1、11.1 光纖通信中的激光器和光放大器1.光纖通信對半導體激光器光源的要求光纖通信對半導體激光器光源的要求 一、一、 半導體激光器半導體激光器半導體激光器是激光器中的一個大家族。它與固體半導體激光器是激光器中的一個大家族。它與固體激光器、氣體激光器以及其它類型的激光器相比，激光器、氣體激光器以及其它類型的激光器相比，具有體積小、重量輕、電光轉換效率高、可以直接具有體積小、重量輕、電光轉換效率高、可以直接調制、使用方便等優點，因此它非常適用于光纖通調制、使用方便等優點，因此它非常適用于光纖通信之中。如圖給出了光發射端機的工作原理。信之中。如圖給出了光發射端機的工作原理。 光發射端機組成方框圖光發

2、射端機組成方框圖 2. 作為通信光源的半導體激光器作為通信光源的半導體激光器 半導體激光器是光纖通信用的主要光源，由于半導體激光器是光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統具有不同的應用層次和結構，因而需光纖通信系統具有不同的應用層次和結構，因而需要不同類型的半導體激光器。要不同類型的半導體激光器。 (1) (1) 法布里珀羅激光器法布里珀羅激光器 法布里珀羅激光器（法布里珀羅激光器（fp-ld）是最常見、最普通）是最常見、最普通的半導體激光器，它的諧振腔由半導體材料的兩個的半導體激光器，它的諧振腔由半導體材料的兩個解理面構成。目前光纖通信上采用的解理面構成。目前光纖通信上采用的fp-ld的制作

3、的制作技術已經相當成熟。技術已經相當成熟。fp-ld的結構和制作工藝最簡的結構和制作工藝最簡單，成本最低，適用于調制速度小于單，成本最低，適用于調制速度小于622mbit/s的光的光纖通信系統。纖通信系統。(2)(2)分布反饋半導體激光器分布反饋半導體激光器 #實現動態單縱模工作的實現動態單縱模工作的最有效的方法之一就是在最有效的方法之一就是在半導體內部建立一個布拉半導體內部建立一個布拉格光柵，依靠光柵的選頻格光柵，依靠光柵的選頻原理來實現縱模選擇。分原理來實現縱模選擇。分布反饋布拉格半導體激光布反饋布拉格半導體激光器（器（dfb-ld）的特點在）的特點在于光柵分布在整個諧振腔于光柵分布在整個

4、諧振腔中，光波在反饋的同時獲中，光波在反饋的同時獲得增益，因此其單色性優得增益，因此其單色性優于一般的于一般的fp-ld。 dfb-ld結構示意圖結構示意圖 #在在dfb-lddfb-ld制作技術的發展過程中，人們發現直接制作技術的發展過程中，人們發現直接在有源層刻蝕光柵會引入污染和損傷，于是又提出在有源層刻蝕光柵會引入污染和損傷，于是又提出了如圖的了如圖的dfb-lddfb-ld結構。結構。(3)(3)分布布拉格反射半導體激光器分布布拉格反射半導體激光器 考慮到布拉格光柵反射性好的特點，將光柵置考慮到布拉格光柵反射性好的特點，將光柵置于激光器諧振腔的兩側或一側，增益區沒有光柵，于激光器諧振腔

5、的兩側或一側，增益區沒有光柵，光柵只相當于一個反射率隨波長變化的反射鏡，這光柵只相當于一個反射率隨波長變化的反射鏡，這樣就構成了樣就構成了dbr-lddbr-ld。其中，三電極。其中，三電極dbr-lddbr-ld是最典型是最典型的基于的基于dbr-lddbr-ld的單模波長可調諧半導體激光器，其的單模波長可調諧半導體激光器，其原理性結構如圖。原理性結構如圖。 三電極三電極dbr-lddbr-ld結構示意圖結構示意圖 (4)(4)垂直腔面發射激光器垂直腔面發射激光器 光數據傳輸和交換的多通道往往需要能夠光數據傳輸和交換的多通道往往需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發射激光器（二維集成的器件，而

6、垂直腔面發射激光器（vcselvcsel）是一）是一個很好的選擇。它與邊發射激光器最大的不同點是：出個很好的選擇。它與邊發射激光器最大的不同點是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。如圖為其典型結構圖，其上下分別為分布布拉格反射如圖為其典型結構圖，其上下分別為分布布拉格反射（dbrdbr）介質反射鏡，中間（）介質反射鏡，中間（ingaasningaasn）為量子阱有源區，）為量子阱有源區，氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結構，電流由氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結構，電流由p p、n n電極注入，光由箭頭方向發出。電極

7、注入，光由箭頭方向發出。 vcsel的典型結構示意圖的典型結構示意圖 二、二、 光纖激光器光纖激光器1. 光纖激光器的基本原理及其特點光纖激光器的基本原理及其特點 (1)(1)基本原理基本原理 光纖激光器和其他激光器一樣，由能產生光子的光纖激光器和其他激光器一樣，由能產生光子的增益介質、使光子得到反饋并在增益介質中進行諧振增益介質、使光子得到反饋并在增益介質中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組放大的光學諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。成。 光纖激光器原理示意圖光纖激光器原理示意圖 以以縱向泵浦的光纖激光器縱向泵浦的光纖激光器為例說明光纖激光器的基為例說明光纖激光器的

8、基本原理本原理 (2)(2)特點特點 耦合效率高基于激光介質本身就是導波介耦合效率高基于激光介質本身就是導波介質；光纖纖芯很細，纖內易形成高功率密度，可方質；光纖纖芯很細，纖內易形成高功率密度，可方便地與光纖傳輸系統高效連接。由于光纖具有很高便地與光纖傳輸系統高效連接。由于光纖具有很高的的“表面積表面積/ /體積體積”比，散熱效果好，因此光纖激比，散熱效果好，因此光纖激光器具有很高的轉換效率，很低的激光閾值，能在光器具有很高的轉換效率，很低的激光閾值，能在不加強制冷卻的情況下連續工作。又由于光纖具有不加強制冷卻的情況下連續工作。又由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可以設計得相當小巧靈活，極好的柔

9、繞性，激光器可以設計得相當小巧靈活，利于光纖通信系統的應用，同時可借助光纖方向耦利于光纖通信系統的應用，同時可借助光纖方向耦合器構成各種柔性諧振腔，使激光器的結構更加緊合器構成各種柔性諧振腔，使激光器的結構更加緊湊、穩定。光纖還具有相當多的可調諧參數和選擇湊、穩定。光纖還具有相當多的可調諧參數和選擇性，能獲得相當寬的調諧范圍和相當好的色散性和性，能獲得相當寬的調諧范圍和相當好的色散性和穩定性。穩定性。2.光纖激光器的分類及應用光纖激光器的分類及應用 (1)(1)稀土類摻雜光纖激光器稀土類摻雜光纖激光器 光纖激光器種類很多，光纖激光器種類很多，如如按光纖結構可分為：按光纖結構可分為：單包層光纖激

10、光器和雙包層光纖激光器；按摻雜元單包層光纖激光器和雙包層光纖激光器；按摻雜元素可分為：摻鉺、釹、鐠、銩、鐿、鈥等素可分為：摻鉺、釹、鐠、銩、鐿、鈥等1515種；種； 稀土元素包括稀土元素包括1515種元素，在元素周期表中位于第五種元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子行。目前在比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有：鉺（有：鉺（erer3+3+）、釹）、釹(nd(nd3+3+) )、鐠、鐠(pr(pr3+3+) )、銩、銩(tm(tm3+3+) )、鐿鐿(yd(yd3+3+) )。 這類激光器與摻雜光纖激光器相比具有這類激光器與摻雜光纖激光器相比具有更高的飽和功

11、率，且沒有泵浦源限制，在光更高的飽和功率，且沒有泵浦源限制，在光纖傳感、波分復用（纖傳感、波分復用（wdmwdm）及相干光通信系統中有）及相干光通信系統中有著重要應用。如圖為一種簡單的全光纖受激拉曼散著重要應用。如圖為一種簡單的全光纖受激拉曼散射激光器，這是一種單向環形行波腔，耦合器的光射激光器，這是一種單向環形行波腔，耦合器的光強耦合系數為強耦合系數為k k。一般典型的受激拉曼分子主要有。一般典型的受激拉曼分子主要有geogeo2 2、siosio2 2、p p2 2o o5 5。 受激拉曼散射光纖激光器示意圖受激拉曼散射光纖激光器示意圖 (2)(2)光纖受激拉曼散射激光器光纖受激拉曼散射激

12、光器 (3)(3)光纖光柵激光器光纖光柵激光器 dbrdbr光纖光柵激光器基本結構示意圖光纖光柵激光器基本結構示意圖 dbrdbr光纖激光器基本結構如圖，利用一段稀土光纖激光器基本結構如圖，利用一段稀土摻雜光纖和一對相同諧振波長的光纖光柵構成諧振摻雜光纖和一對相同諧振波長的光纖光柵構成諧振腔，它能實現單縱模工作。腔，它能實現單縱模工作。 dfbdfb光纖光柵激光器基本結構如圖，在稀土摻雜光光纖光柵激光器基本結構如圖，在稀土摻雜光纖上直接寫入的光柵構成諧振腔，其有源區和反饋纖上直接寫入的光柵構成諧振腔，其有源區和反饋區同為一體。區同為一體。 dfb光纖光柵激光器基本結構示意圖光纖光柵激光器基本結

13、構示意圖 三、三、 光放大器光放大器1.光放大器是放大光信號的器件，它在光纖通信光放大器是放大光信號的器件，它在光纖通信領域中的主要功能有領域中的主要功能有（1）光功率提升放大。將光放大器置于光發射機光功率提升放大。將光放大器置于光發射機前端，以提高入纖的光功率。前端，以提高入纖的光功率。（2）在線中繼放大。在光纖通信系統中取代現有在線中繼放大。在光纖通信系統中取代現有的中繼器。的中繼器。 （3）前置放大。在接收端的光電檢測器之前先將前置放大。在接收端的光電檢測器之前先將微弱的光信號進行預放，以提高接收的靈敏度。微弱的光信號進行預放，以提高接收的靈敏度。光放大器在干線光纖通信系統中的應用示意圖

14、光放大器在干線光纖通信系統中的應用示意圖 2.如如圖為光放大器在干線光纖系統中的應用示意圖。圖為光放大器在干線光纖系統中的應用示意圖。圖中（圖中（a a）為無中繼系統，圖（）為無中繼系統，圖（b b）中采用）中采用光放大器作功率放大器和接收機前置放大器，圖光放大器作功率放大器和接收機前置放大器，圖（c c）為線內多中繼系統）為線內多中繼系統，圖（圖（d d）中用光放大器作）中用光放大器作為在線中繼放大器或為在線中繼放大器或1r1r（僅有整形功能）中繼器（僅有整形功能）中繼器3.光纖通信中主要的光放大器有以下幾類：光纖通信中主要的光放大器有以下幾類：twsla 的基本結構示意圖的基本結構示意圖（

15、1 1）半導體光放大器半導體光放大器 （slasla）如圖為行波型光放大器的基本結構示意圖，如圖為行波型光放大器的基本結構示意圖，行波光行波光放大器的帶寬比放大器的帶寬比法布里珀羅法布里珀羅型放大器大三個數量型放大器大三個數量級，其級，其3db帶寬可達帶寬可達10thz，因此可放大多種頻率，因此可放大多種頻率的光信號，所以是很有前途的一種光放大器。的光信號，所以是很有前途的一種光放大器。 行波半導體光放大器具有寬的增益帶寬、足夠行波半導體光放大器具有寬的增益帶寬、足夠的小信號增益、對偏振不靈敏的信號增益、高的飽的小信號增益、對偏振不靈敏的信號增益、高的飽和輸出功率、低的放大器的噪聲等性能。和輸

16、出功率、低的放大器的噪聲等性能。摻雜光纖放大器的結構示意圖摻雜光纖放大器的結構示意圖 （2 2） 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 (edfa)(edfa)摻雜（如摻雜（如er3）光纖放大器的結構如圖。它由）光纖放大器的結構如圖。它由三部分組成：一是長度為幾米到幾十米的摻雜光纖；三部分組成：一是長度為幾米到幾十米的摻雜光纖；二是激光泵浦源；三是耦合器二是激光泵浦源；三是耦合器 一個一個edfaedfa的完整結構應包括如下幾部分：鉺石的完整結構應包括如下幾部分：鉺石英光纖作為有源介質；高功率泵浦光源；英光纖作為有源介質；高功率泵浦光源； 光纖耦合光纖耦合器，用于信號光與泵浦光的合路；偏振不靈敏光隔器

17、，用于信號光與泵浦光的合路；偏振不靈敏光隔離器，用于消除反射抑制振蕩；離器，用于消除反射抑制振蕩；窄帶光濾波器，用窄帶光濾波器，用以降低自發輻射噪聲。以降低自發輻射噪聲。 edfa的結構示意圖的結構示意圖 鉺光纖及泵浦源是鉺光纖及泵浦源是edfaedfa的關鍵和研究重點。的關鍵和研究重點。根據泵浦光和信號光傳播方向的相對關系，根據泵浦光和信號光傳播方向的相對關系，edfaedfa的結構又可分為同向泵浦、反向泵浦和雙的結構又可分為同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。它們的具體結構圖分別如下圖（向泵浦。它們的具體結構圖分別如下圖（a a）（）（b b）（c c）所示。）所示。 光纖拉曼放大器示意圖光纖拉

18、曼放大器示意圖 （3 3） 非線性光纖放大器（非線性光纖放大器（如光纖喇曼放大器如光纖喇曼放大器） 普通石英光纖在合適波長的強泵浦光作用普通石英光纖在合適波長的強泵浦光作用下會產生強烈的非線性效應，如受激喇曼散射下會產生強烈的非線性效應，如受激喇曼散射（srssrs）和受激布里淵散射（）和受激布里淵散射（sbssbs），當信號光沿著），當信號光沿著光纖與泵浦光一起傳輸時就能把信號光放大如圖，光纖與泵浦光一起傳輸時就能把信號光放大如圖，從而構成光纖喇曼放大器（從而構成光纖喇曼放大器（frafra）和布里淵放大器）和布里淵放大器（fbafba），它們都是分布式光纖放大器。），它們都是分布式光纖放大

19、器。 11.2 11.2 激光全息三維顯示激光全息三維顯示一、一、 全息術的歷史回顧全息術的歷史回顧 全息術不斷發展，至今已經歷三個階段。從蓋伯最全息術不斷發展，至今已經歷三個階段。從蓋伯最早提出全息術的思想之后的十多年，這個時期是全早提出全息術的思想之后的十多年，這個時期是全息術的萌芽階段。這一階段的全息術主要是理論研息術的萌芽階段。這一階段的全息術主要是理論研究和少量的實驗。全息術發展的第二階段是在究和少量的實驗。全息術發展的第二階段是在19601960年激光出現以后。年激光出現以后。2020世紀世紀8080年代以后延續至今是全年代以后延續至今是全息發展的第三階段。息發展的第三階段。 （1

20、 1）全息術不僅記錄物體的散射光強，還記錄了散射光）全息術不僅記錄物體的散射光強，還記錄了散射光的相位，能再現原物的立體圖像。的相位，能再現原物的立體圖像。下圖為全息照相的拍下圖為全息照相的拍攝和再現攝和再現光路。光路。二、二、 激光全息術的基本原理和分類激光全息術的基本原理和分類 全息照相的拍攝和再現原理示意圖（2 2）全息圖分為以下六種全息圖分為以下六種按照記錄介質的膜厚分類按照記錄介質的膜厚分類平面全息圖平面全息圖體積全息圖體積全息圖按照透射率函數的特點分類按照透射率函數的特點分類振幅型振幅型位相型位相型表面浮雕型表面浮雕型折射率型折射率型按照記錄的物光波特點分類按照記錄的物光波特點分類

21、菲涅耳全息圖菲涅耳全息圖夫瑯和費全息圖夫瑯和費全息圖傅里葉變換全息圖傅里葉變換全息圖按照再現時對照明光的要求分類按照再現時對照明光的要求分類激光再現激光再現白光再現白光再現透射型透射型按照再現時觀察者和光源的相對位置按照再現時觀察者和光源的相對位置反射型反射型按照顯示的再現像特征分類按照顯示的再現像特征分類像面全息像面全息彩虹全息彩虹全息3603600 0全息全息真彩色全息真彩色全息1.1.白光反射全息圖白光反射全息圖 三、三、白光再現的全息三維顯示白光再現的全息三維顯示白光反射全息圖是較為簡單的一種白光再現全息圖，白光反射全息圖是較為簡單的一種白光再現全息圖，其記錄和再現光路如圖。其記錄和再

22、現光路如圖。 2.2.像面全息圖像面全息圖 像面全息圖需要利用透鏡，記錄的是物體像面全息圖需要利用透鏡，記錄的是物體的幾何像。全息圖的記錄的幾何像。全息圖的記錄如如圖圖a a。白光再現。白光再現如如圖圖b b。 3.彩虹全息圖 彩虹全息圖因再現像存在彩虹全息圖因再現像存在彩虹般的色彩而得名，其彩虹般的色彩而得名，其基本方法是二步彩虹全息基本方法是二步彩虹全息圖圖。二步彩虹全息的基本原理4.4.真彩色全息真彩色全息 為了能反映物體的本來面貌（也包括顏為了能反映物體的本來面貌（也包括顏色信息），真彩色全息術的研究課題引起了人們的色信息），真彩色全息術的研究課題引起了人們的重視。目前已有多種真彩色全

23、息圖的制作方法，如重視。目前已有多種真彩色全息圖的制作方法，如白光反射型真彩色全息、夾層真彩色全息、假彩色白光反射型真彩色全息、夾層真彩色全息、假彩色編碼的真彩色全息等，但是這些方法均還處于研究編碼的真彩色全息等，但是這些方法均還處于研究階段，應用推廣還有一定的困難。階段，應用推廣還有一定的困難。 5.5.合成全息合成全息 360 3600 0全息可以顯示出物體全息可以顯示出物體3603600 0一周的像，其三一周的像，其三維立體感更強。維立體感更強。 其其記錄分兩步，第一步是將被拍記錄分兩步，第一步是將被拍攝的物體置于可繞中心軸旋轉的平臺上，用普通白攝的物體置于可繞中心軸旋轉的平臺上，用普通

24、白光照明，當平臺轉動時，用電影攝影機對物體連續光照明，當平臺轉動時，用電影攝影機對物體連續攝影，第二步是合成過程，利用彩虹全息光路，且攝影，第二步是合成過程，利用彩虹全息光路，且在光路中插入一狹縫，用全息軟片記錄。再現時，在光路中插入一狹縫，用全息軟片記錄。再現時，觀察者能見到一個連續動作的立體像，像的顏色和觀察者能見到一個連續動作的立體像，像的顏色和彩虹全息的像相同，像的垂直方向視差也與彩虹全彩虹全息的像相同，像的垂直方向視差也與彩虹全息再現像一樣受到限制。息再現像一樣受到限制。 3600合成彩虹全息術的基本原理6.6.模壓全息模壓全息 目前所見的模壓全息圖大多數采用彩虹全息光目前所見的模壓

25、全息圖大多數采用彩虹全息光路制作模壓母版。根據模壓工藝的要求，模壓母版路制作模壓母版。根據模壓工藝的要求，模壓母版需要制成浮雕型，通常采用光刻膠版材料制作全息需要制成浮雕型，通常采用光刻膠版材料制作全息母版，然后對全息母版進行處理，以電鍍、電化學母版，然后對全息母版進行處理，以電鍍、電化學方法制作金屬模壓版，最后以這個金屬模壓版去壓方法制作金屬模壓版，最后以這個金屬模壓版去壓印滌綸薄膜，得到大量的與原全息母版一樣的高衍印滌綸薄膜，得到大量的與原全息母版一樣的高衍射效率的模壓全息圖。射效率的模壓全息圖。 1.1.計算全息圖的制作和再現過程主要步驟計算全息圖的制作和再現過程主要步驟 四、四、 計算

26、全息圖計算全息圖抽樣，對物體或其波面抽樣，得到在離散樣點上抽樣，對物體或其波面抽樣，得到在離散樣點上的值；的值；計算，計算物光波和參考光波疊加后在全計算，計算物光波和參考光波疊加后在全息平面上形成的光場分布；息平面上形成的光場分布；編碼，把全息平面上編碼，把全息平面上的光波復振幅分布編碼成全息圖的透過率分布；的光波復振幅分布編碼成全息圖的透過率分布；成圖，在計算機控制下，將全息圖的透過率變化在成圖，在計算機控制下，將全息圖的透過率變化在成圖設備上成圖，再經光學縮版得到實用的全息圖；成圖設備上成圖，再經光學縮版得到實用的全息圖；再現，需用光學方法再現出物光波再現，需用光學方法再現出物光波 2.2

27、.計算全息的主要應用范圍計算全息的主要應用范圍 二維和三維物體像的顯示；二維和三維物體像的顯示；在光學信息處理中用在光學信息處理中用計算全息制作各種空間濾波器；計算全息制作各種空間濾波器；產生特定波面的光產生特定波面的光波用于全息干涉計量；波用于全息干涉計量；激光掃描器；激光掃描器；數據存貯。數據存貯。 3.3.計算全息的優點計算全息的優點 可以記錄物理上不存在的虛擬實物，只要知道可以記錄物理上不存在的虛擬實物，只要知道物體的數學表達式就可用計算全息記錄下這個物體物體的數學表達式就可用計算全息記錄下這個物體的光波，并再現該物體的像。的光波，并再現該物體的像。 五、五、 激光全息三維顯示的優點激

28、光全息三維顯示的優點1 1激光全息三維顯示用于科學研究激光全息三維顯示用于科學研究 六、六、 激光全息三維顯示的應用激光全息三維顯示的應用（1 1）在顯微領域的應用）在顯微領域的應用 全息顯微鏡具有高分辨率、高成像質量的優勢，它全息顯微鏡具有高分辨率、高成像質量的優勢，它已用于透明或不透明的生物細胞、分子和醫學器官已用于透明或不透明的生物細胞、分子和醫學器官等的三維放大、顯示。等的三維放大、顯示。 激光全息三維顯示技術卻可以在較大的視野激光全息三維顯示技術卻可以在較大的視野內獲得水下物體的清晰像內獲得水下物體的清晰像 2.2.激光全息三維顯示應用于工業產品檢測中激光全息三維顯示應用于工業產品檢

29、測中 （2 2）在海洋科學中的應用）在海洋科學中的應用 全息顯示和干涉測量技術結合形成了全息干涉全息顯示和干涉測量技術結合形成了全息干涉測量技術，也叫三維干涉測量技術，它特別適用于測量技術，也叫三維干涉測量技術，它特別適用于各種材料的無損檢測。各種材料的無損檢測。 3 3激光全息三維顯示應用于商業領域激光全息三維顯示應用于商業領域 激光計算全息圖將激光全息技術和計算機技術激光計算全息圖將激光全息技術和計算機技術結合起來，形成了新的數字化、自動化象素全息三結合起來，形成了新的數字化、自動化象素全息三維顯示技術。全息圖顏色鮮艷逼真，水平和垂直動維顯示技術。全息圖顏色鮮艷逼真，水平和垂直動態視場分別

30、可達態視場分別可達100100度，全息圖尺寸可以任意大度，全息圖尺寸可以任意大 4.4. 激光計算全息三維顯示應用于虛擬物品設計方激光計算全息三維顯示應用于虛擬物品設計方面面 5.5.激光全息三維顯示用于文教藝術方面激光全息三維顯示用于文教藝術方面 6.6.激光全息三維顯示用于多媒體領域激光全息三維顯示用于多媒體領域 各種全息圖本身就是一種文藝品，可以制各種全息圖本身就是一種文藝品，可以制作成惟妙惟肖的三維立體圖片去美化人們的生活。作成惟妙惟肖的三維立體圖片去美化人們的生活。全息與藝術的結合已經開辟了廣闊的領域，種類繁全息與藝術的結合已經開辟了廣闊的領域，種類繁多的全息藝術制品早已走進市場，走

31、入尋常百姓的多的全息藝術制品早已走進市場，走入尋常百姓的生活中。全息圖在科教中可作為三維立體模型、三生活中。全息圖在科教中可作為三維立體模型、三維掛圖、雜志和教科書的立體插圖等等。維掛圖、雜志和教科書的立體插圖等等。 正如全息照片不同于普通的立體照片一樣，全正如全息照片不同于普通的立體照片一樣，全息電影與用偏光鏡觀看的立體電影也截然不同，它息電影與用偏光鏡觀看的立體電影也截然不同，它的突出特點是三維立體性。的突出特點是三維立體性。 7.7.激光全息三維顯示應用于地理地形、地質勘激光全息三維顯示應用于地理地形、地質勘測和氣象觀察等領域測和氣象觀察等領域 利用全息技術，利用全息技術，可可將不同高度

32、和角度的地形地將不同高度和角度的地形地貌拍攝成多幅全息圖，則再現時，得到三維立體圖貌拍攝成多幅全息圖，則再現時，得到三維立體圖像，從而可取得更直觀的觀測效果。像，從而可取得更直觀的觀測效果。 8.8.激光全息三維顯示應用于軍事、醫學和財經等領激光全息三維顯示應用于軍事、醫學和財經等領域域 利用真彩色顯示在軍事上可進行軍事模擬訓練利用真彩色顯示在軍事上可進行軍事模擬訓練和模擬演習，三維的立體場景將顯著增強現場的真和模擬演習，三維的立體場景將顯著增強現場的真實感和實戰氣息。實感和實戰氣息。 （1 1）防偽新技術中的激光全息顯示。）防偽新技術中的激光全息顯示。 七、七、 激光全息三維顯示技術的展望激

33、光全息三維顯示技術的展望（2 2）大面積顯示全息圖和全息顯示一體化產品的）大面積顯示全息圖和全息顯示一體化產品的研制。研制。 目前的產品存在兩個問題：一是面積太小，作目前的產品存在兩個問題：一是面積太小，作為高檔次藝術掛圖必需制作大面積全息圖，這對全為高檔次藝術掛圖必需制作大面積全息圖，這對全息記錄材料和圖像制作技術提出了挑戰；二是全息息記錄材料和圖像制作技術提出了挑戰；二是全息圖的顯示必須在室內裝有白熾燈或激光器并以特定圖的顯示必須在室內裝有白熾燈或激光器并以特定的角度照明，才能顯示出三維立體像的最佳觀賞效的角度照明，才能顯示出三維立體像的最佳觀賞效果。果。 （3 3）干涉計量用激光全息彩虹

34、相機的研究。）干涉計量用激光全息彩虹相機的研究。 激光全息干涉計量在無損探傷、應力與應變、激光全息干涉計量在無損探傷、應力與應變、以及光測力學等度量研究中有著廣泛的應用前景。以及光測力學等度量研究中有著廣泛的應用前景。 （4 4）激光全息立體顯示屏幕的研究）激光全息立體顯示屏幕的研究 數字全息圖的研究，將促進數字全息圖的研究，將促進“全息全息”電視或真電視或真正意義上的全息電影的問世。正意義上的全息電影的問世。 （5 5）計算全息三維顯示技術及其應用的研究。）計算全息三維顯示技術及其應用的研究。 計算全息首次將計算機引入光學處理領域，具計算全息首次將計算機引入光學處理領域，具有獨特的優勢和極大

35、的靈活性，尤其是能夠將復雜有獨特的優勢和極大的靈活性，尤其是能夠將復雜或虛擬的物體三維、完整地顯示出來，這開拓了全或虛擬的物體三維、完整地顯示出來，這開拓了全息技術在信息時代廣泛應用的新途徑。息技術在信息時代廣泛應用的新途徑。 11.3 11.3 激光存儲技術激光存儲技術一、一、 激光存儲的基本原理、分類及特點激光存儲的基本原理、分類及特點1 1. .激光存儲是利用材料的某種性質對光敏感。帶有激光存儲是利用材料的某種性質對光敏感。帶有信息的光照射材料時，該性質發生改變，且能夠在信息的光照射材料時，該性質發生改變，且能夠在材料中記錄這種改變，這就實現了光信息的存儲。材料中記錄這種改變，這就實現了

36、光信息的存儲。 2 2. .光存儲的分類有很多種，如按數據存取方式可分光存儲的分類有很多種，如按數據存取方式可分為光打點式存儲和頁面并行存儲；按存儲介質的厚為光打點式存儲和頁面并行存儲；按存儲介質的厚度可分為二維存儲和三維存儲；按鑒別存儲數據的度可分為二維存儲和三維存儲；按鑒別存儲數據的方式可分為位置選擇存儲和頻率選擇存儲等等。方式可分為位置選擇存儲和頻率選擇存儲等等。3 3. .特點：特點：（1 1）數據存儲密度高、容量大。數據存儲密度高、容量大。 （2 2）壽命長。）壽命長。（3 3）非接觸式讀）非接觸式讀/ /寫和擦。寫和擦。 （4 4）信息位價格低。）信息位價格低。 二、二、 激光光盤

37、存儲激光光盤存儲1.1. 激光激光光盤存儲的基本原理光盤存儲的基本原理 基本的激光光盤系統示意圖基本的激光光盤系統示意圖（1 1）光盤存儲包括信息）光盤存儲包括信息“寫入寫入”和和“讀出讀出”兩個兩個過程。如圖為一基本的光盤系統圖。過程。如圖為一基本的光盤系統圖。 激光光盤記錄斑示意圖激光光盤記錄斑示意圖（2 2）光盤是在襯盤上淀積了記錄介質及其保光盤是在襯盤上淀積了記錄介質及其保護膜的盤片，在記錄介質表面沿螺旋形軌道，護膜的盤片，在記錄介質表面沿螺旋形軌道，以信息斑的形式寫入大量的信息，其記錄軌道以信息斑的形式寫入大量的信息，其記錄軌道的密度達的密度達10001000道道mmmm左右。左右。

38、 2.2.激光光盤的類型激光光盤的類型 (1)(1)只讀存儲只讀存儲(read only memory)(read only memory)光盤光盤 只讀式存儲光盤的記錄介質主要是光刻膠，記只讀式存儲光盤的記錄介質主要是光刻膠，記錄方式是先將信息刻錄在介質上制成母盤，然后進錄方式是先將信息刻錄在介質上制成母盤，然后進行模壓復制大量子盤。行模壓復制大量子盤。 (2)(2)一次寫入光盤一次寫入光盤wormworm 一次寫人光盤利用聚焦激光在介質的光照微區一次寫人光盤利用聚焦激光在介質的光照微區產生不可逆的物理或化學變化寫入信息。產生不可逆的物理或化學變化寫入信息。 (3)(3)可擦重寫光盤可擦重寫

39、光盤 這類光盤顧名思義這類光盤顧名思義可多次寫入、讀取信息，但寫入可多次寫入、讀取信息，但寫入前需先將已有的信息擦去，然后再寫入新的信息，前需先將已有的信息擦去，然后再寫入新的信息，即寫、擦信息是分開的兩個過程。即寫、擦信息是分開的兩個過程。 (4)(4)直接重寫光盤直接重寫光盤(overwrite)(overwrite) 可擦重寫光盤需要擦、寫兩次動作完成信息的更換，可擦重寫光盤需要擦、寫兩次動作完成信息的更換，這使光盤數據傳輸速率受到限制。這使光盤數據傳輸速率受到限制。 3.3.激光光盤存儲器激光光盤存儲器 (1)(1)激光光盤存儲器由光存儲盤片及其驅動器組成。激光光盤存儲器由光存儲盤片及

40、其驅動器組成。驅動器提供高質量讀出光束、引導精密光學頭、讀驅動器提供高質量讀出光束、引導精密光學頭、讀出信息、給出檢測光盤聚焦誤差信號并實現光束高出信息、給出檢測光盤聚焦誤差信號并實現光束高精度伺服跟蹤等功能。精度伺服跟蹤等功能。 (2)(2)光盤存儲器的光學系統大致可分為單光束光光盤存儲器的光學系統大致可分為單光束光學系統和雙光束光學系統兩類。單光束光學系統學系統和雙光束光學系統兩類。單光束光學系統適合于只讀光盤和一次寫入光盤，具備信息的寫適合于只讀光盤和一次寫入光盤，具備信息的寫讀功能，而雙光束光學系統用于可擦重寫光盤。讀功能，而雙光束光學系統用于可擦重寫光盤。下面以雙光束光學系統為例簡單

41、介紹。下面以雙光束光學系統為例簡單介紹。 三、三、激光體全息光存儲激光體全息光存儲與磁存儲技術和光盤存儲技術相比，全息存儲有以與磁存儲技術和光盤存儲技術相比，全息存儲有以下特點和優點：下特點和優點： (1)(1)高冗余度高冗余度(2)(2)存儲容量大存儲容量大(3)(3)數據并行傳輸數據并行傳輸(4)(4)尋尋址速度快址速度快 (5)(5)關聯尋址功能關聯尋址功能 1.1.體全息存儲的原理體全息存儲的原理 體全息圖光路示意圖體全息圖光路示意圖(1)(1)數字數據的存儲數字數據的存儲 2.2.全息存儲的應用全息存儲的應用 19971997年，一個集成化的角度復用全息存儲模塊由年，一個集成化的角度

42、復用全息存儲模塊由droletdrolet等人設計出來。等人設計出來。 緊湊型集成化的角度復用全息存儲模塊緊湊型集成化的角度復用全息存儲模塊如圖給如圖給出基于全息存儲技術的分塊盤式全息存出基于全息存儲技術的分塊盤式全息存儲示意圖，圖中沿盤面上的同心圓軌道上劃分儲示意圖，圖中沿盤面上的同心圓軌道上劃分為互不重疊的空間位置為互不重疊的空間位置( (全息塊全息塊) )，每個位置上，每個位置上復用存儲大量全息圖。復用存儲大量全息圖。 分塊式全息存儲盤的示意圖分塊式全息存儲盤的示意圖(2)(2)超大容量全息存儲器超大容量全息存儲器 四、四、 激光存儲技術的新進展激光存儲技術的新進展 電子俘獲存儲方式可具

43、有這些特點，它是通電子俘獲存儲方式可具有這些特點，它是通過低能量激光去俘獲光盤特定斑點處的電子來實過低能量激光去俘獲光盤特定斑點處的電子來實現存儲的，它是一種高度局域化的光電子過程。現存儲的，它是一種高度局域化的光電子過程。 1.1.電子俘獲存儲技術電子俘獲存儲技術 2.2.光學雙光子雙穩態三維數字存儲光學雙光子雙穩態三維數字存儲 基于高速響應、鎖模脈沖激光器的雙光子吸收基于高速響應、鎖模脈沖激光器的雙光子吸收產生了光學雙光子雙穩態三維數字記錄方法，其基產生了光學雙光子雙穩態三維數字記錄方法，其基本原理是根據兩種光子同時作用于原子時，能使介本原理是根據兩種光子同時作用于原子時，能使介質的原子中

44、某一特定能級上的電子激發至另一穩態，質的原子中某一特定能級上的電子激發至另一穩態，并使其光學性能發生變化，所以若使兩個光束從兩并使其光學性能發生變化，所以若使兩個光束從兩個方向聚焦至材料的同一空間點時，便可實現三維個方向聚焦至材料的同一空間點時，便可實現三維空間的尋址寫入。空間的尋址寫入。 3.3.持續光譜燒孔技術持續光譜燒孔技術 持續光譜燒孔持續光譜燒孔(pshb(pshb： persistent persistent spectral holespectral holeburning)burning)技術利用對不同頻率的技術利用對不同頻率的光吸收率不同來識別不同分子，它有可能使光存光吸收率

45、不同來識別不同分子，它有可能使光存儲的記錄密度提高儲的記錄密度提高3 34 4個數量級，它屬于四維光個數量級，它屬于四維光存儲。如存儲。如圖為光譜燒孔的原理示意圖。圖為光譜燒孔的原理示意圖。 4.4.光存儲技術的發展趨勢光存儲技術的發展趨勢 從整個學科發展的角度預測，高密度激光存從整個學科發展的角度預測，高密度激光存儲技術的主要發展將著重于：儲技術的主要發展將著重于：(1)(1)最基本、有效的最基本、有效的數字式記錄方式。數字式記錄方式。(2)(2)進一步縮小記錄單元。進一步縮小記錄單元。(3)(3)從目前的二維存儲向多維存儲發展。從目前的二維存儲向多維存儲發展。(4)(4)并行讀寫并行讀寫逐

46、步代替串行讀寫，以提高數據的讀取傳輸率。逐步代替串行讀寫，以提高數據的讀取傳輸率。(5)(5)改善和發展存儲系統的尋址方法，努力實現無改善和發展存儲系統的尋址方法，努力實現無機械尋址的實用化機械尋址的實用化(6)(6)光學信息存儲同光學信息處光學信息存儲同光學信息處理相結合理相結合。 11.4 11.4 激光掃描和激光打印機激光掃描和激光打印機一、一、 激光掃描激光掃描1. 1. 激光掃描器激光掃描器 低慣量掃描器是指采用反射鏡偏轉光束并低慣量掃描器是指采用反射鏡偏轉光束并具有低轉動慣量轉子的掃描器，它具有靈活、具有低轉動慣量轉子的掃描器，它具有靈活、體積小等優點。低慣量掃描器又可以分為檢流計

47、掃體積小等優點。低慣量掃描器又可以分為檢流計掃描器和諧振鏡掃描器。采用活動鐵芯結構的、典型描器和諧振鏡掃描器。采用活動鐵芯結構的、典型檢流計型掃描器如圖，主要由電磁驅動檢流計型掃描器如圖，主要由電磁驅動( (包括帶滾包括帶滾球軸承的轉子球軸承的轉子) )和位置傳感器兩個主要部分組成。和位置傳感器兩個主要部分組成。 (1)(1)低慣量掃描器低慣量掃描器 檢流計型動鐵低慣量掃描儀的結構常用的感應驅動線圈諧振鏡掃描器典型結構常用的感應驅動線圈諧振鏡掃描器典型結構如圖，包括平衡的扭力桿和電感轉矩驅動部分。如圖，包括平衡的扭力桿和電感轉矩驅動部分。 感應驅動線圈諧振鏡掃描器結構感應驅動線圈諧振鏡掃描器結

48、構簡單雙鏡系統光路圖簡單雙鏡系統光路圖低慣量掃描器常用于二維平面場掃描，其低慣量掃描器常用于二維平面場掃描，其結構主要有簡單的雙鏡系統、中繼透鏡系統結構主要有簡單的雙鏡系統、中繼透鏡系統和槳形雙鏡系統等。簡單雙鏡系統的光路圖和槳形雙鏡系統等。簡單雙鏡系統的光路圖如圖。如圖。 中繼透鏡系統光路圖中繼透鏡系統光路圖中繼透鏡系統的光路如圖中繼透鏡系統的光路如圖。漿形雙鏡系統光路圖漿形雙鏡系統光路圖槳形雙鏡系統的光路圖如圖，兩根掃描軸正交、槳形雙鏡系統的光路圖如圖，兩根掃描軸正交、共面，形成一個共面，形成一個x-yx-y平面。以平面。以x x軸旋轉的反射鏡軸旋轉的反射鏡（x x鏡）轉軸在反射鏡的一邊，以鏡）轉軸在反射鏡的一邊，以y y軸旋轉的反射軸旋轉的反射鏡（鏡（y y軸）轉軸在反射鏡的中間，兩個鏡面在與軸）轉軸在反射鏡的中間，兩個鏡面在與x-yx-y平面相交都為平面相交都為4545。當入射光束以平行。當入射光束以平行y y軸的軸的方向入射，且在方向入射，且在x x鏡轉角很小的一級近似的情況鏡轉