lesson7激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用課件

激光技術(shù)在信息技術(shù)中的應(yīng)用激光全息技術(shù)光纖通信激光打印激光掃描激光存儲(chǔ)激光全息技術(shù)一、全息術(shù)歷史回顧1947年英國(guó)物理學(xué)家丹尼斯·蓋伯(DennisGabor)首先提出“波前重建”的構(gòu)想，為全息術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。1971年，瑞典諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)為了表彰蓋伯對(duì)全息術(shù)的發(fā)明和發(fā)展所作出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，授予他該年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。全息術(shù)至今已經(jīng)歷三個(gè)階段。從蓋伯最早提出全息術(shù)的思想之后的十多年，這個(gè)時(shí)期是全息術(shù)的萌芽階段。這一階段的全息術(shù)主要是理論研究和少量的實(shí)驗(yàn)。全息術(shù)發(fā)展的第二階段是在1960年激光出現(xiàn)以后。1963年，美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的利思(N.Leith)和烏帕特尼克斯(J.Upatnicks)提出的離軸全息術(shù)，使全息術(shù)在沉睡了十幾年之后得到了新生。但當(dāng)時(shí)全息術(shù)的不足之處是只能在激光照射下顯示物體的三維影像。20世紀(jì)80年代以后延續(xù)至今是全息發(fā)展的第三階段?？茖W(xué)家們致力于研究用激光記錄，而用白光再現(xiàn)的全息圖，例如反射全息、像全息、彩虹全息、模壓全息及合成全息等。應(yīng)用白光再現(xiàn)的全息術(shù)由于走出實(shí)驗(yàn)室，可在白晝自然環(huán)境中或者在一般白光照明下觀(guān)看到物體的三維影像，使得激光全息顯示技術(shù)在得以迅速發(fā)展。二、激光全息術(shù)的原理全息術(shù)，又稱(chēng)全息照相術(shù)，顧名思義就是記錄了被攝物體的全部信息。它不僅像普通照相那樣記錄物體的散射光強(qiáng)，還記錄了散射光的相位，正因?yàn)槿绱瞬拍茉佻F(xiàn)原物的立體圖像。全息照相的拍攝和再現(xiàn)原理示意圖全息照相的拍攝和再現(xiàn)原理示意圖全息圖的再現(xiàn)基于光波的衍射原理。全息底片上的記錄條紋是一組無(wú)規(guī)則的衍射光柵。用與拍攝時(shí)完全相同的激光作照明光，照到全息圖上發(fā)生衍射，產(chǎn)生一列沿照明方向傳播的零級(jí)衍射光波和兩列（1級(jí)）衍射光波。其中一列衍射光波與位于原物體位置的實(shí)際物體發(fā)出的光波完全相同，當(dāng)這個(gè)光波被人眼接收時(shí)，就等于看到了原物體的再現(xiàn)虛像。另一列衍射光波再現(xiàn)了原物體的共軛實(shí)像，它位于觀(guān)察者的同側(cè)。視頻：全息攝影三、計(jì)算全息圖傳統(tǒng)的全息圖均是用光學(xué)方法產(chǎn)生的。對(duì)于實(shí)際不存在的物體，當(dāng)知道物體光波的數(shù)學(xué)描述時(shí)，也可以利用計(jì)算機(jī)控制繪圖儀或其它記錄裝置(如陰極射線(xiàn)管、電子束掃描器等)將模擬的干涉圖樣繪制和復(fù)制在透明膠片上。這種計(jì)算機(jī)合成的全息圖稱(chēng)為計(jì)算全息圖(Computer-GeneratedHologram，簡(jiǎn)稱(chēng)CGH)。1965年，在美國(guó)IBM公司工作的德國(guó)光學(xué)專(zhuān)家羅曼(A．w．Lohmann)使用計(jì)算機(jī)和繪圖儀做出了世界上第一個(gè)計(jì)算全息圖。計(jì)算全息的優(yōu)點(diǎn)：可以記錄物理上不存在的虛擬實(shí)物，只要知道物體的數(shù)學(xué)表達(dá)式就可用計(jì)算全息記錄下這個(gè)物體的光波，并再現(xiàn)該物體的像。非常適宜于三維虛構(gòu)物體的顯示。而且，它的三維像再現(xiàn)是現(xiàn)有技術(shù)所能得到的唯一的三維虛構(gòu)像，因而具有重要的科學(xué)意義。視頻：全息立體城市四、數(shù)字全息技術(shù)數(shù)字全息的思想早在1967年就由J.W.Goodman和R.W.Lawrence提出來(lái)了，當(dāng)時(shí)由于沒(méi)有高分辨率的數(shù)字光敏器件和高性能的計(jì)算機(jī)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有什么發(fā)展。直到90年代，高分辨率電荷耦合器（CCD）的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，才促使數(shù)字全息的研究得以開(kāi)展。數(shù)字全息術(shù)的基本原理是用光敏電子成像器件（如CCD）代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息中的記錄材料（干版或軟片）實(shí)現(xiàn)全息圖的記錄，并用計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)衍射過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)所記錄波前的再現(xiàn)，從而使全息信息的記錄、存儲(chǔ)、處理和再現(xiàn)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

視頻：數(shù)字全息技術(shù)——eBay廣告.數(shù)字全息圖的制作和再現(xiàn)數(shù)字全息與光學(xué)全息的成像過(guò)程一樣，包括物體的波前記錄和再現(xiàn)，其具體步驟如下：①抽樣：物光波與參考光波在CCD上表面發(fā)生干涉，干涉圖案的光強(qiáng)被CCD記錄并抽樣；②量化：由數(shù)據(jù)采集卡采集抽樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和量化，得到離散的數(shù)據(jù)信息；③量化數(shù)據(jù)的獲取與處理：由計(jì)算機(jī)獲取離散的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行噪聲抑制、干擾項(xiàng)消除、對(duì)比度增強(qiáng)等預(yù)處理；④數(shù)字全息圖的形成：由計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器保存預(yù)處理后的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化的全息圖（Digitalhologram）；⑤再現(xiàn)：由計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)全息的再現(xiàn)過(guò)程，即通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算，獲得再現(xiàn)像光波場(chǎng)的復(fù)振幅分布、強(qiáng)度分布和相位分布，進(jìn)行相關(guān)的后處理之后，在顯示器上將強(qiáng)度和相位信息顯示出來(lái)，從而獲得物體的再現(xiàn)像。六、全息三維顯示應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域近年來(lái)，在商業(yè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用全息三維顯示技術(shù)，運(yùn)用于制作立體廣告、商品標(biāo)簽以及各種專(zhuān)用標(biāo)記；激光全息圖在商品展示上也顯示出極大的優(yōu)越性，在美國(guó)、日本的一些商店櫥窗里，擺放著用激光全息技術(shù)拍攝的商品模型，它們?cè)跓艄獾恼彰飨?，顯示出精美的三維立體圖像，激發(fā)著顧客觀(guān)賞和購(gòu)買(mǎi)的熱情；結(jié)合加密技術(shù)，人們制作了各種高難度激光全息圖像，生產(chǎn)出大量專(zhuān)用全息圖或全息包裝材料，它們除了能夠起到裝飾和美化商品、標(biāo)識(shí)、印記等作用外，還能夠起到防止偽造的作用，從而帶來(lái)了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。全息三維顯示技術(shù)的應(yīng)用使博覽會(huì)變得生動(dòng)豐富而又簡(jiǎn)潔，人們不必將那些笨重、復(fù)雜的設(shè)備帶入會(huì)場(chǎng)，只需制作它們的3600全息圖，通過(guò)全息圖再現(xiàn)，它們的原物象便可立體、逼真地展示在人們面前。視頻：藏品及其激光全息影像超震撼全息視頻七、計(jì)算全息或數(shù)字全息三維顯示應(yīng)用于虛擬物品設(shè)計(jì)方面由于計(jì)算全息和數(shù)字全息可以對(duì)實(shí)際不存在的物體制成全息圖，并再現(xiàn)這種虛構(gòu)物體的三維像，因此受到極大的重視。例如，可以用這些方法顯示以數(shù)學(xué)形式表示的物體的三維形象、研究所設(shè)計(jì)的建筑物造型等。ZebraImaging公司根據(jù)福特公司提供的電子設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)成功地制作了P2000豪華型汽車(chē)的全息顯示模型，它被當(dāng)時(shí)到場(chǎng)參觀(guān)的美國(guó)前總統(tǒng)克林頓稱(chēng)譽(yù)為“全息圖中的泰坦尼克”。這個(gè)全息圖是實(shí)際汽車(chē)大小的一半，全色、透明，參觀(guān)者可3600地觀(guān)察，甚至看到里面的結(jié)構(gòu)，檢查氫燃料電池，還可以清晰地看到關(guān)鍵尺寸，猶如在普通藍(lán)圖上看到的那樣。視頻：三維全息投影在汽車(chē)發(fā)布會(huì)上的應(yīng)用北京盛典數(shù)字全息時(shí)裝秀光纖通信光纖通信技術(shù)從光通信中脫穎而出，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門(mén)新興技術(shù)，其近年來(lái)發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見(jiàn)的。也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來(lái)信息社會(huì)中各種信息的主要傳送工具。光纖即為光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)。光纖通信是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看，構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測(cè)器。光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話(huà)音)變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度(頻率)變化而變化，并通過(guò)光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段。采用光纖通信是通信史上的重大變革，美、日、英、法等20多個(gè)國(guó)家已宣布不再建設(shè)電纜通信線(xiàn)路，而致力于發(fā)展光纖通信。視頻：光纖通訊技術(shù)介紹光纖通訊與國(guó)防光纖之父——高錕光纖通信之所以發(fā)展迅猛，主要緣于它具有以下特點(diǎn)：(1)通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)。一根光纖的潛在帶寬可達(dá)20THz。采用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類(lèi)古今中外全部文字資料傳送完畢。目前400Gbit/s系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)使用。光纖的損耗極低，在光波長(zhǎng)為1.55μm附近，石英光纖損耗可低于0.2dB/km，這比目前任何傳輸媒質(zhì)的損耗都低。因此，無(wú)中繼傳輸距離可達(dá)幾十、甚至上百公里。(2)信號(hào)串?dāng)_小、保密性能好、抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳。電通信不能解決各種電磁干擾問(wèn)題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾。(4)光纖尺寸小、重量輕,便于敷設(shè)和運(yùn)輸;(5)材料來(lái)源豐富,環(huán)境保護(hù)好，有利于節(jié)約有色金屬銅。(6)無(wú)輻射,難于竊聽(tīng),因?yàn)楣饫w傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外。(7)光纜適應(yīng)性強(qiáng),壽命長(zhǎng)。(8)質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度差。(9)光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設(shè)備和技術(shù)。分路、耦合不靈活。(10)光纖光纜的彎曲半徑不能過(guò)小利用光波在光導(dǎo)纖維中傳輸信息的通信方式．由于激光具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優(yōu)點(diǎn)，光纖通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纖通信．光纖激光器(1)基本原理光纖激光器和其他激光器一樣，由產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵(lì)光子躍遷的泵浦源三部分組成。光纖激光器原理示意圖

(2)特點(diǎn)光纖激光器的激光介質(zhì)本身就是導(dǎo)波介質(zhì)，因此其耦合效率高；光纖纖芯很細(xì)，纖內(nèi)易形成高功率密度，可方便地與光纖傳輸系統(tǒng)高效連接。光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果好，因此光纖激光器具有很高的轉(zhuǎn)換效率，很低的激光閾值，能在不加強(qiáng)制冷卻的情況下連續(xù)工作。光纖具有極好的柔繞性，激光器可以設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活，利于光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用。激光掃描系統(tǒng)工作過(guò)程計(jì)算機(jī)送來(lái)二進(jìn)制圖文點(diǎn)陣信息由接口電路送到字型發(fā)生器，產(chǎn)生所需要的二進(jìn)制脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)頻率合成器和功率放大器進(jìn)行合成、放大后送入光調(diào)制器，并對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制光再掃描到感光鼓上，這樣就完成了整個(gè)激光掃描過(guò)程。通過(guò)控制激光束的有和無(wú)，以及激光束的強(qiáng)弱，就可以控制打印的對(duì)比度，即所謂的“調(diào)制”。再配合感光鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一幅二維的電子潛像。二、激光打印機(jī)的工作過(guò)程(2)電子成像工作過(guò)程電子成像是將感光鼓上的二維電子潛像經(jīng)炭粉投影方式顯影，然后轉(zhuǎn)印到打印紙上，再經(jīng)加熱加壓定影，使粉末狀的墨粉微粒熔化滲入紙纖維中，成為永久性的打印輸出。整個(gè)工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單地概括為：充電－掃描曝光－墨粉顯影－轉(zhuǎn)印到紙上－加熱加壓定影輸出－消電－清掃剩余墨粉－光照－再次充電的循環(huán)過(guò)程。首先，當(dāng)機(jī)械部件開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，感光鼓上方的主電暈中一根屏蔽的鎢絲被充電到數(shù)千伏的高壓，使主電暈產(chǎn)生電暈放電，周?chē)目諝獗浑婋x?？諝庵械呢?fù)電荷被遷移到感光鼓表面，均勻地分布在鼓的上面，使感光鼓表面充滿(mǎn)電荷。然后，調(diào)制后的激光束(由激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)生)掃描到感光鼓，使布滿(mǎn)電荷的感光鼓被激光束照射的部分曝光，從而使感光鼓帶有不可視的靜電潛像——靜電電荷陣列。用墨粉對(duì)其進(jìn)行顯影，使墨粉附著在靜電潛像上。感光鼓再把墨粉圖像轉(zhuǎn)印到打印紙上并對(duì)其加熱加壓定影，使其熔化滲入到紙纖維中。這樣就把需要打印的文字或圖像轉(zhuǎn)印到打印紙上，成為永久性的打印輸出。在打印下一幅圖文信息之前，要將感光鼓上的剩余電荷及墨粉清除干凈。

視頻：激光打印機(jī)的工作原理(3)機(jī)械系統(tǒng)工作過(guò)程機(jī)械系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)打印紙?jiān)诩す獯蛴C(jī)中的傳送，此外圖像生成也需要機(jī)械系統(tǒng)的配合。

激光打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)