1、激光技術在信息技術中的應用激光全息技術光纖通信激光打印激光掃描激光存儲激光全息技術一、全息術歷史回顧 1947年英國物理學家丹尼斯蓋伯(Dennis Gabor)首先提出“波前重建”的構想，為全息術的誕生奠定了理論基礎。1971年，瑞典諾貝爾獎委員會為了表彰蓋伯對全息術的發(fā)明和發(fā)展所作出的開創(chuàng)性貢獻，授予他該年度諾貝爾物理學獎。 全息術至今已經(jīng)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(fā)展的第二階段是在1960年激光出現(xiàn)以后。1963年，美國密執(zhí)安大學的利思(N.Leith)和烏帕特尼克斯(J.Upatn

2、icks)提出的離軸全息術，使全息術在沉睡了十幾年之后得到了新生。但當時全息術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80年代以后延續(xù)至今是全息發(fā)展的第三階段?？茖W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。應用白光再現(xiàn)的全息術由于走出實驗室，可在白晝自然環(huán)境中或者在一般白光照明下觀看到物體的三維影像，使得激光全息顯示技術在得以迅速發(fā)展。 二、激光全息術的原理 全息術，又稱全息照相術，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，還記錄了散射光的相位，正因為如此才能再現(xiàn)原物的立體圖像。

3、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 為了記錄物體光波的相位，全息圖的拍攝需要基于光波的干涉原理。 激光器發(fā)出的光束由分光鏡一分為二，其中一束直接照射在記錄介質(zhì)上，稱為參考光束；另一束照到被攝物體上，由物體散射的光射到記錄介質(zhì)上，稱為物光束。物光束中與參考光干涉后形成密密麻麻的干涉條紋，這些條紋的密度和位置反映物體的各部分散射光的相位變化，條紋的明暗對比度(即反差)則與散射光的強度對應。這樣就將物體的全部信息記錄下來，得到了一張全息圖。 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規(guī)則的衍射光柵。用與拍攝時完全相同的激光作

4、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衍射光波和兩列（1級）衍射光波。其中一列衍射光波與位于原物體位置的實際物體發(fā)出的光波完全相同，當這個光波被人眼接收時，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)了原物體的共軛實像，它位于觀察者的同側。 視頻：全息攝影三、計算全息圖 傳統(tǒng)的全息圖均是用光學方法產(chǎn)生的。對于實際不存在的物體，當知道物體光波的數(shù)學描述時，也可以利用計算機控制繪圖儀或其它記錄裝置(如陰極射線管、電子束掃描器等)將模擬的干涉圖樣繪制和復制在透明膠片上。這種計算機合成的全息圖稱為計算全息圖(Computer-Generated Hologram，簡稱CGH)。

5、 1965年，在美國IBM公司工作的德國光學專家羅曼(AwLohmann)使用計算機和繪圖儀做出了世界上第一個計算全息圖。 計算全息的優(yōu)點： 可以記錄物理上不存在的虛擬實物，只要知道物體的數(shù)學表達式就可用計算全息記錄下這個物體的光波，并再現(xiàn)該物體的像。非常適宜于三維虛構物體的顯示。而且，它的三維像再現(xiàn)是現(xiàn)有技術所能得到的唯一的三維虛構像，因而具有重要的科學意義。 視頻：全息立體城市四、數(shù)字全息技術 數(shù)字全息的思想早在1967年就由J.W.Goodman 和R.W.Lawrence提出來了，當時由于沒有高分辨率的數(shù)字光敏器件和高性能的計算機，在很長一段時間內(nèi)沒有什么發(fā)展。直到90年代，高分辨率電

6、荷耦合器（CCD）的出現(xiàn)和計算機技術的進步，才促使數(shù)字全息的研究得以開展。 數(shù)字全息術的基本原理是用光敏電子成像器件（如CCD）代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學全息中的記錄材料（干版或軟片）實現(xiàn)全息圖的記錄，并用計算機模擬光學衍射過程來實現(xiàn)所記錄波前的再現(xiàn)，從而使全息信息的記錄、存儲、處理和再現(xiàn)真正實現(xiàn)數(shù)字化。 視頻：數(shù)字全息技術eBay廣告.數(shù)字全息圖的制作和再現(xiàn) 數(shù)字全息與光學全息的成像過程一樣，包括物體的波前記錄和再現(xiàn)，其具體步驟如下： 抽樣：物光波與參考光波在CCD上表面發(fā)生干涉，干涉圖案的光強被CCD記錄并抽樣； 量化：由數(shù)據(jù)采集卡采集抽樣數(shù)據(jù)并進行模/數(shù)轉換和量化，得到離散的數(shù)據(jù)信息； 量化數(shù)據(jù)的獲取

7、與處理：由計算機獲取離散的數(shù)據(jù)信息，進行噪聲抑制、干擾項消除、對比度增強等預處理； 數(shù)字全息圖的形成：由計算機的內(nèi)存儲器保存預處理后的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化的全息圖（Digital hologram）； 再現(xiàn)：由計算機模擬光學全息的再現(xiàn)過程，即通過計算機的數(shù)值計算，獲得再現(xiàn)像光波場的復振幅分布、強度分布和相位分布，進行相關的后處理之后，在顯示器上將強度和相位信息顯示出來，從而獲得物體的再現(xiàn)像。 五、激光全息三維顯示的優(yōu)點 1.由于全息照相記錄了物體光波的全部信息，其再現(xiàn)的物像就和原來的物體一模一樣，是一個十分逼真的立體像。 2.激光全息照片的每一部分，無論有多小，都能再現(xiàn)原物體的整個圖像，所以全

8、息照片即使有缺損，仍能再現(xiàn)被拍攝的全部景象。 3.同一張底片上，適當選擇參考光波的入射角，可多次曝光記錄多個物體的信息，再現(xiàn)時每個物像不受其它物像的干擾，被單獨地顯示出來。 4.存在幾種白光再現(xiàn)全息圖。利用普通日光或電燈光就可以看到全息照片的立體圖像，這個特點使激光全息三維顯示擴大了應用領域。以全息方法已研究彩色立體電視、彩色立體電影等，已初步體現(xiàn)出激光全息三維顯示技術的獨特優(yōu)勢。六、全息三維顯示應用于商業(yè)領域 近年來，在商業(yè)領域已廣泛應用全息三維顯示技術，運用于制作立體廣告、商品標簽以及各種專用標記；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、日本的一些商店櫥窗里，擺放著用激光全息技

9、術拍攝的商品模型，它們在燈光的照明下，顯示出精美的三維立體圖像，激發(fā)著顧客觀賞和購買的熱情； 結合加密技術，人們制作了各種高難度激光全息圖像，生產(chǎn)出大量專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、標識、印記等作用外，還能夠起到防止偽造的作用，從而帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。 全息三維顯示技術的應用使博覽會變得生動豐富而又簡潔，人們不必將那些笨重、復雜的設備帶入會場，只需制作它們的3600全息圖，通過全息圖再現(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、計算全息或數(shù)字全息三維顯示應用于虛擬物品設計方面 由于計算全息和數(shù)字全息可以對

10、實際不存在的物體制成全息圖，并再現(xiàn)這種虛構物體的三維像，因此受到極大的重視。例如，可以用這些方法顯示以數(shù)學形式表示的物體的三維形象、研究所設計的建筑物造型等。 Zebra Imaging公司根據(jù)福特公司提供的電子設計數(shù)據(jù)成功地制作了P2000豪華型汽車的全息顯示模型，它被當時到場參觀的美國前總統(tǒng)克林頓稱譽為“全息圖中的泰坦尼克”。 這個全息圖是實際汽車大小的一半，全色、透明，參觀者可3600地觀察，甚至看到里面的結構，檢查氫燃料電池，還可以清晰地看到關鍵尺寸，猶如在普通藍圖上看到的那樣。視頻：三維全息投影在汽車發(fā)布會上的應用北京盛典 數(shù)字全息時裝秀八、全息三維顯示用于多媒體領域 這方面的典型應

11、用是全息電影。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，它的突出特點是三維立體性。 早在1976年10月，前蘇聯(lián)首次放映了全息電影，畫面上是一個姑娘舉一束鮮花款款走來，為時2分鐘，能供4個觀眾觀看，銀幕尺寸為60 cm80cm。 1983年10月，歐洲某研究機構首次用脈沖激光制作了全息電影，展現(xiàn)的是一位女士向觀眾不停地拋扔五彩繽紛的肥皂泡。 近年來，數(shù)字全息顯示技術在電影投影中得到成功的應用，人們的全息電影夢即將實現(xiàn)，全息電視的研究也正在進行中。 視頻：未來技術：全息電視機.光纖通信 光纖通信技術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

12、通信作為一門新興技術，其近年來發(fā)展速度之快、應用面之廣是通信史上罕見的。也是世界新技術革命的重要標志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。 光纖即為光導纖維的簡稱。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，構成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測器。 光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調(diào)后恢復原信息。 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

13、、英、法等20多個國家已宣布不再建設電纜通信線路，而致力于發(fā)展光纖通信。視頻：光纖通訊技術介紹 光纖通訊與國防 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：(1)通信容量大、傳輸距離遠。一根光纖的潛在帶寬可達20THz。采用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類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，在光波長為1.55m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，無中繼傳輸距離可達幾十、甚至上百公里。(2)信號串擾小、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題，唯有光纖

14、通信不受各種電磁干擾。(4)光纖尺寸小、重量輕,便于敷設和運輸;(5)材料來源豐富,環(huán)境保護好，有利于節(jié)約有色金屬銅。(6)無輻射,難于竊聽,因為光纖傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外。(7)光纜適應性強,壽命長。(8)質(zhì)地脆，機械強度差。(9)光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設備和技術。分路、耦合不靈活。(10)光纖光纜的彎曲半徑不能過小 利用光波在光導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，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)中諧振放大的光學諧振腔

15、和激勵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 光纖激光器的激光介質(zhì)本身就是導波介質(zhì)，因此其耦合效率高； 光纖纖芯很細，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換效率，很低的激光閾值，能在不加強制冷卻的情況下連續(xù)工作。 光纖具有極好的柔繞性，激光器可以設計得相當小巧靈活，利于光纖通信系統(tǒng)的應用。 激光打印 激光打印機的基本原理是：將數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字信號，再調(diào)制激光束在感光鼓上掃描，感光鼓將吸附的墨粉轉印到紙上，通過控制激光束的開與關使感光鼓吸與不吸墨粉，感光鼓在紙上滾動從而形成文字或圖像

16、。 激光打印機的基本組成方框圖 激光器用于產(chǎn)生激光。激光掃描系統(tǒng)主要負責將接口電路送來的二進制點陣信息調(diào)制到激光束上，然后掃描到感光鼓上。感光鼓和電子照相轉印機構負責將掃描到感光鼓上的圖文映像轉印到打印紙上。 一、激光打印機的工作原理激光掃描系統(tǒng)工作過程 計算機送來二進制圖文點陣信息由接口電路送到字型發(fā)生器，產(chǎn)生所需要的二進制脈沖信號，經(jīng)過頻率合成器和功率放大器進行合成、放大后送入光調(diào)制器，并對激光束進行調(diào)制。調(diào)制光再掃描到感光鼓上，這樣就完成了整個激光掃描過程。 通過控制激光束的有和無，以及激光束的強弱，就可以控制打印的對比度，即所謂的“調(diào)制”。再配合感光鼓的轉動，形成一幅二維的電子潛像。

17、二、激光打印機的工作過程(2) 電子成像工作過程 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。 整個工作過程可以簡單地概括為：充電掃描曝光墨粉顯影轉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)過程。 首先，當機械部件開始動作時，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，周圍的空氣被電離?？諝庵械呢撾姾杀贿w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，使布滿電荷的感光鼓被

18、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。 用墨粉對其進行顯影，使墨粉附著在靜電潛像上。 感光鼓再把墨粉圖像轉印到打印紙上并對其加熱加壓定影，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：激光打印機的工作原理(3) 機械系統(tǒng)工作過程 機械系統(tǒng)主要負責打印紙在激光打印機中的傳送，此外圖像生成也需要機械系統(tǒng)的配合。 激光打印機的發(fā)展趨勢首先是臺式低速打印機向著小型化、高速度和高分辨率方向發(fā)展，即打印速度由20頁/分提高到5060頁/分、分辨率由300dpi提高到1000dpi以上，能夠達到標準報刊印刷所要求的分辨率；其次是激光打印機和其他機器相結合，朝兼容、集成化方向發(fā)展，如C