪或其它记录装置(如阴极射线管、电子束扫描器等)将模拟的干涉图样绘制和复制在透明胶片上。这种计算机合成的全息图称为计算全息图(Computer-Generated Hologram，简称CGH)

5、。1965年，在美国IBM公司工作的德国光学专家罗曼(AwLohmann)使用计算机和绘图仪做出了世界上第一个计算全息图。,计算全息的优点：可以记录物理上不存在的虚拟实物，只要知道物体的数学表达式就可用计算全息记录下这个物体的光波，并再现该物体的像。非常适宜于三维虚构物体的显示。而且，它的三维像再现是现有技术所能得到的唯一的三维虚构像，因而具有重要的科学意义。,视频：全息立体城市,四、数字全息技术,数字全息的思想早在1967年就由 和提出来了，当时由于没有高分辨率的数字光敏器件和高性能的计算机，在很长一段时间内没有什么发展。直到90年代，高分辨率电荷耦合器（CCD）的出现和计算机技术的进步，才

6、促使数字全息的研究得以开展。数字全息术的基本原理是用光敏电子成像器件（如CCD）代替传统光学全息中的记录材料（干版或软片）实现全息图的记录，并用计算机模拟光学衍射过程来实现所记录波前的再现，从而使全息信息的记录、存储、处理和再现真正实现数字化。,视频：数字全息技术eBay广告.,数字全息图的制作和再现,数字全息与光学全息的成像过程一样，包括物体的波前记录和再现，其具体步骤如下：抽样：物光波与参考光波在CCD上表面发生干涉，干涉图案的光强被CCD记录并抽样；量化：由数据采集卡采集抽样数据并进行模/数转换和量化，得到离散的数据信息；量化数据的获取与处理：由计算机获取离散的数据信息，进行噪声抑制、干

7、扰项消除、对比度增强等预处理；数字全息图的形成：由计算机的内存储器保存预处理后的数据数据，形成数字化的全息图（Digital hologram）；再现：由计算机模拟光学全息的再现过程，即通过计算机的数值计算，获得再现像光波场的复振幅分布、强度分布和相位分布，进行相关的后处理之后，在显示器上将强度和相位信息显示出来，从而获得物体的再现像。,五、激光全息三维显示的优点,1.由于全息照相记录了物体光波的全部信息，其再现的物像就和原来的物体一模一样，是一个十分逼真的立体像。2.激光全息照片的每一部分，无论有多小，都能再现原物体的整个图像，所以全息照片即使有缺损，仍能再现被拍摄的全部景象。3.同一张底片

8、上，适当选择参考光波的入射角，可多次曝光记录多个物体的信息，再现时每个物像不受其它物像的干扰，被单独地显示出来。4.存在几种白光再现全息图。利用普通日光或电灯光就可以看到全息照片的立体图像，这个特点使激光全息三维显示扩大了应用领域。以全息方法已研究彩色立体电视、彩色立体电影等，已初步体现出激光全息三维显示技术的独特优势。,六、全息三维显示应用于商业领域,近年来，在商业领域已广泛应用全息三维显示技术，运用于制作立体广告、商品标签以及各种专用标记；激光全息图在商品展示上也显示出极大的优越性，在美国、日本的一些商店橱窗里，摆放着用激光全息技术拍摄的商品模型，它们在灯光的照明下，显示出精美的三维立体图

9、像，激发着顾客观赏和购买的热情；结合加密技术，人们制作了各种高难度激光全息图像，生产出大量专用全息图或全息包装材料，它们除了能够起到装饰和美化商品、标识、印记等作用外，还能够起到防止伪造的作用，从而带来了巨大的社会效益和经济效益。全息三维显示技术的应用使博览会变得生动丰富而又简洁，人们不必将那些笨重、复杂的设备带入会场，只需制作它们的3600全息图，通过全息图再现，它们的原物象便可立体、逼真地展示在人们面前。,视频：藏品及其激光全息影像 超震撼全息视频,七、计算全息或数字全息三维显示应用于虚拟物品设计方面,由于计算全息和数字全息可以对实际不存在的物体制成全息图，并再现这种虚构物体的三维像，因此

10、受到极大的重视。例如，可以用这些方法显示以数学形式表示的物体的三维形象、研究所设计的建筑物造型等。Zebra Imaging公司根据福特公司提供的电子设计数据成功地制作了P2000豪华型汽车的全息显示模型，它被当时到场参观的美国前总统克林顿称誉为“全息图中的泰坦尼克”。这个全息图是实际汽车大小的一半，全色、透明，参观者可3600地观察，甚至看到里面的结构，检查氢燃料电池，还可以清晰地看到关键尺寸，犹如在普通蓝图上看到的那样。,视频：三维全息投影在汽车发布会上的应用北京盛典 数字全息时装秀,八、全息三维显示用于多媒体领域,这方面的典型应用是全息电影。正如全息照片不同于普通的立体照片一样，全息电影

11、与用偏光镜观看的立体电影也截然不同，它的突出特点是三维立体性。早在1976年10月，前苏联首次放映了全息电影，画面上是一个姑娘举一束鲜花款款走来，为时2分钟，能供4个观众观看，银幕尺寸为60 cm80cm。1983年10月，欧洲某研究机构首次用脉冲激光制作了全息电影，展现的是一位女士向观众不停地抛扔五彩缤纷的肥皂泡。近年来，数字全息显示技术在电影投影中得到成功的应用，人们的全息电影梦即将实现，全息电视的研究也正在进行中。,视频：未来技术：全息电视机.,光纤通信,光纤通信技术从光通信中脱颖而出，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上

12、罕见的。也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光纤通信是现代通信网的主要传输手段。采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信

13、。,视频：光纤通讯技术介绍 光纤通讯与国防 光纤之父高锟,光纤通信之所以发展迅猛，主要缘于它具有以下特点：(1)通信容量大、传输距离远。一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55m附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。(2)信号串扰小、保密性能好、抗电磁干扰、传输质量佳。电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。(4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;(

14、5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。(6)无辐射,难于窃听,因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。(7)光缆适应性强,寿命长。(8)质地脆，机械强度差。(9)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。分路、耦合不灵活。(10)光纤光缆的弯曲半径不能过小 利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光光纤通信,光纤激光器,(1)基本原理,光纤激光器和其他激光器一样，由产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。,光纤激光器原理示意图,(2

15、)特点,光纤激光器的激光介质本身就是导波介质，因此其耦合效率高；光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用。,激光打印,激光打印机的基本原理是：将数据转换为数字信号，再调制激光束在感光鼓上扫描，感光鼓将吸附的墨粉转印到纸上，通过控制激光束的开与关使感光鼓吸与不吸墨粉，感光鼓在纸上滚动从而形成文字或图像。,激光打印机的基本组成方框图,激光器用于产生激光。激光扫描系统主要

16、负责将接口电路送来的二进制点阵信息调制到激光束上，然后扫描到感光鼓上。感光鼓和电子照相转印机构负责将扫描到感光鼓上的图文映像转印到打印纸上。,一、激光打印机的工作原理,激光扫描系统工作过程 计算机送来二进制图文点阵信息由接口电路送到字型发生器，产生所需要的二进制脉冲信号，经过频率合成器和功率放大器进行合成、放大后送入光调制器，并对激光束进行调制。调制光再扫描到感光鼓上，这样就完成了整个激光扫描过程。通过控制激光束的有和无，以及激光束的强弱，就可以控制打印的对比度，即所谓的“调制”。再配合感光鼓的转动，形成一幅二维的电子潜像。,二、激光打印机的工作过程,(2)电子成像工作过程 电子成像是将感光鼓

17、上的二维电子潜像经炭粉投影方式显影，然后转印到打印纸上，再经加热加压定影，使粉末状的墨粉微粒熔化渗入纸纤维中，成为永久性的打印输出。整个工作过程可以简单地概括为：充电扫描曝光墨粉显影转印到纸上加热加压定影输出消电清扫剩余墨粉光照再次充电的循环过程。首先，当机械部件开始动作时，感光鼓上方的主电晕中一根屏蔽的钨丝被充电到数千伏的高压，使主电晕产生电晕放电，周围的空气被电离。空气中的负电荷被迁移到感光鼓表面，均匀地分布在鼓的上面，使感光鼓表面充满电荷。然后，调制后的激光束(由激光扫描系统产生)扫描到感光鼓，使布满电荷的感光鼓被激光束照射的部分曝光，从而使感光鼓带有不可视的静电潜像静电电荷阵列。用墨粉

18、对其进行显影，使墨粉附着在静电潜像上。感光鼓再把墨粉图像转印到打印纸上并对其加热加压定影，使其熔化渗入到纸纤维中。这样就把需要打印的文字或图像转印到打印纸上，成为永久性的打印输出。在打印下一幅图文信息之前，要将感光鼓上的剩余电荷及墨粉清除干净。,视频：激光打印机的工作原理,(3)机械系统工作过程 机械系统主要负责打印纸在激光打印机中的传送，此外图像生成也需要机械系统的配合。,激光打印机的发展趋势首先是台式低速打印机向着小型化、高速度和高分辨率方向发展，即打印速度由20页/分提高到5060页/分、分辨率由300dpi提高到1000dpi以上，能够达到标准报刊印刷所要求的分辨率；其次是激光打印机和

19、其他机器相结合，朝兼容、集成化方向发展，如Cannon和Ricon的激光打印机传真机和Ricon公司的激光打印机复印机传真机三合一的机种等；此外，激光打印机的彩色化发展也是一个重要的方向。,三、激光打印机的发展趋势,本课程总结,激光产生的原理激光器的构成、分类和典型激光器激光单元技术（调Q、锁模、稳频）激光技术在生物医学中的应用（激光在眼科、皮肤科、泌尿外科中的应用）激光技术在材料加工中的应用（激光表面改性、激光去除材料技术、激光焊接、激光快速成型）激光技术在精密计量中的应用（激光干涉测长、激光衍射测量、激光测距、激光多普勒测速、激光环境计量）激光技术在信息技术中的应用（激光全息、光纤通信、激光打印）,Thank You for Your Attention！,