激光原理論文范文

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篇1

《激光雷達(dá)技術(shù)原理》以測(cè)量學(xué)和數(shù)據(jù)處理理論和方法為基礎(chǔ)，講授激光雷達(dá)技術(shù)的基本原理和數(shù)據(jù)后處理方法，同時(shí)結(jié)合實(shí)際案例講解激光雷達(dá)技術(shù)在測(cè)繪、地質(zhì)和工程等領(lǐng)域的應(yīng)用前景和亟待解決的問(wèn)題。由于激光雷達(dá)是一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的教材，因此結(jié)合國(guó)際上較為權(quán)威的專(zhuān)著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究和應(yīng)用成果自編了教程，對(duì)學(xué)生采取了“了解—新型傳感器原理”“熟悉—激光掃描儀操作”和“掌握—激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理方法”的教學(xué)模式，以達(dá)到從理論到實(shí)踐的教學(xué)效果。

1．1了解新型傳感器原理

首先，以學(xué)生熟悉的全站儀為對(duì)照，讓學(xué)生了解激光雷達(dá)是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器，具有非接觸式、精度高(毫米級(jí)/亞毫米級(jí))、速度快(可達(dá)120萬(wàn)點(diǎn)/秒)、密度大(點(diǎn)間距可達(dá)毫米級(jí))的優(yōu)勢(shì)，且數(shù)據(jù)采集方式靈活，對(duì)環(huán)境光線、溫度都要求較低。其次，讓學(xué)生理解LiDAR的測(cè)量原理主要分極坐標(biāo)法和三角測(cè)量法兩種。其中，對(duì)于極坐標(biāo)法測(cè)量，使學(xué)生了解測(cè)距的關(guān)鍵在于時(shí)間差的測(cè)定，引出兩種常用的測(cè)時(shí)方法:脈沖法和相位法;讓學(xué)生理解直接測(cè)時(shí)和間接測(cè)時(shí)的區(qū)別以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而進(jìn)一步了解脈沖式和相位式激光掃描設(shè)備的優(yōu)勢(shì)、局限性以及應(yīng)用領(lǐng)域。最后，通過(guò)介紹激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的掃描方式，讓學(xué)生了解不同平臺(tái)上的激光雷達(dá)傳感器的工作特點(diǎn)，如固定式激光掃描儀適合窗口式和全景式掃描，車(chē)載、機(jī)載以及星載平臺(tái)適合移動(dòng)式掃描等。

1．2熟悉激光掃描儀操作

考慮到各類(lèi)平臺(tái)激光雷達(dá)的作業(yè)特點(diǎn)以及現(xiàn)有設(shè)備的情況，《激光雷達(dá)技術(shù)原理》課程以地基三維激光掃描儀為重點(diǎn)，讓學(xué)生熟悉儀器的外業(yè)操作。盡管激光掃描儀數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化程度較高，外業(yè)采集仍然需要解決掃描設(shè)站方案設(shè)計(jì)和不同掃描站間連接點(diǎn)選擇等問(wèn)題，要求學(xué)生在熟悉激光掃描儀軟硬件操作的同時(shí)，還要掌握激光掃描儀外業(yè)采集方案的設(shè)計(jì):踏勘工作區(qū)，分析研究最優(yōu)化的掃描設(shè)站方案和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)選擇，畫(huà)出相關(guān)的設(shè)計(jì)草圖，并設(shè)置主要掃描設(shè)站的標(biāo)志。要求設(shè)站位置既要保證與相鄰站的重疊，又要覆蓋盡量大范圍的被掃描對(duì)象，以減少設(shè)站數(shù)，從而提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率。

1．3掌握激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理方法

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化與點(diǎn)云原始存儲(chǔ)格式之間的明顯反差，讓學(xué)生了解激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理的重要性和難點(diǎn)，及其已成為制約激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用瓶頸的現(xiàn)狀。根據(jù)學(xué)生的理解程度，選取了點(diǎn)云的拼接/配準(zhǔn)、點(diǎn)云的濾波和分類(lèi)、點(diǎn)云的分割和擬合等后處理方法，要求學(xué)生掌握相關(guān)的算法并編程實(shí)現(xiàn)。

1．3．1點(diǎn)云的拼接/配準(zhǔn)點(diǎn)云拼接是將2個(gè)或2個(gè)以上坐標(biāo)系中的大容量三維空間數(shù)據(jù)點(diǎn)集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程。要求學(xué)生掌握如何解決點(diǎn)云拼接的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:同名特征的配準(zhǔn)以及旋轉(zhuǎn)矩陣的構(gòu)造。對(duì)于同名特征的配準(zhǔn)，使學(xué)生了解常用配準(zhǔn)方法的特點(diǎn)和適用范圍，如ICP方法適合用于精拼接，而基于特征面的方法對(duì)場(chǎng)景特征分布要求較高等。著重讓學(xué)生掌握最常用的人工標(biāo)靶識(shí)別，以及特征面匹配，后者有別于學(xué)生所熟知的點(diǎn)特征匹配;對(duì)于旋轉(zhuǎn)矩陣的構(gòu)造，拓展學(xué)生在《攝影測(cè)量學(xué)》［6］中學(xué)習(xí)的基于歐拉角的旋轉(zhuǎn)矩陣構(gòu)造，掌握角－軸轉(zhuǎn)角系和單位四元數(shù)方法。

1．3．2點(diǎn)云的濾波和分類(lèi)要求學(xué)生了解濾波和分類(lèi)的目的是解決激光腳點(diǎn)在三維空間的分布形態(tài)呈現(xiàn)隨機(jī)離散的問(wèn)題。掌握基于高程突變和空間形態(tài)學(xué)的點(diǎn)云濾波和分類(lèi)方法。讓學(xué)生理解單一的信息量會(huì)導(dǎo)致算法不穩(wěn)健，從而引出多源數(shù)據(jù)融合的思路。目前，已經(jīng)有很多激光掃描儀生產(chǎn)廠商推出的新產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了多傳感器平臺(tái)的集成，如激光掃描儀會(huì)搭載小像幅的數(shù)碼相機(jī)，甚至有些系統(tǒng)還提供由集成傳感器生成的紅外影像。每種數(shù)據(jù)源都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性，將多源數(shù)據(jù)融合能夠彌補(bǔ)各個(gè)單數(shù)據(jù)源的局限性，增大信息量，從而提高濾波和分類(lèi)方法的穩(wěn)健性。

1．3．3點(diǎn)云的分割和擬合要求學(xué)生掌握實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分割的相似性原則:平面性、曲面平滑度和鄰域法向，以及常用的點(diǎn)云分割方法表面生長(zhǎng)法。考慮到點(diǎn)云擬合是由離散激光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算特征模型參數(shù)的過(guò)程，要求學(xué)生掌握點(diǎn)云擬合中兩個(gè)主要問(wèn)題的解決方法:粗差剔除及最優(yōu)解獲取。

2實(shí)踐教學(xué)法

實(shí)踐教學(xué)是卓越工程師培養(yǎng)體系中一個(gè)重要的組成部分。作為技術(shù)性的測(cè)繪工程學(xué)科，除應(yīng)用測(cè)量?jī)x器采集數(shù)據(jù)、應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的基本能力外，還需要構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系以培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中選用適當(dāng)?shù)睦碚摗⒓夹g(shù)、儀器設(shè)備和作業(yè)方法解決測(cè)繪工程與地理空間信息產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力，從而使學(xué)生接受測(cè)繪工程與地理空間信息產(chǎn)品生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)施以及實(shí)際應(yīng)用中測(cè)繪工程解決方案確定等系統(tǒng)化訓(xùn)練。《激光雷達(dá)技術(shù)原理》課程實(shí)習(xí)要求學(xué)生全面應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，利用實(shí)習(xí)場(chǎng)地，依據(jù)實(shí)習(xí)目的和要求在老師的指導(dǎo)下分組獨(dú)立完成全部實(shí)習(xí)內(nèi)容。實(shí)習(xí)儀器為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)遙感地理信息工程教研室使用教育部采購(gòu)專(zhuān)項(xiàng)購(gòu)買(mǎi)的RIEGLLMSZ620三維激光掃描儀。《激光雷達(dá)技術(shù)原理》課程實(shí)習(xí)的目的主要是使學(xué)生通過(guò)三維激光掃描儀的使用，進(jìn)一步鞏固和加深理解相關(guān)理論知識(shí)和技術(shù)方法。要求熟悉三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集與處理(包括DEM、等高線和剖面圖生成以及三維建模等)的全過(guò)程。通過(guò)實(shí)踐性教學(xué)，不僅能夠讓學(xué)生掌握基本的軟、硬件使用操作方法和LiDAR測(cè)量項(xiàng)目的作業(yè)流程，而且能夠加深學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的理解。培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力以及嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是、吃苦耐勞、團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。要求學(xué)生必須參加每一個(gè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，協(xié)作完成實(shí)習(xí)任務(wù)，獨(dú)立完成實(shí)習(xí)報(bào)告。實(shí)習(xí)內(nèi)容主要包括以下部分。

2．1三維激光掃描

數(shù)據(jù)的外業(yè)采集要求學(xué)生分組完成測(cè)區(qū)劃分和踏勘，確定測(cè)站位置，根據(jù)測(cè)區(qū)地形，設(shè)計(jì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案，完成外業(yè)設(shè)站、反射標(biāo)靶布設(shè)和數(shù)據(jù)采集工作。學(xué)生需要完成校園內(nèi)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)和奧林匹克森林公園地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。

2．2點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

要求學(xué)生分別利用隨機(jī)軟件RiSCANPRO和上機(jī)C語(yǔ)言編程對(duì)外業(yè)采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波和拼接。

2．2．1點(diǎn)云濾波1)手動(dòng)濾波要求學(xué)生利用RiSCANPRO對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。RiSCANPROv1．7．0有兩種模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者針對(duì)一般數(shù)據(jù)，后者對(duì)于提取地形的數(shù)據(jù)有明顯效果。2)自動(dòng)濾波要求學(xué)生上機(jī)應(yīng)用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法、移動(dòng)窗口濾波法、迭代線性最小二乘內(nèi)插法、基于可靠最小值的濾波方法等常用的地形濾波算法，對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并對(duì)各算法的結(jié)果進(jìn)行比較和分析。圖1為學(xué)生基于虹灣地區(qū)嫦娥一號(hào)激光測(cè)高數(shù)據(jù)，利用五種濾波方法濾波后的數(shù)據(jù)點(diǎn)殘差值分布圖［7］。

2．2．2點(diǎn)云拼接1)基于反射標(biāo)靶的點(diǎn)云拼接要求學(xué)生利用RiSCANPRO軟件，結(jié)合外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)布設(shè)的標(biāo)靶連接點(diǎn)，對(duì)地形和建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接有兩種方式:公共反射體的方式和采用使所有的反射體處于同一坐標(biāo)系統(tǒng)的方式。在實(shí)際操作過(guò)程中，要求學(xué)生對(duì)兩者結(jié)合使用，以期達(dá)到更好的拼接效果。2)基于特征面的點(diǎn)云拼接要求學(xué)生在對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行擬合的基礎(chǔ)上，選取至少三對(duì)相互正交的特征面，利用C語(yǔ)言上機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)基于特征面的點(diǎn)云拼接，并與單純基于點(diǎn)的拼接結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2．2．3地形數(shù)據(jù)處理對(duì)地形數(shù)據(jù)的處理主要包括三角化、平滑、生成等高線和剖面。三角化參數(shù)的設(shè)置可參考量測(cè)工具量測(cè)出的點(diǎn)云中兩點(diǎn)之間的距離初步設(shè)定，這個(gè)值可適當(dāng)調(diào)整，目的在于使圖中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)彼此之間能盡量大面積地構(gòu)成三角網(wǎng);要求學(xué)生對(duì)已經(jīng)完成三角化的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理;針對(duì)已經(jīng)完成平滑的數(shù)據(jù)，利用RiSCANPRO軟件生成等高線。剖面圖的顯示既可以針對(duì)三角化之前的數(shù)據(jù)，也可以針對(duì)三角化之后(包括完成平滑的數(shù)據(jù))來(lái)操作。

2．2．4建筑物幾何模型重建針對(duì)《激光雷達(dá)技術(shù)原理》數(shù)據(jù)處理方法的教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)教師結(jié)合自身的研究成果組織研究生開(kāi)發(fā)了點(diǎn)云分割和擬合以及三維建模等軟件模塊，考慮到學(xué)生的掌握程度和實(shí)用性，要求學(xué)生在利用軟件模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割和擬合的基礎(chǔ)上，利用AutoCAD軟件手工建立建筑物的幾何三維模型，基于3DSMAX軟件建立建筑物紋理模型。圖2為暑期教學(xué)實(shí)習(xí)中指導(dǎo)學(xué)生利用商業(yè)軟件和自主開(kāi)發(fā)的軟件模塊重建的地大校園主要建筑物的三維模型。

3結(jié)束語(yǔ)

篇2

現(xiàn)代等離子體物理第一卷，湍流等離子體物理動(dòng)理學(xué)

數(shù)值相對(duì)論計(jì)算機(jī)求解愛(ài)因斯坦方程

物理學(xué)家的隨機(jī)過(guò)程理解噪聲系統(tǒng)

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利用雙筒望遠(yuǎn)鏡探索太陽(yáng)系的奧秘

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大腦中的語(yǔ)言

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬感知

自然資源保護(hù)與管理中的分子方法

美容的神經(jīng)生物學(xué)

空間認(rèn)知與空間感知

評(píng)估自然資源

多媒體檢索數(shù)據(jù)管理

Event—B語(yǔ)言的建模

算法語(yǔ)言Scheme的第6次修訂報(bào)告

量子計(jì)算中的語(yǔ)義學(xué)技術(shù)

機(jī)械臂的自適應(yīng)控制統(tǒng)一無(wú)回歸矩陣方法

稀疏圖像信號(hào)處理

機(jī)械和電子工程

偉大的工程師們

隨機(jī)調(diào)度

復(fù)值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理

移動(dòng)機(jī)器人分析學(xué)的更多的進(jìn)展 第5屆國(guó)際ISAAC會(huì)議論文集

分析學(xué)的進(jìn)一步進(jìn)展 第6屆國(guó)際ISAAC會(huì)議論文集

線性算子方法 逼近與正則化

2008年Isehia群論會(huì)議文集

應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)的前沿

計(jì)算科學(xué)的最近進(jìn)展

超流宏觀理論

高等凝聚態(tài)物理

量子雜談 微觀世界的魅力

從π介子到夸克 20世紀(jì)50年代的粒子物理學(xué)

非線性振動(dòng)

非線性波

時(shí)間序列分析 社會(huì)科學(xué)家用的全面介紹

時(shí)間，空間，星系與人類(lèi) 關(guān)于宇宙大爆炸的故事

彗星和生命起源

發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸)膨脹宇宙的發(fā)現(xiàn)

環(huán)境科學(xué)中的機(jī)器學(xué)習(xí)方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與核方法

世界上最大的濕地 生態(tài)與保護(hù)

有害污染物的科學(xué)管理

達(dá)爾文的短篇出版物1829—1883

物理生物學(xué) 從原子到醫(yī)學(xué)

達(dá)爾文筆記1836—1844

諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)專(zhuān)題講座2001—2005

陸蟹生物學(xué)

無(wú)標(biāo)記生物傳感技術(shù)以及應(yīng)用

傳感器與微系統(tǒng) 第13屆意大利學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集

傳感器與微系統(tǒng) 第12屆意大利學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集基本泛函分析

物理學(xué)及有關(guān)領(lǐng)域大學(xué)生用數(shù)學(xué)方法

伽羅瓦理論 第二版

變分法中的重積分

數(shù)論概要

解Pell方程

復(fù)雜的非線性 混沌、相變、拓?fù)渥兓吐窂椒e分

量子位勢(shì)論

導(dǎo)電物質(zhì)量子理論 超導(dǎo)

自旋 Poincare研討會(huì)2007

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù)

結(jié)構(gòu)力學(xué)中的混沌

物質(zhì)結(jié)構(gòu)

激光材料加工原理 現(xiàn)代傳熱與傳質(zhì)技術(shù)

超快強(qiáng)激光科學(xué)的進(jìn)展 第四卷

相變材料 科學(xué)和應(yīng)用

分析系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 建模與仿真

微極亞塑性顆粒狀物體中的剪切局部化

天線和望遠(yuǎn)鏡的建模與控制

將無(wú)人飛機(jī)系統(tǒng)集成到國(guó)家空域系統(tǒng)

動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的模型提取 用于移動(dòng)機(jī)器人控制

臨床核磁共振成像及其物理學(xué) 指南

膠原蛋白 結(jié)構(gòu)和力學(xué)

大型渦流模擬的質(zhì)量及可靠性

信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、

移動(dòng)多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)與實(shí)踐

計(jì)算系統(tǒng)中的安全性

篇3

量子力學(xué)的成功和困惑

用宏觀物理學(xué)的方法研究原子的性質(zhì)及其相互作用時(shí)，只能通過(guò)測(cè)量微觀量的平均值，大平均過(guò)程掩蓋了原子水平上的重要效應(yīng)。操控單個(gè)微觀粒子，研究單個(gè)粒子的行為和性質(zhì)以及少數(shù)粒子的相互作用，一直是就是物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的事。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，控制單個(gè)微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術(shù)的發(fā)展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時(shí)間并使激光束聚焦到一個(gè)原子大小的范圍。從這以后，實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法有了極大的發(fā)展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對(duì)零度，就是使它們的運(yùn)動(dòng)速度減到非常小，直至幾乎停止。還實(shí)現(xiàn)了利用特殊的電磁場(chǎng)來(lái)陷俘單個(gè)原子或離子。物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展使研究單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)粒子的性質(zhì)、深入研究光子和物質(zhì)粒子的相互作用有了可能。這不僅打開(kāi)了高科技應(yīng)用的廣闊前景，還為證實(shí)和發(fā)展量子物理學(xué)的基本原理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

量子力學(xué)已有100多年歷史，量子力學(xué)理論取得了輝煌的成功。現(xiàn)代的高科技產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)芯片、激光、醫(yī)用磁共振等等無(wú)不是在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。量子力學(xué)被認(rèn)為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對(duì)量子力學(xué)的基本原理始終存在著疑問(wèn)，那些創(chuàng)立量子力學(xué)的物理大師們自己都不滿(mǎn)意量子力學(xué)的基本假設(shè)。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關(guān)于量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)是否完善的問(wèn)題爭(zhēng)論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒(méi)有得出令人滿(mǎn)意的結(jié)論。

量子力學(xué)描寫(xiě)微觀世界的規(guī)律，但人類(lèi)的直接經(jīng)驗(yàn)都是關(guān)于宏觀世界的。我們的測(cè)量?jī)x器以及人類(lèi)感官本身都是宏觀物體，儀器測(cè)量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經(jīng)典物理學(xué)中，觀察不影響被觀察對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如，我們能夠觀察一個(gè)行星的運(yùn)動(dòng)，追隨它的運(yùn)動(dòng)軌跡，行星的狀態(tài)變化與觀察者無(wú)關(guān)，不受我們觀察的影響。可是，對(duì)微觀世界的觀察就完全不是這樣，當(dāng)我們研究一個(gè)量子體系時(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)量后的量子體系原來(lái)的狀態(tài)總是被破壞了。例如，光子進(jìn)入光電探測(cè)器后，光子就被吸收；電子被探測(cè)器件接收后，該電子原來(lái)的狀態(tài)就改變了。宏觀儀器對(duì)量子系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果，都必須轉(zhuǎn)換為經(jīng)典物理學(xué)的語(yǔ)言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測(cè)量量子體系的量子性質(zhì)是難以做到的事情，所以，量子力學(xué)所預(yù)言的量子世界的奇特性質(zhì)一直令物理學(xué)家和公眾感到神秘難解。

2012年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者和他們的同事們的工作，突破了經(jīng)典物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和人類(lèi)直接經(jīng)驗(yàn)的限制，他們直接觀察到了個(gè)別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場(chǎng)中陷俘離子，用光子對(duì)它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個(gè)光子，用原子進(jìn)行非破壞性的測(cè)量。他們異曲同工，都對(duì)單個(gè)量子粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究量子力學(xué)的基本原理。這些研究不僅對(duì)量子理論的基本原理的進(jìn)一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應(yīng)用前景。

阿羅什：把光子囚禁起來(lái)

阿羅什畢業(yè)于法國(guó)高等師范學(xué)校。1971年他在巴黎第六大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始阿羅什就在法國(guó)高等師范學(xué)校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實(shí)驗(yàn)室是以獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國(guó)斯坦福大學(xué)，在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者肖洛的實(shí)驗(yàn)室中工作。

阿羅什說(shuō)，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室特有的學(xué)術(shù)環(huán)境和物質(zhì)條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識(shí)和技能傳授給一代又一代的學(xué)生。阿羅什還說(shuō)，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準(zhǔn)備新課的過(guò)程中他注意到了光和物質(zhì)相互作用的不同方面。阿羅什認(rèn)為，國(guó)際交流學(xué)者參加研究不僅帶來(lái)專(zhuān)門(mén)的知識(shí)和技能，也帶來(lái)不同的科學(xué)文化以補(bǔ)充他們自身的不足。他覺(jué)得幸運(yùn)的是，在長(zhǎng)期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強(qiáng)地提出可能的應(yīng)用前景作為依據(jù)。

阿羅什小組的主要成就是發(fā)展了非破壞性的方法檢測(cè)單個(gè)光子。用通常的方法檢測(cè)光子，都是吸收光子并把它轉(zhuǎn)換為電流（光電探測(cè)器）或轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量（照相底片）（動(dòng)物的眼睛是將光子轉(zhuǎn)化為神經(jīng)的電脈沖的）。總之，光子被測(cè)量到后立即消失。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，雖然人類(lèi)發(fā)展出了量子非破壞性測(cè)量，但這些測(cè)量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復(fù)測(cè)量記錄同一個(gè)光子。

光的速度非常快，達(dá)每秒30萬(wàn)公里，所以要控制、測(cè)量單個(gè)光子，必須將光子關(guān)閉在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)，并使其在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不逃逸或被吸收。阿羅什小組實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導(dǎo)材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個(gè)納米（1納米=100萬(wàn)分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機(jī)會(huì)非常小。空腔由兩個(gè)凹面鏡相對(duì)安放組成，鏡間距離27毫米。整個(gè)設(shè)備安置在絕對(duì)溫度1度以下的環(huán)境中。一個(gè)微波光子在腔中停留時(shí)間可達(dá)十分之一秒，即在兩面鏡子之間來(lái)回反射10 億次以上，差不多相當(dāng)于繞地球一周。可以說(shuō)阿羅什小組創(chuàng)造了限制在很小的有限體積內(nèi)的光子壽命的世界紀(jì)錄。

阿羅什小組的另一項(xiàng)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)是利用利用里德伯原子作為探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)非破壞性測(cè)量單個(gè)光子。所謂里德伯原子，是激發(fā)到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數(shù)37）原子，把它的價(jià)電子激發(fā)到第50層的圓形軌道上（主量子數(shù)n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發(fā)射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據(jù)的最外層軌道為n=5；當(dāng)它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時(shí)，原子的半徑達(dá)到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個(gè)很大的無(wú)線電天線，容易和電磁場(chǎng)相互作用。

瓦因蘭德：讓離子停下來(lái)

瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業(yè)于美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校；1970年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導(dǎo)師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學(xué)，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發(fā)表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關(guān)激光致冷的開(kāi)創(chuàng)性論文，被學(xué)術(shù)界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。

1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國(guó)商業(yè)部的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所工作。在那里，他創(chuàng)建了儲(chǔ)存離子研究小組。在過(guò)去多年的工作中，他做出了多項(xiàng)世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他是15年來(lái)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所第四位獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子計(jì)算機(jī)的建議方法有多種，許多科學(xué)家正在對(duì)不同的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個(gè)電極組合產(chǎn)生特定的電場(chǎng)，形成陷阱，將汞的一價(jià)離子限制在三個(gè)電極組成的空間中。三個(gè)電極包括兩端各有一個(gè)相對(duì)的電極和一個(gè)環(huán)形電極，離子由激光束控制。

在常溫下，原子運(yùn)動(dòng)的平均速度為每秒數(shù)百米，以這種速度運(yùn)動(dòng)的離子會(huì)立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場(chǎng)陷阱中，離子的運(yùn)動(dòng)速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運(yùn)動(dòng)速度才能變得很小。可以利用激光使離子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態(tài)。將特定頻率的激光束對(duì)著原子或離子射來(lái)的方向照射時(shí)，原子在迎面射來(lái)的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來(lái)。當(dāng)然，原子或離子吸收了光子又要再把它發(fā)射出去，發(fā)射光子時(shí)原子也要受到反沖。但原子或離子發(fā)射光子的方向是隨機(jī)的，各種方向都有，結(jié)果反沖效應(yīng)平均為零，只有迎面射來(lái)的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經(jīng)很小的離子在陷阱中受電場(chǎng)的作用，還在以一定的頻率振動(dòng)，這種振動(dòng)的能量和離子內(nèi)部的能量狀態(tài)耦合起來(lái)，形成復(fù)雜的能級(jí)。在適當(dāng)頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來(lái)內(nèi)部能量最低的狀態(tài)，同時(shí)帶動(dòng)離子振動(dòng)能量的變化。在適當(dāng)控制的條件下，重復(fù)這樣的過(guò)程，就可以使離子振動(dòng)能量逐步減少，直到振動(dòng)能量達(dá)到最低的量子狀態(tài)，離子近于完全停止。這時(shí)，離子就可以隨意操控了。

瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個(gè)量子可控非門(mén)（Controlled NOT）。當(dāng)然可控非門(mén)只是最簡(jiǎn)單的量子計(jì)算機(jī)的元件，一臺(tái)能工作的計(jì)算機(jī)需要多得多的元件，離制成實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還非常遙遠(yuǎn)。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內(nèi)的許多科學(xué)家正積極研究，攻克難關(guān)，希望在本世紀(jì)內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)研制成功。

瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當(dāng)今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理，如進(jìn)行“薛定諤貓”的實(shí)驗(yàn)。

不為盛名所惑

阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實(shí)驗(yàn)室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩(wěn)定的研究小組，還有許多優(yōu)秀的學(xué)生和合作者，其中包括外國(guó)的訪問(wèn)學(xué)者。在他們的諾貝爾獎(jiǎng)報(bào)告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關(guān)系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學(xué)生、博士后和訪問(wèn)學(xué)者也做出了貢獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)成績(jī)是大家努力的結(jié)果。

瓦因蘭德和阿羅什也有一點(diǎn)很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒(méi)有非常明確的應(yīng)用目標(biāo)，雖然他知道自己的研究成果肯定有長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室也沒(méi)有要求其研究一開(kāi)始就必須有明確的應(yīng)用目的。不過(guò)，即使在法國(guó)高等師范學(xué)校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學(xué)家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所本身就具有明確的實(shí)用目標(biāo)：促進(jìn)美國(guó)的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力，開(kāi)創(chuàng)新的測(cè)量科學(xué)，推進(jìn)美國(guó)的技術(shù)水平。該研究所的研究都是目標(biāo)長(zhǎng)遠(yuǎn)，技術(shù)含量高，能在世界上領(lǐng)先的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目實(shí)際上都是結(jié)合遠(yuǎn)期應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究。

瓦因蘭德和阿羅什還有一個(gè)共同點(diǎn)，就是除了做研究以外，都在大學(xué)教課。阿羅什認(rèn)為備課的過(guò)程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學(xué)生的角度來(lái)看，能聽(tīng)到優(yōu)秀的科學(xué)家講課，和他們直接交流，不僅能學(xué)到當(dāng)今前沿的科學(xué)知識(shí)，還可以學(xué)習(xí)到優(yōu)秀科學(xué)家的治學(xué)精神和思想方法。

榮摘諾獎(jiǎng)桂冠是否改變了科學(xué)家本人的生活呢？據(jù)英國(guó)廣播公司（BBC）在線版消息稱(chēng)，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會(huì)告知自己獲獎(jiǎng)的消息。

“我很幸運(yùn)，”阿羅什說(shuō)，但他指的并不是自己得獎(jiǎng)這回事，“（接到來(lái)電時(shí)）我正在一條街上，旁邊就有個(gè)長(zhǎng)椅，所以我第一時(shí)間就坐了下來(lái)。”他形容那一刻的心情，“當(dāng)我看到是瑞典的來(lái)電區(qū)號(hào)，我意識(shí)到這是真實(shí)的，那種感覺(jué)，你知道，真是勢(shì)不可擋。”

不過(guò)據(jù)諾獎(jiǎng)官網(wǎng)的推特稱(chēng)，阿羅什接到獲獎(jiǎng)的確切消息后，打了個(gè)電話(huà)給自己的孩子，然后開(kāi)了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實(shí)驗(yàn)室工作去了。

（作者單位：復(fù)旦大學(xué)物理系）

阿羅什小組設(shè)備示意圖

篇4

論文摘要：回顧了全息術(shù)的歷史，闡述了全息術(shù)的基本原理，然后介紹了全息術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用及其發(fā)展方向。

我們看到的世界是三維的、彩色的，這是因?yàn)槊總€(gè)物體發(fā)射的光被人眼接受時(shí)，光的強(qiáng)弱、射向和距離、顏色都不同。從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)看，是由于各物體發(fā)射的特定的光波不同，光的特征主要取決于光波的振幅(強(qiáng)弱)，位相(同相面形狀)和波長(zhǎng)(顏色)。如果能得到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三維像，這就是全息術(shù)。全息術(shù)誕生到現(xiàn)在60年來(lái)取得了很大的進(jìn)展，已被廣泛地應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中。

1全息術(shù)的歷史和發(fā)展階段

1948年，丹尼斯·蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法，隨后用實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一想法，即全息術(shù)，并制成世界上第一張全息圖。蓋伯本來(lái)是為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的設(shè)想，雖然未能用電子波證實(shí)其原理，但用可見(jiàn)光證實(shí)了。從第一張全息照片制成到20世紀(jì)50年代末期，全息圖制作具有以下共同特點(diǎn)：全息圖都是用汞燈作為光源；而且是所謂同軸全息圖，即物光和參考光在一條光路上得到的全息圖。這一時(shí)期的全息圖被稱(chēng)為第一代全息圖，標(biāo)志著全息術(shù)的萌芽。第一代全息圖存在兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，一個(gè)是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開(kāi)，另一個(gè)是光源的相干性太差。因此在這十多年中，全息術(shù)進(jìn)展緩慢。

1960年激光的出現(xiàn)，提供了一種高相干度光源，為全息技術(shù)發(fā)展提供了可能。針對(duì)第一代全息技術(shù)出現(xiàn)的問(wèn)題，利思和烏帕特尼克斯(1962)提出，將通信理論中的載頻概念推廣到空域中，用離軸的參考光與物光干涉形成全息圖，再利用離軸的參考光照射全息圖，使全息圖產(chǎn)生三個(gè)在空間互相分離的衍射分量，其中一個(gè)復(fù)制出原始物光。該方法被稱(chēng)為離軸全息術(shù)，這是全息術(shù)發(fā)展的第二階段。第二代全息術(shù)解決了光源的問(wèn)題，并且在立體成像、干涉計(jì)量檢測(cè)、信息存貯等應(yīng)用領(lǐng)域中獲得巨大進(jìn)展，但是激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息。

科學(xué)家們開(kāi)始致力于研究第三代全息圖到。這是用激光記錄，而用白光再現(xiàn)的全息圖，在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。第三代全息術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域的到了應(yīng)用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模壓全息等。

激光的高度相干性，要求全息拍攝過(guò)程中各個(gè)元件、光源和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置嚴(yán)格保持不變，這也給全息技術(shù)的實(shí)際使用帶來(lái)了種種不便。于是，科學(xué)家們又回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)探討白光記錄的可能性。第四代全息圖應(yīng)該是白光記錄白光再現(xiàn)的全息圖，它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺(tái)的黑暗實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入更加廣泛的實(shí)用領(lǐng)域。

2全息術(shù)的基本原理和特點(diǎn)

全息術(shù)是一種“無(wú)透鏡”的兩步成像法，它能在感光膠片上同時(shí)記錄物體的全部信息，即物體光的振幅和位相。全息照相過(guò)程分全息記錄和再現(xiàn)兩步：第一步稱(chēng)為波前記錄(全息記錄)；第二步物體的再現(xiàn)(重現(xiàn))。

波前記錄依據(jù)的是干涉原理，物光波和參考光波相干疊加而產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的反襯度記錄了物光波前的振幅分布，干涉條紋的幾何特征(包括形狀、間距、位置)記錄了物光波前的位相分布。就是說(shuō)，全息圖上的強(qiáng)度分布記錄了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它們分別反映了物體的明暗和縱深位置等方面的特征。應(yīng)當(dāng)指出，任何感光底片都只能記錄振幅(或者說(shuō)強(qiáng)度)的分布，而不能直接記錄位相分布，全息照相之所以能記錄位相分布，是利用了參考光波把它轉(zhuǎn)化成了干涉條紋的強(qiáng)度分布。假如沒(méi)有參考光波，或者它與物光波不相干，波前上的位相分布是不可能記錄下來(lái)的。

波前再現(xiàn)的理論依據(jù)是衍射原理，照明光波(再現(xiàn)光)經(jīng)過(guò)全息圖衍射后出現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的光波場(chǎng)。全息圖的衍射波含有三種主要成分，即物光波(+1級(jí)衍射波)，物光波的共軛波(-1級(jí)衍射波)，照明光波的照直前進(jìn)(零級(jí)衍射波)。在現(xiàn)代記錄和重現(xiàn)的全息照相裝置中，這三種衍射波在空間彼此分離，互不干擾，便于人們用眼睛或鏡頭去觀測(cè)物光波的虛像或其共軛波的實(shí)像。

全息術(shù)的原理決定了它所記錄的全息圖有下列特點(diǎn)：

(1)三維性——因?yàn)槿D記錄了物光的相位信息，圖像具有顯著的視差特性，可以看到逼真的三維圖像。

(2)不可撕毀性——因?yàn)槿D記錄的是物光與參考光的干涉條紋，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再現(xiàn)完整的被攝物形象，只是分辨率受到一些影響。

(3)信息容量大——同一張全息感光板可多次重復(fù)曝光記錄，并能互不干擾地再現(xiàn)各個(gè)不同的圖像。

(4)全息圖的再現(xiàn)相可放大或縮小——因?yàn)檠苌浣桥c波長(zhǎng)有關(guān)，用不同波長(zhǎng)的激光照射全息圖，再現(xiàn)相就會(huì)發(fā)生放大或縮小。

3全息術(shù)的主要應(yīng)用及其發(fā)展方向

全息術(shù)經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，已與計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)以及非線性光學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，成為一種高新技術(shù)，擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、裝飾、包裝、印刷等領(lǐng)域，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家還興起了全息產(chǎn)業(yè)，并且正在形成日益廣闊的市場(chǎng)，實(shí)用前景非常可觀。本文介紹全息術(shù)中幾個(gè)應(yīng)用較為廣泛、產(chǎn)業(yè)化較成熟的領(lǐng)域并說(shuō)明其發(fā)展方向。

3.1全息存儲(chǔ)

全息存儲(chǔ)是依據(jù)全息術(shù)的原理，將信息以全息照相的方式存儲(chǔ)起來(lái)，它利用兩個(gè)光波之間的耦合和解耦合，可以把信息存儲(chǔ)和信息之間的比較(相關(guān))、識(shí)別，甚至聯(lián)想的功能結(jié)合起來(lái)，也就是可以把信息存儲(chǔ)和信息處理結(jié)合起來(lái)。用于全息信息存儲(chǔ)的記錄介質(zhì)較多，可永久保存信息的全息圖用銀鹽干板、銀鹽非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蝕劑等；可擦除重復(fù)使用的實(shí)時(shí)記錄材料有光導(dǎo)熱塑料、有機(jī)或無(wú)機(jī)光折變材料等。全息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容量方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，原因是：

(1)全息存儲(chǔ)具有存儲(chǔ)容量大的優(yōu)勢(shì)。用感光干板作為普通照相記錄信息時(shí)，信息存儲(chǔ)密度的數(shù)量級(jí)一般為105bit/mm2；用平面全息圖存儲(chǔ)信息時(shí)，存儲(chǔ)密度一般可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)106bit/mm2；如果用體全息圖存儲(chǔ)信息時(shí)，存儲(chǔ)密度可高達(dá)1013bit/mm2。

(2)全息存儲(chǔ)具有極大的冗余性，存儲(chǔ)介質(zhì)的局部缺陷和損傷不會(huì)引起信息丟失。

(3)全息存儲(chǔ)具有讀取速率高和能并行讀取的特點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)可包含達(dá)1Mbit的信息，寫(xiě)人一頁(yè)的時(shí)間在100ms左右，讀信息的時(shí)間可以小于100μs，而磁盤(pán)的尋址時(shí)間至少需要10ms。

當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)掀起了全息存儲(chǔ)研究的熱潮，并取得很大的進(jìn)展，其主要表現(xiàn)在：

(1)存儲(chǔ)容量迅速提高和性能不斷改善，并逐步走向?qū)嵱没＠纾?994年美國(guó)加州理工學(xué)院在1cm3摻鐵妮酸銼晶體中記錄了1000幅全息圖，同年，斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組把經(jīng)壓縮的數(shù)字化圖像視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)全息存儲(chǔ)器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)而圖像質(zhì)量無(wú)顯著下降。1999年美國(guó)加州理工大學(xué)利用空-角復(fù)用技術(shù)，在同一塊在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲(chǔ)了26000幅全息圖。北京清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)了在摻鐵妮酸鏗晶體中的同一空間位置記錄1500幅全息圖，并研制了具有緊湊結(jié)構(gòu)的靈巧型全息存儲(chǔ)裝置。

(2)實(shí)用化的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)逐漸推出。例如，1995年由美國(guó)政府高級(jí)研究項(xiàng)目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大學(xué)等聯(lián)合成立了協(xié)作組織并在美國(guó)國(guó)家存儲(chǔ)工業(yè)聯(lián)合會(huì)(NS1C)支持下川，投資約7000萬(wàn)美元，實(shí)施了光折變信息存儲(chǔ)材料(PRISM)和全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)(HDSS)項(xiàng)目，預(yù)期在5年內(nèi)開(kāi)發(fā)出具有容量為1Tbit數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)速率為1000MB/s的一次寫(xiě)人或重復(fù)寫(xiě)人的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。同樣的研究在法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家也正在加緊進(jìn)行。

近幾年來(lái)，光電子技術(shù)和器件取得了系列重大進(jìn)展，為全息存儲(chǔ)器提供了所必要的高性能半導(dǎo)體激光器、液晶空間光調(diào)制器、CCD陣列探測(cè)器等核心元器件，全息存儲(chǔ)的理論和方法的發(fā)展使這項(xiàng)技術(shù)日趨成熟然而，美中不足的是全息圖的壽命問(wèn)題尚待解決，雖然張澤明、謝敬輝等對(duì)Ce：Fe：LiNbO3晶體的全息存儲(chǔ)和熱定影進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，從方法上給出了記錄角度越大，光柵周期越小，熱定影所需最小離子數(shù)密度越高，存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體性能越好，但是目前還未解決的一個(gè)難題是尋找合適的記錄材料。無(wú)疑，這將成為全息存儲(chǔ)界研究的熱門(mén)課題。

3.2顯示全息

顯示全息技術(shù)是在激光透射全息圖的基礎(chǔ)上來(lái)制作各種類(lèi)型的全息圖，如白光反射全息圖、白光透射全息圖等，各種類(lèi)型的顯示全息圖可用于舞臺(tái)布景、建筑、室內(nèi)裝飾、投影等；再如，以動(dòng)態(tài)顯示的全息技術(shù)、層面X射線照相術(shù)、3DCAD技術(shù)、3D動(dòng)畫(huà)片、雷達(dá)顯示、導(dǎo)向和模擬系統(tǒng)等，每3年一次的顯示全息國(guó)際會(huì)議上都有全息界泰斗展出令人吃驚的全息圖，它們充分展示了全息技術(shù)創(chuàng)造性的魅力和藝術(shù)的美。

顯示全息目前主要有兩大類(lèi)：第一類(lèi)是Lippmann全息圖，制作方法有Denisyuk的單光束法和Benton的開(kāi)窗法。第二類(lèi)是S.A.Benton的彩虹全息圖，這是一種透射式顯示全息圖，可在白光照明下再現(xiàn)立體圖像，且圖像的顏色隨觀察的位置的變化而變化，從紅到紫如雨后彩虹而得名。隨著高質(zhì)量記錄材料的發(fā)展，隨后的一些研究者和藝術(shù)家不斷追求更實(shí)用的拍攝技術(shù)，如假彩色編碼和真彩色反射全息圖等。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主辦的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世紀(jì)80年代都有關(guān)于這方面的論文報(bào)道。由SPIE主辦的《Holosphere》和美國(guó)全息制造商協(xié)會(huì)主辦的《HolographyNews》以往和近年都不斷地報(bào)道有關(guān)顯示全息圖的最新制作技術(shù)和商業(yè)信息。但從這些報(bào)道情況來(lái)看，顯示全息存在不足主要表現(xiàn)在：

(1)視角范圍、圖像體積有限；

(2)沒(méi)有獲得特別有效的全息圖的計(jì)算方法；

(3)由于全息計(jì)算數(shù)量巨大，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)顯示異常困難。克服以上不足，將可能成為顯示全息研究的幾個(gè)熱點(diǎn)。

近年來(lái)，顯示全息技術(shù)掀起一場(chǎng)數(shù)字化變革，數(shù)字合成全息技術(shù)為全息三維顯示開(kāi)辟了前所未有的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高和高分辨空間調(diào)制器件的發(fā)展，利用顯示全息的大視場(chǎng)、大景深、全視差、真彩色、可拼裝、價(jià)格低廉等特性，在不久的將來(lái)開(kāi)發(fā)出真正意義的全息電影和全息電視，為顯示全息技術(shù)創(chuàng)造良好的商業(yè)前景。

3.3模壓全息

模壓全息是1979年RCA公司為解決視頻標(biāo)準(zhǔn)件的全息拷貝而提出的，它是將全息術(shù)和電鍍、壓印技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使全息圖的制作產(chǎn)業(yè)化，用白光再現(xiàn)時(shí)，可得到色彩鮮艷逼真的三維圖像，并可通過(guò)印刷方式大批量生產(chǎn)，使得它在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，以商品形式走向市場(chǎng)。模壓全息的制作主要分為三個(gè)階段：激光攝制原片全息圖；電成型制金屬模板；模壓復(fù)制。這三個(gè)階段生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求都比較高，因此，模壓全息作為安全防偽首當(dāng)其沖，是安全防偽技術(shù)的一個(gè)里程碑。正如全息圖的新奇性、強(qiáng)烈的視角效果、制作的難度以及易于應(yīng)用在鈔票的包裝上，不能去除性、價(jià)格低廉、容易驗(yàn)證等特點(diǎn)，使它很快占領(lǐng)了防偽領(lǐng)域。模壓全息是一種技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合的高科技產(chǎn)品，無(wú)論在高檔商品促銷(xiāo)、名優(yōu)商品的防假冒或在有價(jià)證券(如信用卡、鈔票、護(hù)照簽證)的防偽和加密以及圖書(shū)、印刷、印染、裝磺、紀(jì)念郵票和廣告標(biāo)牌等都有采用模壓全息技術(shù)，并備受使用者青睞。

模壓全息出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，80年代中期已形成了一種產(chǎn)業(yè)，90年代達(dá)到了鼎盛時(shí)期。本世紀(jì)初，隨著防偽技術(shù)要求的不斷提高，模壓全息技術(shù)又有了新的突破：美國(guó)斑馬圖像公司推出了二維圖像的數(shù)字化采集和拍攝技術(shù)；2003年，蘇州大學(xué)研制成功并已批量生產(chǎn)“數(shù)碼激光全息照排系統(tǒng)”；同年，倪星元、張志華等成功研制了可替代傳統(tǒng)鍍鋁防偽薄膜的透明TiO2激光全息防偽薄膜。這些模壓全息的一個(gè)個(gè)技術(shù)突破，使防偽功能有了提高，讓激光全息防偽技術(shù)達(dá)到新的境界。

模壓全息產(chǎn)業(yè)在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展速度迅猛，目前國(guó)內(nèi)已有100多條模壓全息生產(chǎn)線。為了使模壓全息技術(shù)健康發(fā)展，我國(guó)模壓全息產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須在三個(gè)方向上引起重視：首先是開(kāi)拓全息燙金材料，取代金膜和銀膜，其次開(kāi)發(fā)全息包裝材料，實(shí)現(xiàn)立體防偽包裝，第三個(gè)方向是模壓全息技術(shù)和現(xiàn)代印刷術(shù)相結(jié)合，體現(xiàn)傳統(tǒng)的美術(shù)效果和現(xiàn)代科技的藝術(shù)魅力。

3.4全息干涉計(jì)量

全息干涉計(jì)量術(shù)是將不同物光，在不同的時(shí)間記錄在同一張全息干板上，然后利用全息術(shù)的空間波前再現(xiàn)原理，非接觸地對(duì)物體表面進(jìn)行三維測(cè)量而獲得信息。全息干涉計(jì)量術(shù)是全息應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它能實(shí)現(xiàn)高精度非接觸性無(wú)損測(cè)量，比一般光學(xué)干涉計(jì)量有很多優(yōu)點(diǎn)。一般光學(xué)計(jì)量只能測(cè)量形狀比較簡(jiǎn)單、表面光度很高的零部件，而全息計(jì)量方法則能對(duì)任意形狀、任意粗糙表面的物體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為光波波長(zhǎng)λ的數(shù)量級(jí)。目前，全息干涉計(jì)量術(shù)在方法上先后發(fā)展了實(shí)時(shí)全息干涉法(單次曝光法)、二次曝光全息干涉法、時(shí)間平均全息干涉法、雙波長(zhǎng)干涉法以及雙脈沖頻閃全息干涉法，此外，J.A.Leendertz開(kāi)辟了全息干涉計(jì)量術(shù)的另一個(gè)新的分支-激光斑紋計(jì)量術(shù)。隨著光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、CCD器件及光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，使得全息干涉計(jì)量技術(shù)在信息采集和處理上更為方便、快捷和可靠，并得以在惡劣環(huán)境條件下對(duì)某些物理量進(jìn)行定時(shí)測(cè)量。再加之相移技術(shù)、外差技術(shù)和鎖相技術(shù)等，可使測(cè)量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉計(jì)量在20世紀(jì)80年代美國(guó)等西方先進(jìn)國(guó)家已產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)在20世紀(jì)80年代初有幾所大學(xué)和科研單位的研究項(xiàng)目通過(guò)鑒定，其中有些達(dá)到當(dāng)時(shí)的先進(jìn)水平。經(jīng)過(guò)近幾年的開(kāi)發(fā)和研制，我國(guó)在全息干涉計(jì)量測(cè)試設(shè)備方面主要發(fā)展有：

(1)用于測(cè)試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧化特性的YSCI型離子瞬態(tài)激光全息測(cè)試儀；

(2)用于激光熱核聚變稠密等離子體電子密度測(cè)量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外線激光全息探測(cè)儀；

(3)包括記錄、再現(xiàn)、圖像處理三部分的瞬態(tài)激光全息干涉計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)；

篇5

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篇6

關(guān)鍵詞：相干群振蕩，級(jí)聯(lián)裝置，光學(xué)濾波，偏振旋轉(zhuǎn)

 

(一) 引言

從慢速光的發(fā)展起，關(guān)于光的相關(guān)研究日益涌現(xiàn)，隨后我們探索了很多不同的物理計(jì)劃和媒介，并通過(guò)對(duì)光和物質(zhì)相互作用的基本特性的更進(jìn)一步的理解，以及利用這些相互作用應(yīng)用到各個(gè)方面的可能性的增加，從而激發(fā)人們研究光速控制問(wèn)題的興趣。畢業(yè)論文，相干群振蕩。更為特別的是，已經(jīng)有人建議將慢速光效應(yīng)應(yīng)用到光的緩沖上來(lái)[2]，但也有人指出，在可以實(shí)現(xiàn)的延遲時(shí)間和可以容納的帶寬之間的反映問(wèn)題上，基本物理極限是有折衷的[3]。有兩個(gè)例子可以說(shuō)明，一個(gè)是對(duì)光饋相控天線陣的控制及合成，另一個(gè)是對(duì)微波濾波器的控制。對(duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，我們特別感興趣的是，通過(guò)使用這種媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)廉價(jià)和小型設(shè)備的認(rèn)識(shí)，并允許這些設(shè)備其他功能的集成。因此，那些以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的設(shè)備尤其受到人們的關(guān)注。并且，在這些設(shè)備結(jié)構(gòu)里慢速和快速光效應(yīng)的研究上，人們已經(jīng)做了很多工作。但不幸的是，半導(dǎo)體材料中的電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象是很難被人們所認(rèn)識(shí)的[1]。因此，移相的時(shí)間很短，而離散層次結(jié)構(gòu)（它對(duì)于實(shí)施電磁感應(yīng)透明的計(jì)劃是必要的）可以通過(guò)利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)來(lái)被人們所認(rèn)識(shí)。利用現(xiàn)如今的技術(shù)所獲得的大小波動(dòng)，將導(dǎo)致這種不均勻的擴(kuò)大，從而減弱其影響[2]。畢業(yè)論文，相干群振蕩。相反，人紅寶石晶體所表現(xiàn)出的振蕩效果（CPO），已經(jīng)被不同的組數(shù)利用，以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體波導(dǎo)光中的光速控制[6-15]。從最近的評(píng)論來(lái)看，本文重新認(rèn)識(shí)了CPO的物理效應(yīng)，并強(qiáng)調(diào)了提高相移和頻率范圍的不同計(jì)劃。

(二) 慢速光的基本原理

連續(xù)波（CW）光束在折射率為n的介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度v =c / n，其中C是真空中的光速。折射率n與該介質(zhì)中的相對(duì)介電常數(shù)通過(guò)等式相互聯(lián)系起來(lái)。如果信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間而變化，即信號(hào)的頻譜具有有限的寬度，那么強(qiáng)度調(diào)制的傳播速度由群速度所給定，有如下等式:

（1）

其中，Ng表示的是群折射率而w是光的頻率。

因此，可以看出，群速度隨媒質(zhì)和頻率中相速度的不同而不同，其中的折射率與頻率方面存在一階非零的的導(dǎo)數(shù)。如果光的強(qiáng)度被調(diào)制了（例如正弦調(diào)制），那么群速度由通過(guò)設(shè)備傳輸強(qiáng)度模式的速度所描述。在討論光的放緩問(wèn)題的時(shí)候，我們感興趣的是由媒質(zhì)分散所導(dǎo)出的方程組（1）式，既然群折射率的這一部分可能因此而被改變，它就使我們能夠控制光的速度。

(三) 相干群振蕩（CPO）

CPO所產(chǎn)生的效應(yīng)依賴(lài)于能夠激發(fā)半導(dǎo)體的外部激光束，它導(dǎo)致了在半導(dǎo)體中載波分配的調(diào)制以及隨后折射率的分散和改變。畢業(yè)論文，相干群振蕩。在一般情況下，該效應(yīng)可以通過(guò)建立在四波混頻（FWM）理論的頻率域來(lái)分析。然而，在實(shí)際情況下，重要的外部信號(hào)是由調(diào)制激光束的強(qiáng)度產(chǎn)生的，在動(dòng)態(tài)折射率可以忽略的情況下，該效應(yīng)可以由時(shí)域中的飽和作用來(lái)解釋[9]。畢業(yè)論文，相干群振蕩。在波導(dǎo)吸收的理論下（也就是說(shuō)，存在一個(gè)電子吸收（EA）），CPO效應(yīng)導(dǎo)致了慢速光的產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)于相位的延遲，波導(dǎo)的放大，而半導(dǎo)體光放大器（SOA）導(dǎo)致快速光的產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)于相位的超前。在這兩種情況下，飽和功率和有效載體的周期就分別是功率分配和頻率獨(dú)立性的重要特征。根據(jù)激光束和調(diào)制頻率之間的頻率的不同，載波分配的不同動(dòng)態(tài)效應(yīng)就顯得尤為重要。活性層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（即散裝或低維度）會(huì)因此成為影響快速和慢速光行為特征的因素。

(四) 級(jí)聯(lián)裝置

既然電子吸收（EA）結(jié)構(gòu)顯示出的壽命要比半導(dǎo)體光放大器（SOA）結(jié)構(gòu)顯示出的壽命短得多（因?yàn)镾OA存在多載波掃頻），那么電子吸收（EA）就成為高頻率應(yīng)用的最佳選擇。但另一方面，這種吸收限制了傳播力度。解決該問(wèn)題的一個(gè)辦法是將上述兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合，這是因?yàn)椋煌姆磻?yīng)能夠受益于EA部分的慢速光效應(yīng)，而從SOA部分獲得增益，并且沒(méi)有快速光在該部分的抵消作用[11]。此外，通過(guò)連接幾個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)，可以增加總微波的相位延遲[12]。畢業(yè)論文，相干群振蕩。圖1顯示出了照片，并編制了一個(gè)多部分的設(shè)備原理圖和相對(duì)應(yīng)相位變化的測(cè)量。

在等高線圖中，它作為輸入光的強(qiáng)度和反向偏置的功能圖。根據(jù)圖中所顯示的，要控制光放緩的程度是可能的，要么通過(guò)反向電偏移，要么通過(guò)光纖輸入光信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于固定反向偏置，我們觀察到一個(gè)最佳的強(qiáng)度，這是由于誘導(dǎo)輸入信號(hào)的飽和度和觀察固定光學(xué)輸入強(qiáng)度

的最佳反向偏置[5]，這也反映了增加電壓有源區(qū)跌幅的載波掃出時(shí)間[9]。在這種特殊情況下，對(duì)于SOA部分的固定電流和EA部分的反向電壓來(lái)說(shuō)，我們能夠獲得大約140度的最高相位變化。如果電氣偏移允許我們改變反向偏置，絕對(duì)相位的變化可能獲得進(jìn)一步增加，最近，這一結(jié)論被一個(gè)獨(dú)立部分的波導(dǎo)所論證[13]。

Figure 1.

(五) 光學(xué)濾波

人們已經(jīng)證明，對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制來(lái)說(shuō)，比如雙邊帶，輸入信號(hào)的相移只取決于動(dòng)態(tài)增益[9，10]。然而，折射率的調(diào)制可以通過(guò)演示光學(xué)過(guò)濾前檢測(cè)來(lái)增加相移（即調(diào)制一個(gè)非零線寬增強(qiáng)因子）[14]。該實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，波長(zhǎng)為1539.46nm的激光被網(wǎng)絡(luò)分析儀所調(diào)制，它通過(guò)一個(gè)推拉式的Mach-Zehnder強(qiáng)度調(diào)制器（MZM）生成了兩個(gè)邊帶（紅移邊帶，藍(lán)移邊帶），并伴隨有強(qiáng)大的載體,其中ares=-0.2。經(jīng)過(guò)了大量的SOA檢測(cè)（這里四波混頻效應(yīng)將導(dǎo)致相位的變化和兩個(gè)邊帶的增強(qiáng)），兩個(gè)邊帶其中之一（紅移邊帶或藍(lán)移邊帶）將會(huì)在檢測(cè)前被具有0.1nm帶寬的光纖光柵陷波器所阻止。當(dāng)調(diào)制頻率大于4GHz時(shí)，一個(gè)邊帶可以很容易地被清除，而不破壞或其他邊帶或載波，通過(guò)采用光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），輸入光功率可以調(diào)整在-10.3dBm和13.6dBm之間。畢業(yè)論文，相干群振蕩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，如圖所標(biāo)記的三種不同的情況，即無(wú)過(guò)濾（黑），阻塞藍(lán)邊帶和通過(guò)紅邊帶（紅色），阻塞紅邊帶而通過(guò)藍(lán)邊帶（藍(lán)色）。該結(jié)果與以波混合模型為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬相比較，顯示出了良好的吻合度。結(jié)果表明，絕對(duì)相移以及工作頻率可以通過(guò)阻塞紅移邊帶而大大加強(qiáng)。另一方面，阻斷藍(lán)移邊帶只會(huì)導(dǎo)致相移發(fā)生微小的變化。這種現(xiàn)象可以通過(guò)如下原因解釋?zhuān)串?dāng)我們考慮經(jīng)過(guò)波混頻后，它導(dǎo)致了兩個(gè)邊帶的有效增益和相位變化，因?yàn)樗煌M成部分之間相位的變化在這里發(fā)揮了重要作用。

Figure 2.

(六) 偏振旋轉(zhuǎn)的利用

最后，我們可以展示一個(gè)完全不同的方法，該方法通過(guò)利用極化效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波相移控制，該實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，波長(zhǎng)為1550nm的激光束被網(wǎng)絡(luò)分析儀正弦調(diào)制，它是通過(guò)一個(gè) Mach-Zehnder強(qiáng)度調(diào)制器（MZM）來(lái)確保相反符號(hào)轉(zhuǎn)移曲線的TE和TM組件正常運(yùn)行。利用這種方法，被調(diào)制的TE和TM組件之間的相位φ實(shí)現(xiàn)了180 °的相移。通過(guò)利用SOA（半導(dǎo)體光放大器）中依賴(lài)強(qiáng)度的偏振旋轉(zhuǎn)，并在光電檢測(cè)之前引進(jìn)偏振選擇性的組成部分，我們因此可以控制相移。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)引入一種摻鉺光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），SOA的輸入光功率可以在- 7dBm的和13dBm之間調(diào)節(jié)，這將促使SOA信號(hào)的偏振旋轉(zhuǎn)[14]。在經(jīng)過(guò)SOA以后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀，我們用一個(gè)偏振控制器（PC3）和偏振分光鏡（PBS）來(lái)選擇需要被檢測(cè)的偏振性。SOA的源電流固定在160毫安，調(diào)制的射頻功率為0dBm。測(cè)量結(jié)果表明，該相位可以通過(guò)輸入光功率和大約150 °的相移控制而不斷的調(diào)整，它所獲得的高調(diào)制頻率高達(dá)19 GHz。

Figure 3.

(七) 結(jié)論

我們已經(jīng)介紹并展示了控制強(qiáng)度調(diào)制光信號(hào)相移的不同計(jì)劃，它建立在半導(dǎo)體光波導(dǎo)中慢速和快速光效應(yīng)的基礎(chǔ)之上。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)級(jí)聯(lián)設(shè)備或利用光學(xué)過(guò)濾設(shè)備可以進(jìn)一步增強(qiáng)活動(dòng)區(qū)域中混合波的基本作用。此外，我們可以實(shí)現(xiàn)移相器，方法是在兩個(gè)光場(chǎng)偏振元件上引入不同的相移，并通過(guò)利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)不斷交換它們之間的相移。在這個(gè)時(shí)候，最大的相移達(dá)到了我們所要求的180 °并且能夠獲得高達(dá)20 GHz頻率。為了足夠靈活的實(shí)施相控天線陣和微波濾波器，相移的控制應(yīng)該被進(jìn)一步增加到360°，并且可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用增加額外的要求。

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篇7

光泵磁力儀是高靈敏的磁測(cè)設(shè)備。它是以某些元素的原子在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的蔡曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵技術(shù)與磁共振技術(shù)研制成的。

按照量子理論，在外磁場(chǎng)T中，具有自旋的亞原子粒子（如核子和電子）能級(jí)簡(jiǎn)并（degeneracy）解除，分裂為一些磁次能級(jí)（或稱(chēng)為蔡曼能級(jí)），在光譜上的表現(xiàn)，就是譜線分裂，這就是蔡曼效應(yīng)，蔡曼因此獲得1902(第二屆)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。分裂的能級(jí)間的能量差一般與外界磁場(chǎng)成正比。當(dāng)粒子在分裂的能級(jí)間發(fā)生躍遷時(shí)，就會(huì)發(fā)射或吸收電磁波，其頻率與磁次能級(jí)間的能量差成正比，測(cè)定這個(gè)電磁波的頻率，即可測(cè)定磁場(chǎng)。

光泵磁力儀是目前實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中靈敏度較高的一種磁測(cè)儀器。它靈敏度高，一般為0.01nT量級(jí)，理論靈敏度高達(dá)10－2-10－4nT;響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進(jìn)行測(cè)量;可測(cè)量地磁場(chǎng)的總向量T及其分量，并能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

光泵磁力儀的種類(lèi)甚多。按共振元素的不同，可分為氦（He）光泵磁力儀和堿金屬光泵磁力儀，共振元素有氦（He4）、銣（Rb85、Rb87）、銫（Cs133）、鉀（K39）、汞（Hg）等。對(duì)堿金屬而言，受溫度影響較大，如銫（Cs133）元素在恒溫430C左右，方可變成蒸汽狀態(tài)，而只有在蒸汽狀態(tài)時(shí)才能產(chǎn)生光泵作用。對(duì)He3、He4而言，因其本身是氣體狀態(tài)，無(wú)需加熱至恒溫，只需將它激勵(lì)使其處于亞穩(wěn)態(tài)，就能產(chǎn)生光泵作用。這些條件在設(shè)計(jì)與制造儀器時(shí)，必須予以重視。

光泵磁力儀未來(lái)的發(fā)展水平，主要取決于光泵光源及共振元素的發(fā)展程度。法國(guó)曾用可調(diào)諧的激光器代替常規(guī)的氦燈制成光泵磁力儀，由于譜線的選擇性較好，激光又比氦燈的光要強(qiáng)，因此提高了磁力儀的靈敏度，達(dá)到10pT/Hz1/2。美國(guó)的R.Slcum博士利用二極管激光器作為氦同位素光泵磁力儀的光源，并申請(qǐng)了專(zhuān)利，與氦燈光源相比，靈敏度提高一個(gè)量級(jí)。最新的激光光泵氦（He4）磁力儀的靈敏度已突破1PT/Hz1/2的界限，達(dá)到0.4PT/Hz1/2，而用高頻激發(fā)的燈室作為光泵的光源的氦4航空磁力儀達(dá)到了20pT/Hz1/2的靈敏度［2-3］。在共振元素的選擇上，為了提高精度，需要選擇譜線較窄的物質(zhì)，堿金屬符合譜線窄的要求，但需要一定的溫度（40-55℃）加熱為氣態(tài)。現(xiàn)在已經(jīng)有很多利用堿金屬制成的磁力儀，前不久問(wèn)世的鉀磁力儀，由于譜線很窄又不重疊，方位誤差很小，維修方便，分辨率達(dá)到0.1pT，在取樣率為20Hz時(shí)，靈敏度可達(dá)到0.014nT。因此鉀光泵磁力儀在光泵磁力儀中占有優(yōu)勢(shì)地位。當(dāng)然隨著靈敏度，取樣率的提高，其價(jià)格也顯著提高。

2.超導(dǎo)量子干涉磁力儀

超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）是上世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器。它是以約瑟夫遜（Josephson）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，是超導(dǎo)量子干涉磁力儀的核心。

SQUID由兩個(gè)用很薄的絕緣體隔開(kāi)的超導(dǎo)體而形成兩個(gè)并聯(lián)的約瑟夫松結(jié)（Josephsonjunction）組成。約瑟弗松獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper和J.R.Schrieffer三位物理學(xué)家由于共同研究建立解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的BCS理論獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

SQUID可以檢測(cè)非常微弱的磁場(chǎng)，足以檢測(cè)生物電流產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)，人類(lèi)心臟產(chǎn)生的磁場(chǎng)約為10-10T（0.1nT），人腦的磁場(chǎng)約為10-13T（0.1pT）。如果有一個(gè)恒定的電流維持在SQUID中，則測(cè)得的電壓隨兩個(gè)結(jié)上相位的變化而振蕩，而相位的變化取決于磁通的變化。量子理論得出的十分重要的結(jié)論是，若有一超導(dǎo)體環(huán)路，則它包圍的磁通量只能取Φ0的整數(shù)倍。

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

這就是磁通量的量子化，Φ0叫做磁通量量子。如果磁場(chǎng)發(fā)生變化，則Φ0的個(gè)數(shù)也跟著變化，對(duì)Φ0個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)就可測(cè)得磁場(chǎng)值。超導(dǎo)磁力儀是矢量磁力儀，它測(cè)量垂直于超導(dǎo)環(huán)路平面的磁場(chǎng)[4]。

SQUID靈敏度極高，可達(dá)10-15T，比靈敏度較高的光泵磁力儀要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；它測(cè)量范圍寬，可從零場(chǎng)測(cè)量到數(shù)千特斯拉；其響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾千兆赫。這些特性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常用的磁通門(mén)磁力儀和質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。

量子超導(dǎo)磁力儀具有高精度、高靈敏度的同時(shí)不足之處也相對(duì)十分明顯，超導(dǎo)材料自身易碎、不易加工，成本極其昂貴且SQUID磁測(cè)儀器要求在低溫條件下工作、需要昂貴的液氦（或液氮）和制冷設(shè)備，這給SQUID磁測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來(lái)許多困難。在超導(dǎo)領(lǐng)域的這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，世界各國(guó)都在不斷探索，超導(dǎo)從低溫向高溫的方向進(jìn)步，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)也持續(xù)的提高。可以預(yù)計(jì)，量子超導(dǎo)干涉磁力儀隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)在許多領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。

3.原子磁力儀

M.V.Romalis等指出，根據(jù)量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理（uncertaintyprinciple,或不確定性原理），原子磁力儀的極限靈敏度δB＝1/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比，n是單位體積內(nèi)工作物資的原子數(shù)，T2是橫向弛豫(自旋馳豫)時(shí)間，V是體積，t是測(cè)量時(shí)間。由上式可見(jiàn)，在γ、t給定的條件下，要提高靈敏度，必須讓n、T2達(dá)到盡可能大的數(shù)值．而為了提高空間分辨率，V又不能取很大的數(shù)值。

M．v．Romalis教授等研制的量子磁力儀正是巧妙的提高了n與T。M.V.Romalis等把鉀原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加進(jìn)大密度（2.9atm）的氦作為緩沖等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T2數(shù)值，獲得提高測(cè)量磁場(chǎng)的靈敏度和空間分辨率的優(yōu)異成果。靈敏度達(dá)到0.54fT/Hz1/2，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后還可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空間分辨率達(dá)到毫米級(jí)。在弱磁場(chǎng)中工作時(shí)．這種磁力儀的靈敏度可能達(dá)到10-18T的數(shù)量級(jí)，那將比SQUID靈敏1000倍，更為重要的是這種磁力儀不需要低溫條件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力儀的啟發(fā)，目前美國(guó)已經(jīng)有公司提出根據(jù)頻率調(diào)制磁學(xué)-光學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)靈敏磁力儀,轉(zhuǎn)動(dòng)率與磁場(chǎng)成比例,用極化測(cè)定方法測(cè)量[4][6]。

新型原子磁力儀可用于物理學(xué)基本理論的研究，高精度地質(zhì)調(diào)查和油、氣等礦產(chǎn)普查，生物磁學(xué)研究。前已提及,現(xiàn)在光泵磁力儀已成功地測(cè)繪出心臟產(chǎn)生的磁場(chǎng),磁場(chǎng)幅度為0.1nT，人腦的磁場(chǎng)很弱,只有幾個(gè)fT。高靈敏度的原子磁力儀,在繪制心磁圖、腦磁圖作醫(yī)學(xué)診斷乃至是生物磁測(cè)、空間磁測(cè)，軍事偵察等領(lǐng)域，無(wú)疑是非常合適的，但仍需進(jìn)行完善才適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要。

結(jié)束語(yǔ):

雖然現(xiàn)在許多小巧的新興磁敏傳感器（如霍爾磁敏傳感器，巨磁阻傳感器等）也十分活躍，但其精度遠(yuǎn)不能與文中涉及的磁力儀相比較。隨著磁力儀的發(fā)展，磁場(chǎng)探測(cè)精度的提高，新興學(xué)科--磁法應(yīng)用有著廣泛的發(fā)展空間。

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[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.

獲得1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的法國(guó)物理學(xué)家科恩-唐努吉（ClaudeCohen-Tannoudji）指出，原子磁力儀是通過(guò)測(cè)量所含電子自旋已被極化的原子在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)(旋進(jìn))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最近美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理系M．v．Romalis教授和位于西雅圖的華盛頓大學(xué)物理系的J.C.Allred等研制成一種完全利用光學(xué)方法測(cè)量磁場(chǎng)的新型原子磁力儀，因此有人將這種磁力儀稱(chēng)為全光學(xué)磁力儀(allopticalatomicmagnetometer)。

篇8

“棄暗投明”的新技術(shù)

宋延林笑著說(shuō)，走上“納米材料綠色制版技術(shù)”的研發(fā)之路，始自一次“意外”。

那是1995年，正在攻讀博士學(xué)位的宋延林，琢磨著自己關(guān)于信息存儲(chǔ)材料的研究工作。他不想重復(fù)別人的材料體系，于是有了一個(gè)大膽的想法：既然當(dāng)時(shí)國(guó)際上主流的信息存儲(chǔ)材料是無(wú)機(jī)材料，那么自己就挑戰(zhàn)一下有機(jī)材料。

這在當(dāng)時(shí)并不被人看好，但他與合作伙伴最終成功地將信息存儲(chǔ)點(diǎn)的尺寸從 十幾個(gè)納米縮小至1.3個(gè)納米。相關(guān)論文很快被國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊接受發(fā)表，研究成果亦被兩院院士評(píng)選為1997年“中國(guó)十大科技進(jìn)展”之一。“這給了我一個(gè)很大的啟發(fā)，不是國(guó)外沒(méi)有做過(guò)的事情就不能做。以前中國(guó)人總覺(jué)得引領(lǐng)科技進(jìn)步的一定是西方國(guó)家，我們只能一味追趕，似乎最好的成績(jī)也只能是縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。但事實(shí)不應(yīng)該是這樣。”

從那天開(kāi)始，宋延林就打定主意，要做與別人不一樣的東西。多年以后，靈感聚焦于“印刷技術(shù)”。

從成像原理來(lái)看，印刷技術(shù)的發(fā)展可以劃分為兩大階段：首先是“物理成像階段”， 基于物理凹凸結(jié)構(gòu)成像，譬如雕版印刷、木活字印刷、鉛字印刷。接下來(lái)是“化學(xué)成像階段”，基于化學(xué)感光成像，主要有兩種技術(shù)，一種是激光照排技術(shù)，上世紀(jì)80年代由王選院士主持研發(fā)的漢字激光照排技術(shù)，目前仍是中國(guó)印刷業(yè)的主流技術(shù)；另一種是國(guó)際上流行的計(jì)算機(jī)直接制版（CTP）技術(shù)。

但無(wú)論是激光照排技術(shù)還是CTP技術(shù)，都是感光成像的過(guò)程。激光照排的過(guò)程與膠卷曝光類(lèi)似：先將計(jì)算機(jī)處理的信息通過(guò)激光掃描到感光膠片上，再通過(guò)曝光、顯影、定影得到一張底片，底片在涂有感光層的PS版上重復(fù)曝光、顯影、沖洗的過(guò)程，得到最終印版。

“事實(shí)上，高質(zhì)量的信息傳輸，應(yīng)盡可能減少信息轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。有沒(méi)有一種辦法，可以直接打印出印版，省略化學(xué)顯影過(guò)程呢？”

宋延林首先考慮的是確定印版的材料要求。對(duì)于印刷而言，印版的圖文區(qū)需要“沾油墨”，空白區(qū)則“不沾油墨”。高質(zhì)量的印刷，要求兩個(gè)區(qū)域必須形成足夠大的反差，否則很容易“糊版”。宋延林根據(jù)信息存儲(chǔ)中提高信噪比的要求和納米材料控制表面性質(zhì)的研究基礎(chǔ)，在印版表面形成特殊的納米結(jié)構(gòu)，確保圖文區(qū)和空白區(qū)有足夠的反差，且界面清晰。

不過(guò)事情遠(yuǎn)沒(méi)有大功告成，“耐印力”成為緊跟著必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。“如果要讓這項(xiàng)技術(shù)走向市場(chǎng)，必須確保它可以滿(mǎn)足常規(guī)生產(chǎn)要求。目前主流印刷版材的耐印力，比如印刷普通報(bào)紙，需要在10萬(wàn)份以上。最終我們通過(guò)納米材料的復(fù)合增強(qiáng)，使新版材的耐印力達(dá)到同一水準(zhǔn)。”

所謂“復(fù)合增強(qiáng)”，打個(gè)通俗的比方，和增強(qiáng)柏油馬路耐磨性類(lèi)似：只鋪瀝青的路面極易損壞，在瀝青中摻入石子，就大大提高了耐磨性。“雖然聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作時(shí)，還要保證極其細(xì)微的納米顆粒不團(tuán)聚，特別是在南方、北方零上40℃至零下40℃的溫差下，不沉淀，不堵頭，打印出的墨滴大小要與版材表面張力、納米孔的孔徑形成定量可控的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)所有這些，背后是一系列復(fù)雜細(xì)致的研究工作。”

除此之外，由于納米材料綠色制版技術(shù)在國(guó)際上并無(wú)先例可循，因此亦沒(méi)有成熟的配套設(shè)備。為此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)還要開(kāi)發(fā)針對(duì)報(bào)業(yè)、商業(yè)和票據(jù)類(lèi)的設(shè)備及相應(yīng)軟件。

當(dāng)一切都從理論化為現(xiàn)實(shí)，一種全新的印刷制版技術(shù)橫空出世。宋延林一口氣描述它的操作原理：“用計(jì)算機(jī)處理好全部圖文信息，直接將印版打印出來(lái)，圖文區(qū)是親油的，空白區(qū)是親水的，兩者反差足夠大，足夠耐磨。”

新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。首先，傳統(tǒng)的化學(xué)成像過(guò)程，印版與膠片的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程都要嚴(yán)格避光，非常麻煩。而納米材料制版技術(shù)，則是基于“非感光”的全新原理，宋延林打趣說(shuō)，有領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)這是個(gè)“棄暗投明”的新技術(shù)。

其次，依賴(lài)化學(xué)成像形成的印刷產(chǎn)業(yè)鏈，有兩大無(wú)法根除的污染。

一是制版的污染。感光成像的化學(xué)沖洗過(guò)程，是將感光材料全面覆蓋在版基上，然后根據(jù)實(shí)際圖文情況，將“圖文區(qū)”保留，“空白區(qū)”侵蝕掉。如此一來(lái)，80%以上的感光材料都被浪費(fèi)，同時(shí)造成每年百萬(wàn)噸量級(jí)的廢液排放。

二是版基的污染。目前主流印刷制版技術(shù)的鋁版基制備，實(shí)際是一個(gè)電解氧化的過(guò)程，電解液里的濃酸，會(huì)腐蝕消耗鋁材，再加之曝光過(guò)程中的損耗，大量的鋁材變成污染物被浪費(fèi)，并造成嚴(yán)重的金屬離子污染。而廢酸用石灰中和后，又會(huì)形成大量廢渣。

“納米材料印刷制版技術(shù)是用計(jì)算機(jī)直接打印制版，沒(méi)有化學(xué)腐蝕過(guò)程，既不會(huì)形成廢液、廢渣污染，也不會(huì)損失鋁材。被消耗的僅僅是打印的墨水，成本優(yōu)勢(shì)明顯，有可觀的利潤(rùn)空間，且可以通過(guò)鼠標(biāo)簡(jiǎn)便操作。”宋延林說(shuō)，這是令他自豪的一點(diǎn)。

他永遠(yuǎn)都記得，有一期《時(shí)代周刊》的封面觸目驚心：一只巨大的iphone手機(jī)，連接著一座冒著黑煙的工廠，用醒目的字體探討這只“神器”為什么會(huì)選擇“made in china”（中國(guó)制造），結(jié)論有二：一靠“廉價(jià)人力”，二靠“超級(jí)污染”。“中國(guó)留給世界的印象，一定要改一改了！事實(shí)證明，我們可以拿出領(lǐng)先、環(huán)保的綠色解決方案。”

再見(jiàn)，試驗(yàn)室！

篇9

過(guò)去的這個(gè)冬天，我一直伏案于書(shū)桌旁，專(zhuān)心于完成我的物理學(xué)哲學(xué)博士論文。在終于為論文畫(huà)上句號(hào)的這個(gè)初春，一夜的南風(fēng)吹白了書(shū)房外如雪的梨花，正當(dāng)我欣喜于小城春天的又一次鶯飛草長(zhǎng)之時(shí)，我收到了中國(guó)駐美使館教育處張靜安老師的電子郵件，通知我獲得了2007年度“國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金”，并熱情地邀請(qǐng)我們談一談感想。

談一談什么好呢?多年來(lái)都是用英文寫(xiě)實(shí)話(huà)實(shí)說(shuō)的科技論文，很少文以明志，筆下抒情，我不免躊躇起來(lái)。思想之余，我首先要感謝使館教育處的老師們和國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家、評(píng)委們的辛勤工作，把這份榮譽(yù)授予我，讓我深深地感受到來(lái)自祖國(guó)的一份關(guān)懷。這份關(guān)懷讓我們留學(xué)海外的學(xué)子感到十分溫暖，同時(shí)也更深切地了解到祖國(guó)對(duì)我們的關(guān)注。我想借著這個(gè)機(jī)會(huì)，談一談10多年來(lái)我在物理學(xué)的學(xué)習(xí)和科研中的一些經(jīng)歷，也許更能夠表達(dá)我對(duì)這種關(guān)懷的謝意。

一

我中學(xué)和大學(xué)時(shí)代是在廣州度過(guò)的。在執(zhí)信中學(xué)讀書(shū)時(shí)，我對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。由于父親在中山大學(xué)物理系任教的關(guān)系，我有機(jī)會(huì)認(rèn)識(shí)許多中山大學(xué)物理系的老師。還記得當(dāng)我要參加全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽時(shí)，物理學(xué)教學(xué)的專(zhuān)家羅蔚英老師專(zhuān)門(mén)找來(lái)習(xí)題集和大學(xué)課本送給我，告訴我學(xué)學(xué)普通物理對(duì)物理競(jìng)賽有很大的幫助。之后，我在全國(guó)物理和數(shù)學(xué)競(jìng)賽中都獲了獎(jiǎng)，得到了免試保送的資格。當(dāng)時(shí)，許多保送生都選擇熱門(mén)專(zhuān)業(yè)，愿意學(xué)習(xí)基礎(chǔ)學(xué)科的人很少。當(dāng)?shù)弥掖蛩氵x擇物理專(zhuān)業(yè)時(shí)，時(shí)任廣東省物理協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)的莫黨老師非常高興，專(zhuān)門(mén)為我給幾所國(guó)內(nèi)最好的物理系寫(xiě)了推薦信。回想起來(lái)，當(dāng)時(shí)的我只是一個(gè)什么也不懂的中學(xué)生，物理學(xué)前輩們對(duì)年輕人的熱情是促使我研究物理、熱愛(ài)物理的一個(gè)重要原因。

1995年，我進(jìn)入中山大學(xué)物理系理科人才培養(yǎng)基地班學(xué)習(xí)。基地班的學(xué)生一入學(xué)就可以選擇本科導(dǎo)師，進(jìn)行科研工作。選擇什么樣的科研方向呢，像許多熱愛(ài)物理學(xué)的中國(guó)年輕人一樣，我一開(kāi)始屬意于理論物理，因?yàn)闂钫駥帯⒗钫赖挠绊懀晌液芸彀l(fā)現(xiàn)我更著迷于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)。

中山大學(xué)有一個(gè)早年由我國(guó)著名的光譜物理學(xué)家高兆蘭教授成立的超快速激光光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)室，每當(dāng)我進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在黑暗中看到那些紅紅綠綠的激光光束和跳躍在示波器上的脈沖信號(hào)時(shí)，我就感到莫名的興奮和緊張。那時(shí)一臺(tái)飛秒量級(jí)超快激光還是一臺(tái)非常稀罕的儀器，中大的老師們?cè)?jīng)自己研制過(guò)一臺(tái)。當(dāng)我看到許多人在黑屋子里忙活大半天，為在示波器上終于獲得一個(gè)脈沖波形而得意萬(wàn)分時(shí)，我被深深地吸引了。我找到當(dāng)時(shí)的超快激光實(shí)驗(yàn)室主任周建英老師，提出請(qǐng)他作為我的本科導(dǎo)師。10多年后我仍然記得他津津樂(lè)道地告訴我，下一個(gè)世紀(jì)物理學(xué)的一個(gè)主題將會(huì)是對(duì)量子世界的操控，激光與物質(zhì)的相互作用是一個(gè)重要的前沿，這影響了我后來(lái)科學(xué)研究的興趣所在。

1999年，我來(lái)到北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所龔旗煌老師的實(shí)驗(yàn)室，攻讀碩士學(xué)位。在龔老師的悉心指導(dǎo)之下，我開(kāi)始了利用飛秒激光進(jìn)行光子材料微制備的研究。在這里我接受了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的完整訓(xùn)練，也學(xué)會(huì)了如何一步步地開(kāi)展一個(gè)全新的課題。這里寬松融洽的氣氛，使我有機(jī)會(huì)接觸到現(xiàn)代光學(xué)研究所里不同的研究方向，由此擴(kuò)展了學(xué)術(shù)視野。2002年，因?yàn)槲以诔旒す馕⒅苽湔n題上的工作，被授予中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)王大珩光學(xué)獎(jiǎng)的青年學(xué)生獎(jiǎng)。同年，我收到了美國(guó)五六所最頂尖光學(xué)與原子光物

二

負(fù)笈美國(guó)，我的目光投向了冷原子物理學(xué)。冷原子物理學(xué)是世紀(jì)之交物理學(xué)一個(gè)異常活躍的領(lǐng)域，它利用當(dāng)今最精密的實(shí)驗(yàn)技術(shù)把氣態(tài)的原子冷卻到自然界的幾乎絕對(duì)零度。在這一溫度下，原子表現(xiàn)出奇妙的量子力學(xué)性質(zhì)，他們不再是單個(gè)的孤立粒子，而是像振動(dòng)的琴弦一樣表現(xiàn)出優(yōu)美的波動(dòng)性。冷原子物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究不僅可以回答量子物理學(xué)中一些懸而未決的最基本科學(xué)問(wèn)題，而且為實(shí)現(xiàn)和操控量子世界提供了非凡的技術(shù)手段。1997年，兩名美國(guó)物理學(xué)家因?yàn)榧す饫鋮s原子的實(shí)驗(yàn)技術(shù)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。4年之后，另外3名美國(guó)物理學(xué)家又因?yàn)槌晒Φ乩鋮s玻色原子到玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，獲得2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。4年之中同一領(lǐng)域兩度獲得諾貝爾獎(jiǎng)，這在科學(xué)史上極為罕見(jiàn)。

在自然界中，任何微觀的粒子都可以分為玻色子和費(fèi)米子兩大類(lèi)。在冷卻玻色子后，冷卻費(fèi)米子成為冷原子物理的核心問(wèn)題，也是整個(gè)物理學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。但是費(fèi)米原子的冷卻非常困難。較冷的費(fèi)米原子處于簡(jiǎn)并態(tài)，泡利不相容原理使同類(lèi)原子間的碰撞受到抑制。要進(jìn)一步冷卻費(fèi)米氣體，需要冷卻和捕獲多重自旋態(tài)的費(fèi)米原子。這需要激光冷卻捕獲原子技術(shù)上的重大革新。在美國(guó)杜克大學(xué)博士期間，我有幸遇到了我的導(dǎo)師約翰?湯姆斯(John Thomas)教授。約翰上個(gè)世紀(jì)70年代畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，他是當(dāng)今美國(guó)原子與光物理學(xué)界的大師之一，是全光學(xué)冷卻原子方法的主要開(kāi)拓者。

我在約翰指導(dǎo)下的研究正是致力用全光學(xué)冷卻的方法冷卻6Li費(fèi)米原子，并研究強(qiáng)相互作用下費(fèi)米氣體的物理性質(zhì)。我們利用高功率的超穩(wěn)定遠(yuǎn)紅外CO2激光，形成光學(xué)陷阱，直接把冷原子從磁光阱中捕獲并進(jìn)行蒸發(fā)冷卻。形象地說(shuō)，這個(gè)工作好比是為原子和光子編舞，讓冷原子隨著激光起舞，把物理學(xué)家們帶入充滿(mǎn)未知的量子世界。迄今為止，全光學(xué)冷卻的關(guān)鍵技術(shù)只有美歐的少數(shù)研究小組掌握。鑒于搭建一個(gè)原子冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，大多數(shù)在這個(gè)領(lǐng)域工作的學(xué)者有操作系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有從零搭建的經(jīng)驗(yàn)與能力。約翰作為一名出色的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，特別注重培養(yǎng)研究生制造儀器的能力。他常常用風(fēng)趣的語(yǔ)言說(shuō)明極為深刻的做科學(xué)的道理。他講到麻省理工學(xué)院歷史上的成功經(jīng)驗(yàn)之一，就是一個(gè)一流的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家總是一個(gè)優(yōu)秀的工程師。他又開(kāi)玩笑說(shuō)，如果你喜歡整天在實(shí)驗(yàn)室里干管道工，而不是急著收集數(shù)據(jù)的話(huà)，你就可以完成任何人都完成不了的實(shí)驗(yàn)。

在約翰的指導(dǎo)下，我在博士期間完全從零開(kāi)始，搭建了新一代的全光學(xué)費(fèi)米原子冷卻系統(tǒng)，在技術(shù)上進(jìn)行了多項(xiàng)革新，發(fā)展了高真空紅外窗口，超穩(wěn)定光學(xué)等多項(xiàng)原創(chuàng)性技術(shù)。在自己搭建的系統(tǒng)上，我系統(tǒng)研究了強(qiáng)相互作用下6Li原子的冷卻特性，把費(fèi)米原子冷卻到了的超流態(tài)凝聚溫度之下。經(jīng)過(guò)2年的工作，從一個(gè)空房間到建成全新的超冷原子實(shí)驗(yàn)室，我的工作受到了約翰的高度評(píng)價(jià)。這種訓(xùn)練也使我成為在這一領(lǐng)域掌握核心技術(shù)和創(chuàng)新

能力的博士研究生。

強(qiáng)相互作用費(fèi)米氣體的實(shí)現(xiàn)為從實(shí)驗(yàn)上探索強(qiáng)相互作用的多體量子力學(xué)和量子場(chǎng)論打開(kāi)了大門(mén)。強(qiáng)相互作用費(fèi)米子涉及到高溫超導(dǎo)體、中子星、夸克膠子等離子體等物理學(xué)上的奇異體系。這些體系和強(qiáng)相互作用費(fèi)米原子氣體一樣處于量子熱力學(xué)的普適狀態(tài)，即所有物理量?jī)H僅是溫度的函數(shù)，而不依賴(lài)微觀的相互作用。這一問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)和理論研究受到了原子物理、凝聚態(tài)物理、核物理和高能物理各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。2006年，我通過(guò)費(fèi)米原子在強(qiáng)相互作用區(qū)間和弱相互作用區(qū)間的等熵絕熱變化，提供了第一個(gè)不依賴(lài)?yán)碚撃Ｐ偷膹?qiáng)相互作用費(fèi)米氣體的熱力學(xué)測(cè)量，測(cè)定了這一體系中能量與熵的基本關(guān)系，明確了溫標(biāo)和超流相變的臨界溫度，從而為證實(shí)量子多體系統(tǒng)中普適熱力學(xué)問(wèn)題奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。著名的理論物理學(xué)家?jiàn)W盧，布卡克(AurelBulgac)、彼特，莊曼(PeterDrummond)等對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)給予很高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為這是冷原子領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展，是檢驗(yàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子理論的實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)。

三

我的另一重要工作是研究強(qiáng)相互作用的費(fèi)米氣體中的量子粘滯力。眾所周知，超流體展現(xiàn)了完美的流體性質(zhì)。但正常流體是否也可以具有完美流動(dòng)性是一個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域極具爭(zhēng)議的問(wèn)題。近來(lái)高能物理學(xué)在夸克膠子等離子體上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和弦理論對(duì)強(qiáng)相互作用量子場(chǎng)的計(jì)算顯示，正常流體也可以逼近粘滯力的量子力學(xué)極限。我們利用旋轉(zhuǎn)超冷費(fèi)米原子的實(shí)驗(yàn)，展示了在強(qiáng)相互條件下，正常態(tài)和超流態(tài)的費(fèi)米原子都可以有完美的流體性質(zhì)。一旦測(cè)定了量子粘滯力的下限，不僅對(duì)了解夸克膠子等離子體有重大意義，還會(huì)為弦理論的計(jì)算提供第一個(gè)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

超冷費(fèi)米原子的研究在過(guò)去幾年是一個(gè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域。競(jìng)爭(zhēng)主要在包括我們小組在內(nèi)的美國(guó)4個(gè)研究組和歐洲的2個(gè)研究組中展開(kāi)。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者沃爾夫?qū)颂乩?Wolfoang Ketterle)和美國(guó)科學(xué)院院士蘭迪，惠里特(Randy Hulet)是其中的另外兩個(gè)小組。我的研究工作得到了這些同行的肯定和贊賞。2007年我被授予弗里茨，倫敦獎(jiǎng)學(xué)金(Fritz London Fellowship)，該獎(jiǎng)是以量子化學(xué)和低溫物理學(xué)的奠基人，著名物理學(xué)家和化學(xué)家弗里茨，倫敦命名的一項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。

為推動(dòng)美國(guó)在量子科學(xué)領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和馬里蘭大學(xué)集合了這一領(lǐng)域的國(guó)際頂尖科學(xué)家，于2007年成立了聯(lián)合量子研究所(Joint QuantumInstitute)。為了發(fā)掘優(yōu)秀的年輕人加入這一團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合量子研究所專(zhuān)門(mén)設(shè)立了博士后獎(jiǎng)(JQ0 Postdoctoral Fellow)。該獎(jiǎng)每年在全世界范圍內(nèi)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)，評(píng)選出兩位獲得者，一位側(cè)重于理論方向，一位側(cè)重于實(shí)驗(yàn)方向。博士畢業(yè)之際，我有幸被選為其中之一。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者威廉，菲利普(William Phillips)高興地對(duì)我說(shuō)，你是我們研究所第一個(gè)實(shí)驗(yàn)方向上的博士后獎(jiǎng)獲得者，我們希望你成功。

四

篇10

論文摘要：介紹了一種在玻璃基板上切割V型槽并對(duì)V型槽纖芯距進(jìn)行高精度測(cè)量的光纖偏振光干涉儀，該系統(tǒng)包括光源、偏振器、偏振控制器、波片、自聚焦透鏡和探測(cè)器組成，并對(duì)這種光纖傳感器原理進(jìn)行分析。其理論上其測(cè)量精度可達(dá)到0.01nm，很好地解決了實(shí)際生產(chǎn)中高精度的非接觸在線檢測(cè)，并滿(mǎn)足了光通信行業(yè)對(duì)V型槽纖芯距的實(shí)際要求。

引言

在光通信纖維陣列用玻璃基板上刻高精度V型槽（通用型槽間距即纖芯距為127±0.5um和250±0.5um）的關(guān)鍵技術(shù)被日韓等少數(shù)國(guó)家壟斷，國(guó)內(nèi)使用的光纖陣列用V型槽基板均需要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約了我國(guó)光纖到戶(hù)（FTTH）工程的進(jìn)程。而光通信纖維陣列用V型槽基板是光纖到戶(hù)工程中必不可少的光器件，主要用于對(duì)光纖精確定位生產(chǎn)各種銜接光纖干線與家用光纖之間的信號(hào)傳輸?shù)墓馄骷?/p>

日本在光通信纖維陣列用V型槽基板的加工設(shè)備開(kāi)發(fā)上起步較早，也具有較為成熟的技術(shù)方案。目前，日本等國(guó)家生產(chǎn)光通信纖維陣列用V型基板全部采用高精度的專(zhuān)用切割機(jī)，而此類(lèi)設(shè)備日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)施禁運(yùn)，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)與機(jī)構(gòu)也曾嘗試對(duì)此方面進(jìn)行研究，皆因?yàn)榧夹g(shù)難度較高，而最終以失敗告終，因此在國(guó)內(nèi)尚屬于空白。

在先進(jìn)的生產(chǎn)制造過(guò)程中，非接觸的在線檢測(cè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在線檢測(cè)的對(duì)象在被測(cè)過(guò)程中是不斷變化著的，因此對(duì)檢測(cè)傳感器不僅要求其精度高、穩(wěn)定可靠、有良好的動(dòng)態(tài)性能、能對(duì)快速信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)監(jiān)控，而且一般要非接觸式測(cè)量，并便于安裝。

本文提出一種新型的光纖偏振光干涉儀，它將偏振光干涉技術(shù)和光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，能對(duì)玻璃基板V型槽的纖芯距進(jìn)行高精度的在線檢測(cè)的非接觸測(cè)量。

1、實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)

即

該線偏振光 的偏振方向與x軸夾角為 。

（1）

被測(cè)物位移變化一個(gè)波長(zhǎng)則合成光的偏振方向轉(zhuǎn)動(dòng)了角。因此，通過(guò)檢測(cè)出偏振方向角，即可得到位移。所以，可將干涉儀的位移測(cè)量精度，由一般檢測(cè)干涉條紋的位相細(xì)分轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測(cè)偏振光的偏振方向角的角度細(xì)分；而檢測(cè)角度細(xì)分要比檢測(cè)位相細(xì)分精度高，從而可得到較高的測(cè)量精度。

由式(1) 可得位移的變化量。如，當(dāng)角度檢測(cè)精度時(shí)，則可測(cè)得位移精度；而當(dāng) 時(shí)，則 ，因此光纖偏振光干涉儀可以具有很高的靈敏度和精度。

2、 測(cè)量實(shí)例及結(jié)果

轉(zhuǎn)貼于

本項(xiàng)目結(jié)合光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)通用切割機(jī)主軸的精確定位，通過(guò)設(shè)計(jì)穩(wěn)定的工作平臺(tái)，選用硬度合適的刀具，選擇最佳的切削參數(shù)，完成V形槽的亞微米超精密機(jī)械加工，盡可能減少由于機(jī)械方面引起的切割誤差。

實(shí)際切割原理如圖2所示，在實(shí)際中，算機(jī)通過(guò)控制偏振角度 的值來(lái)控制刀移動(dòng)的位置來(lái)實(shí)行對(duì)玻璃基板上對(duì)V槽纖芯距的切割。實(shí)際切割的產(chǎn)品如圖3所示。該圖是8通道纖芯距為250um的V型槽的放大圖。

如圖4是計(jì)算機(jī)顯示屏顯示的控制情況。從圖可以看出，該系統(tǒng)可以很好地監(jiān)控實(shí)際加工情況。

3、 結(jié)論

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于邁克爾遜干涉儀實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)用于玻璃基板V型槽加工的實(shí)時(shí)檢測(cè)中，有效地保證的光通信用玻璃基板V型槽的精度要求，并在國(guó)內(nèi)率先批量生產(chǎn)出高良率的光纖通信用玻璃基板V型槽，有利于推動(dòng)我國(guó)光纖到戶(hù)工程。

參考文獻(xiàn)

[1]胡永明. 全保偏光纖邁克爾遜干涉儀[J]。中國(guó)激光，1997 ，24 (10) :892 - 894