序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來(lái)了七篇激光原理論文范文，愿它們成為您寫作過(guò)程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，一門慕課不再僅僅是一個(gè)班幾十個(gè)學(xué)生，而可以是幾百上千甚至可以多達(dá)上萬(wàn)人。這種大規(guī)模開(kāi)放式的教學(xué)模式必將對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式產(chǎn)生巨大的沖擊。慕課模式的啟動(dòng)必將引發(fā)教育方式和教育理念的重大變革。《激光原理》作為光信息及光電子技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)課，也必將受到一定的影響。這是一個(gè)機(jī)遇，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文將探討在信息化時(shí)代慕課浪潮中，如何充分利用慕課這個(gè)新型教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合《激光原理》課程的實(shí)際特點(diǎn)，促進(jìn)《激光原理》的課程教學(xué)改革。

2引入慕課資源，促進(jìn)課堂教學(xué)改革

《激光原理》屬于光電子類專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。由于課程的針對(duì)性較強(qiáng)，相對(duì)于其他的公共基礎(chǔ)課而言每個(gè)學(xué)校擔(dān)任《激光原理》課程的教師為數(shù)不多。目前，《激光原理》課程教學(xué)內(nèi)容多以教材為主，再加以教師教案和收集的各種資料，導(dǎo)致《激光原理》課程信息量少，形式也比較單一。當(dāng)今我國(guó)光電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，而激光是整個(gè)光電產(chǎn)業(yè)的靈魂，所以，讓廣大光電產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員掌握和了解一定的激光原理知識(shí)是非常必要的。實(shí)際上，光電產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，許多的從業(yè)人員并未受到過(guò)系統(tǒng)的光電子理論教育，因而，引入慕課，不僅可以讓在校的光電專業(yè)學(xué)生受惠，而且可以惠及社會(huì)上眾多非“科班”出身的光電產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員。慕課突破了個(gè)別教師的界限，可以是一所大學(xué)，多所大學(xué)，其他社會(huì)機(jī)構(gòu)，甚至是更多個(gè)人直接上傳視頻、文本、音頻來(lái)參與教育內(nèi)容并在全球分享[2]。這樣一來(lái)，慕課進(jìn)入課堂，使得教學(xué)模式多樣化，教學(xué)內(nèi)容多元化和海量化，每位學(xué)生都可以隨時(shí)隨地地從慕課平臺(tái)中去獲取更多自己所需要的學(xué)習(xí)資源。《激光原理》課程理論性強(qiáng)，其中涉及到較多的復(fù)雜抽象的物理概念。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中學(xué)生不易理解，僅僅依靠課堂教學(xué)很難達(dá)到預(yù)計(jì)的教學(xué)效果。這就需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，制作一些短小精悍的微視頻課件來(lái)實(shí)現(xiàn)慕課教學(xué)。慕課的主要載體就是十分鐘左右的微視頻，我們可以為每一個(gè)晦澀難懂的物理概念制作一個(gè)微視頻，并加以多媒體動(dòng)畫講解[3]。每一個(gè)微視頻的時(shí)間不長(zhǎng)，這樣可以集中學(xué)生的注意力，同時(shí)動(dòng)畫講解可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)《激光原理》的興趣，更大程度上提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。另外，在慕課模式下，《激光原理》課程的考核方式也可以采用除傳統(tǒng)的試卷考試之外的更為靈活的方式進(jìn)行。在整個(gè)《激光原理》課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，由于有了慕課這種方便、快捷的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可以隨時(shí)對(duì)自己感興趣的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，所以，在學(xué)習(xí)過(guò)程中更能激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。那么，在這種情況下，教師也可以根據(jù)所教授的內(nèi)容和學(xué)生自身的特點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)并提出一些跟課程相關(guān)的問(wèn)題，叫學(xué)生自行尋找解決問(wèn)題的方案。據(jù)此，教師可以判斷學(xué)生對(duì)課程的掌握程度和學(xué)生解決問(wèn)題的能力，從而給出課程的考核分?jǐn)?shù)。這樣的考核方式，也是激勵(lì)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)的一種手段，在每次任務(wù)的完成和討論過(guò)程中既可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性又可以增進(jìn)師生互動(dòng)，同時(shí)每次任務(wù)完成后可以及時(shí)的幫助學(xué)生了解自己對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握效果。

3利用慕課平臺(tái)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室

在大多數(shù)《激光原理》的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，多以理論教學(xué)為主，雖然在教學(xué)中輔以多媒體教學(xué)手段，但是教學(xué)效果不是很明顯，比如在講解諧振腔的損耗對(duì)激光器的影響的過(guò)程中，由于教學(xué)手段限制，很難讓同學(xué)們從抽象的理論中解脫出來(lái)。那么如何讓學(xué)生真切體會(huì)到諧振腔損耗對(duì)激光器的重要性？這是我們?cè)凇都す庠怼方虒W(xué)中一直關(guān)注的問(wèn)題。顯然，我們必須改變傳統(tǒng)的以理論教學(xué)為主的教學(xué)方法。這樣就要求理論教學(xué)內(nèi)容緊跟實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是由于目前激光實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，針對(duì)性強(qiáng)，甚至有些大型精密儀器往往無(wú)力購(gòu)買，這必然導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺失。另外，實(shí)驗(yàn)課教師面對(duì)學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，由于一個(gè)班人數(shù)較多，受到視角的限制，不可能所有的學(xué)生都能完整清楚的看到每一個(gè)操作細(xì)節(jié)。尤其是大型貴重的儀器受到經(jīng)費(fèi)的限制，臺(tái)數(shù)少，上課學(xué)生多的時(shí)候不是所有的學(xué)生都有實(shí)際操作的可能，甚至有時(shí)候很多的精密儀器都是作為演示實(shí)驗(yàn)只有教師操作，學(xué)生只能在一旁觀看。利用慕課資源，建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以在很大程度上解決激光原理實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。在教學(xué)手段上，可以利用LASCAD等激光器設(shè)計(jì)專用仿真軟件建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，演示激光的產(chǎn)生和激光束的傳播規(guī)律，以提高教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以大大減少設(shè)備資金的投入和各種實(shí)驗(yàn)耗材的開(kāi)銷，還可以使得每位學(xué)生都有親自操作的機(jī)會(huì)，可以使得學(xué)生更大程度上加深對(duì)深?yuàn)W的概念理解。由于慕課建立在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，課后只要學(xué)生有興趣就可以繼續(xù)在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，方便學(xué)生利用零散時(shí)間來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，如果有不熟練或有疑問(wèn)的地方可以反復(fù)多次的實(shí)踐直至理解為止，這在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂上是幾乎不可能的。在慕課條件下建立虛擬實(shí)驗(yàn)室可以在教學(xué)內(nèi)容上，加大綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課題的比重，體現(xiàn)理工科課程的特點(diǎn)。精選一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制定微型的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)用來(lái)完成一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，例如模擬激光器和激光束的相關(guān)特性，加深學(xué)生對(duì)《激光原理》的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)可以再加設(shè)一部分激光原理的課程設(shè)計(jì)的題目，啟發(fā)他們做一些新型的科學(xué)研究，滿足學(xué)生的高層次需求。比如，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)合matlab編程等軟件設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展激光器有源光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)等工作，開(kāi)展高斯光束聚焦特性和中紅外激光器設(shè)計(jì)等專題活動(dòng)。同時(shí)可以借鑒國(guó)外的教學(xué)模式，各種課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告采用論文形式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生撰寫專業(yè)論文的能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文以及科技論文打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我校2014年獲批湖北省光電信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，以該項(xiàng)目為依托，我們已經(jīng)著手建立激光原理虛擬實(shí)驗(yàn)室。

4慕課可以增進(jìn)師生交流與溝通

傳統(tǒng)的教學(xué)方式以課堂為中心，教師主導(dǎo)著課堂教學(xué)。而課堂教學(xué)則以灌輸理論知識(shí)為主，教師講解過(guò)程中學(xué)生處于被動(dòng)接受的地位，師生間互動(dòng)較少。受到多方面因素的影響，目前大部分學(xué)校的《激光原理》教學(xué)，教師在課堂上往往只根據(jù)教材的安排，按部就班照本宣科教授書本非常狹窄的理論知識(shí)，而不注意這門課程在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用以及這個(gè)行業(yè)當(dāng)前發(fā)展的狀況。另一方面，在現(xiàn)有的教育體制下，高校教師更多的關(guān)注自己的科研，而缺乏在教學(xué)方面創(chuàng)新的動(dòng)力，僅把知識(shí)的灌輸作為主要的教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中得不到有效的指導(dǎo)和監(jiān)督[4]。然而教學(xué)的主要目的并不是為了培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)試能力，而是為了訓(xùn)練學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力使其更能適應(yīng)社會(huì)化發(fā)展。慕課利用當(dāng)代先進(jìn)的信息技術(shù)，使得全人類能夠共享優(yōu)質(zhì)教育資源。慕課所提供的方便和快捷保障了學(xué)生的學(xué)習(xí)自[5]。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式不同的是，慕課的內(nèi)容匯聚了大量的優(yōu)質(zhì)資源，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀看各種《激光原理》的微視頻，也可以根據(jù)自身的情況來(lái)制定學(xué)習(xí)目標(biāo)，組建學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生可以觀看本校、外校甚至是國(guó)外教師教授《激光原理》的教學(xué)視頻并操作各種虛擬實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生可以利用慕課平臺(tái)與更多的教師和同學(xué)交流互動(dòng)，分享各式各樣的學(xué)習(xí)資源，甚至于可以組建網(wǎng)絡(luò)討論小組和興趣小組，互相討論自己感興趣的課題，分享筆記，點(diǎn)評(píng)課程。在慕課模式下，教師和學(xué)生的角色都會(huì)有所轉(zhuǎn)變甚至于可以互換。慕課對(duì)教師提出了前所未有的挑戰(zhàn)，學(xué)生可以根據(jù)所需要的學(xué)習(xí)內(nèi)容自行選擇上課教師，這樣對(duì)教師的教學(xué)水平、教學(xué)風(fēng)格提出了更高的要求。學(xué)生也可以根據(jù)自己對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解制作微視頻上傳到慕課平臺(tái)，教師也可以通過(guò)學(xué)生的講解視頻來(lái)了解學(xué)生的思維方式和理解程度。有些學(xué)生通過(guò)參考文獻(xiàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)或是各種社會(huì)實(shí)踐來(lái)提出自己對(duì)《激光原理》課程中各種見(jiàn)解，這些都是教師在傳統(tǒng)教學(xué)中所無(wú)法得知的?？梢韵胂笤谀秸n環(huán)境下，沒(méi)有學(xué)生會(huì)選擇教學(xué)模式古板、教學(xué)質(zhì)量差的教學(xué)視頻來(lái)觀看，這樣很多照本宣科、本本主義的教師將會(huì)消失，同時(shí)也對(duì)學(xué)生的自律性提出了更高的要求，是被動(dòng)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鞯膶W(xué)習(xí)模式。所以，在慕課模式下，教師教學(xué)生學(xué)的傳統(tǒng)師生關(guān)系將會(huì)發(fā)生很大的改變。教師在教學(xué)過(guò)程中將會(huì)有更多的機(jī)會(huì)從學(xué)生處獲益，“教學(xué)相長(zhǎng)”將會(huì)在慕課模式得到更加完美的詮釋。

5慕課模式下校企合作，了解更多的科技動(dòng)態(tài)

激光原理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。教學(xué)中需要學(xué)生多動(dòng)手、多思考，在實(shí)驗(yàn)中理解和應(yīng)用課堂教學(xué)中學(xué)到的理論知識(shí)等。受限于激光器的構(gòu)造特性，一般理論課堂難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，即便演示，效果也不好。此外，在教材上，由于光電子技術(shù)的快速發(fā)展，新型光子器件和新的激光技術(shù)不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致教材的先進(jìn)性有所欠缺，比如激光短脈沖技術(shù)一般教材都只介紹傳統(tǒng)的調(diào)Q，鎖模技術(shù)，而應(yīng)用在高功率超短激光脈沖產(chǎn)生的啁啾放大技術(shù)卻很少涉及。這種教學(xué)模式與教學(xué)部提出的“應(yīng)用型普通本科學(xué)?！笔窍噙`背的，大學(xué)從來(lái)不是“象牙塔”，不只是單純的要求學(xué)生參加應(yīng)試教育的考試，而是要培養(yǎng)提高學(xué)生的綜合能力包括自主學(xué)習(xí)的能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力和工程應(yīng)用能力等。但是，綜合能力的培養(yǎng)與提高不是一朝一夕的事情，它貫穿于從學(xué)校到社會(huì)甚至整個(gè)人生。這就要求我們的大學(xué)課堂與企業(yè)的要求緊密的鏈接起來(lái)，可以根據(jù)企業(yè)合作要求搭建慕課平臺(tái)，企業(yè)可以根據(jù)他們對(duì)激光工藝的要求和大學(xué)院校共同開(kāi)發(fā)慕課平臺(tái)，聘請(qǐng)企業(yè)工程師和一些有經(jīng)驗(yàn)的工人加入慕課的開(kāi)發(fā)和制作[6]。根據(jù)企業(yè)要求制作的慕課，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)理論知識(shí)，還可以學(xué)習(xí)到實(shí)踐技能。在所有完成慕課的學(xué)生中，企業(yè)可以根據(jù)完成情況擇優(yōu)錄取，免去一部分招聘和培訓(xùn)的成本，學(xué)生通過(guò)慕課的訓(xùn)練也能很好地適應(yīng)企業(yè)的工作，真正獲得雙贏的效果。由于《激光原理》課程專業(yè)性強(qiáng)，大多受到資金的限制，每個(gè)學(xué)校對(duì)《激光原理》課程的投入不會(huì)太大，難以添置高端儀器，而慕課是綜合各個(gè)院校及企業(yè)的各種教學(xué)資源，這樣實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備要更為齊全，通過(guò)慕課可以了解到一些沒(méi)法見(jiàn)到的大型高科技儀器設(shè)備，熟悉儀器的用途、操作原理以及使用方法等。利用慕課模式，引進(jìn)企業(yè)的研發(fā)機(jī)構(gòu)，這樣可以綜合利用社會(huì)資源。在《激光原理》慕課建設(shè)內(nèi)容中，可以以企業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)銷售走勢(shì)對(duì)教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以適應(yīng)企業(yè)的需求[7]。從這個(gè)角度來(lái)講，這也可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《激光原理》的興趣，開(kāi)拓知識(shí)面，開(kāi)發(fā)其潛在的創(chuàng)造能力，通過(guò)這種課內(nèi)外科技活動(dòng)結(jié)合的教學(xué)形式，了解高科技知識(shí)，達(dá)到在本科階段參與科研的目的。這既為學(xué)生的進(jìn)一步深造奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，也實(shí)現(xiàn)了學(xué)校人才培養(yǎng)和企業(yè)需求的無(wú)縫對(duì)接。所以，在慕課模式下實(shí)現(xiàn)校企合作，對(duì)學(xué)生、學(xué)校和企業(yè)都是有好處的，是一舉三得的事情。

6結(jié)論

篇(2)

一、光信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家一類特色專業(yè)

我校光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)歷史悠久、辦學(xué)基礎(chǔ)好、生源質(zhì)量高、專業(yè)方向應(yīng)用性強(qiáng)。為適應(yīng)國(guó)家對(duì)激光科學(xué)與技術(shù)及光信息技術(shù)高素質(zhì)人才的需求，發(fā)揮我校光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)應(yīng)用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，圍繞“特色教育，服務(wù)社會(huì)”的宗旨，2009年申報(bào)成功了光信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家第一類特色專業(yè)，目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)以激光科學(xué)與技術(shù)和光信息技術(shù)兩個(gè)專業(yè)方向?yàn)閮?yōu)勢(shì)方向，特色鮮明的名牌專業(yè)，使之在培養(yǎng)質(zhì)量方面達(dá)到或接近國(guó)內(nèi)一流水平。在專業(yè)邊緣領(lǐng)域，大膽開(kāi)拓，不斷擴(kuò)展研究?jī)?nèi)容，使該專業(yè)成為國(guó)內(nèi)激光科學(xué)與技術(shù)和光信息技術(shù)方向高級(jí)人才的培養(yǎng)基地，滿足社會(huì)發(fā)展需要，為同類型高校相關(guān)專業(yè)建設(shè)和改革起到示范和帶動(dòng)作用。電動(dòng)力學(xué)作為該專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，需進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，以適應(yīng)特色專業(yè)的建設(shè)和培養(yǎng)高質(zhì)量畢業(yè)生要求。

二、電動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀及課程特點(diǎn)

電動(dòng)力學(xué)課程內(nèi)容，對(duì)大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)感覺(jué)到比較難學(xué)。原因是知識(shí)點(diǎn)較多，抽象難懂。數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，要求有較強(qiáng)的數(shù)理基礎(chǔ)。雖然有些電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題接近實(shí)際，比如波導(dǎo)問(wèn)題、天線問(wèn)題，但學(xué)生要理解和解決這些問(wèn)題，需要一定的過(guò)程，由于上述問(wèn)題的存在，使初學(xué)者常常感到電動(dòng)力學(xué)課枯燥無(wú)味、難以入門；上課聽(tīng)講似懂非懂，下課做題無(wú)從下手。并且,由于招生數(shù)量的增加,極大降低了師生比,降低了學(xué)生與老師交流的幾率。同時(shí)，現(xiàn)代大學(xué)生與80年代大學(xué)生比，缺乏主動(dòng)思考意識(shí)和能力，都嚴(yán)重影響電動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)效果。

三、教學(xué)改革設(shè)想及實(shí)施

我校光信息科學(xué)技術(shù)專業(yè)本科生的培養(yǎng)中,激光器及技術(shù)是一個(gè)重要的專業(yè)方向。因此在電動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)中,如何將與專業(yè)基礎(chǔ)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容更扎實(shí)、有效地貫穿教學(xué)，并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，采取以下教學(xué)改革設(shè)想及措施：3.1教學(xué)內(nèi)容改革根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，并適當(dāng)引申，為學(xué)生后續(xù)的平臺(tái)課如物理光學(xué)、激光原理，以及專業(yè)課如激光器件、導(dǎo)波光學(xué)等奠定良好基礎(chǔ)。比如，對(duì)電磁波傳播的相關(guān)內(nèi)容重點(diǎn)講解并結(jié)合教師的科研等背景進(jìn)行引申及拓展。其中關(guān)于模式及其形成條件，結(jié)合導(dǎo)波光學(xué)及物理光學(xué)內(nèi)容，概念交待清楚，條件講解透徹，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。在亥姆霍茲方程的講解中，引入前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題如“負(fù)折射率”問(wèn)題，使學(xué)生了解其理論基礎(chǔ)。在教材中作為選學(xué)內(nèi)容的高斯光束問(wèn)題，對(duì)該專業(yè)的學(xué)生交待清晰，為后續(xù)的激光原理奠定基礎(chǔ)。凡此不再贅述，總之，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的制定，以為學(xué)生更好學(xué)習(xí)后續(xù)課程及激發(fā)學(xué)習(xí)興趣為原則。3.2教學(xué)方式改革在電動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)中，改變以往單純板書、課件的教學(xué)模式。嘗試使用討論式教學(xué)、課程小論文及結(jié)合教師科研講座與板書、課件相結(jié)合的教學(xué)方式。傳統(tǒng)板書教學(xué)方法對(duì)公式的推導(dǎo)及其有利，也符合學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。但在涉及較抽象問(wèn)題時(shí)，使用課件教學(xué)更直觀、形象，有利于學(xué)生對(duì)具體問(wèn)題的理解。如涉及形成模式的條件———駐波問(wèn)題，以及偶極子天線的輻射問(wèn)題，利用課件的動(dòng)畫演示，極大提高了教學(xué)效果。在課程的講解中，穿插討論式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生的互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。教師結(jié)合課程中不同章節(jié)的內(nèi)容及特點(diǎn)，設(shè)置具體問(wèn)題在課堂上展開(kāi)討論是一種形式。對(duì)于課程小論文及教師科研講座，安排在電磁波的傳播內(nèi)容講解之后，有利于培養(yǎng)學(xué)生的興趣和創(chuàng)造性。我們的教師梯隊(duì)均為博士畢業(yè)，涉及光學(xué)、物理電子學(xué)、光學(xué)工程、凝聚態(tài)物理、計(jì)算電磁學(xué)五個(gè)學(xué)科，且承擔(dān)包括國(guó)家自然基金、“863”、“973”及工程類項(xiàng)目，為結(jié)合不同的學(xué)科開(kāi)展前沿問(wèn)題講座，并將研究成果引入課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提供了良好條件。為此，在課程教學(xué)中穿插了與課程相關(guān)的前沿問(wèn)題講座。比如全固態(tài)激光器的研究進(jìn)展、光子晶體及ZnO納米材料研究進(jìn)展等，通過(guò)前沿問(wèn)題講座的嘗試，學(xué)生積極性很高，取得了預(yù)期效果。關(guān)于課程小論文，我們安排在了講座之后，教師根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生基礎(chǔ)，給出題目和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，其間學(xué)生與教師有交流，教師進(jìn)行指導(dǎo)，使學(xué)生更好地完成小論文，只是這個(gè)環(huán)節(jié)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，需要教師后續(xù)跟蹤并總結(jié)。通過(guò)科研講座及小論的嘗試，以初步取得成效，所教授的學(xué)生據(jù)此參加了全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新大賽并獲獎(jiǎng)，所研究結(jié)果也在相關(guān)刊物發(fā)表文章。這種教學(xué)模式的探索，極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及提高培養(yǎng)質(zhì)量。

篇(3)

關(guān)鍵詞：光纖，語(yǔ)音，傳輸，光電檢測(cè)

 

1、光纖通信系統(tǒng)的基本組成

最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學(xué)信道和光接收機(jī)組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號(hào)源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)信源編碼所得到的信號(hào)；光發(fā)送機(jī)和調(diào)制器則負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào)，先后用過(guò)的光波有0.85、1.31和1.55三個(gè)低損耗窗口。光學(xué)信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學(xué)接收機(jī)則接收光信號(hào)，并從中提取信息，然后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后得到對(duì)應(yīng)的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。論文格式。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制光脈沖'0'碼和'1'碼，它由二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號(hào)是對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號(hào)稱為數(shù)字基帶信號(hào)，由PCM電端機(jī)產(chǎn)生。光纖通信系統(tǒng)的基本組成原理圖如下圖1-1所示：

圖1-1光纖通信系統(tǒng)

1.1光發(fā)射端機(jī)

光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜中傳輸。電端機(jī)就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。光發(fā)射機(jī)的原理圖如下圖1-2所示：

圖1-2光發(fā)射機(jī)原理框圖

光源是光發(fā)射機(jī)的核心，其性能好壞將對(duì)光纖通信系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。目前光纖通信系統(tǒng)使用的光源都是由半導(dǎo)體材料制成的，而半導(dǎo)體光源分兩種：發(fā)光管LED和激光管LD。由于半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是激光，發(fā)光功率大、譜線寬度窄，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度特性差。而半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)出的是熒光，發(fā)光功率不大，譜線寬度寬，但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜。在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常用到。

1.2光纖或光纜

光纖作為傳輸媒介，作用是將發(fā)射端機(jī)光源發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后耦合到接收端機(jī)的檢測(cè)器，完成信息傳輸任務(wù)。在通信中使用的光纖通常是由石英玻璃制成的，由纖芯和包層組成。目前，塑料光纖應(yīng)用于低速、短距離的傳輸中。其構(gòu)成光纖的纖芯與包層都是塑料材料。與大芯徑50/125μm和62.5/125μm的石英玻璃多模光纖相比，塑料光纖的芯徑高達(dá)200～1000μm，其接續(xù)時(shí)可使用不帶光纖定位套筒的便直注塑塑料連接器，即便是光纖接續(xù)中芯對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生 ±30μm偏差都不會(huì)影響耦合損耗。正是塑料光纖結(jié)構(gòu)賦予了其施工快捷，接續(xù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，芯徑100μm或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音。論文格式。

1.3中繼器

含有光中繼器的光纖傳輸系統(tǒng)成為光纖中繼通信。光信號(hào)在光纖中傳輸一定的距離后，由于受到光纖衰減和色散的影響會(huì)產(chǎn)生能量衰減和波形失真，為保證通信質(zhì)量，必須對(duì)衰減和失真達(dá)到一定程度的光信號(hào)及時(shí)進(jìn)行放大和恢復(fù)。中繼器由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè)：一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減；另一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形。

1.4光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件

由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有限度的（如1Km)。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問(wèn)題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的使用是必不可少的。

1.5光接收端機(jī)

光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。 它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后，再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。光接收機(jī)原理圖如下圖1-3所示：

圖1-3光接收機(jī)電路原理方框圖

2、光纖語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)

光纖語(yǔ)音電路由三部分組成：光發(fā)射電路、光纖和光接收電路。論文格式。其工作原理是：音頻信號(hào)最初是聲波，由發(fā)送器的電子麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此信號(hào)由LM358組成的音頻放大器放大，并且借助于一個(gè)單獨(dú)的晶體管控制LED的端電壓，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光信號(hào)送入光纖或光纜。在光纖或光纜的另一端，光信號(hào)照射到接收器的光電檢測(cè)器上。光電檢測(cè)器再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此信號(hào)被放大并送入揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換為聲波恢復(fù)為原始信號(hào)。

2.1、發(fā)射器電路板

此電路主要是把音頻信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)濾波器、多級(jí)放大器把微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合半導(dǎo)體二極管發(fā)光的電壓信號(hào)，在晶體管的調(diào)制下把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖中進(jìn)行傳輸。在發(fā)射器電路上有一個(gè)話筒和調(diào)制LED發(fā)光的線路。LED裝在塑料殼中以便于連接光纖或光纜進(jìn)行發(fā)送信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)操作可以使用200m長(zhǎng)的塑料光纖傳送語(yǔ)音信號(hào)，也可以使用玻璃光纖在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)通信。光纖語(yǔ)音發(fā)射器電路如下圖1-4所示：

圖1-4光纖語(yǔ)音發(fā)射電路

2.2、光電接收器電路板:

在接收器電路板上通過(guò)光電檢測(cè)器把光纖傳輸?shù)奈⑷醯墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電容濾波、運(yùn)算放大器放大，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大到適合揚(yáng)聲器輸出的電壓，恢復(fù)原始的語(yǔ)音信號(hào)。光纖語(yǔ)音接收電路如下圖1-5所示：

圖1-5光纖語(yǔ)音接收電路

3、結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)的介紹了光纖通信系統(tǒng)的組成，為設(shè)計(jì)光纖語(yǔ)音傳輸電路提供理論基礎(chǔ)。在該電路系統(tǒng)中語(yǔ)音信號(hào)以光波形式在光纜內(nèi)傳輸、不受任何電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。每個(gè)電路板需要一個(gè)9V電池，元件簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室就能操作完成。

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篇(4)

【關(guān)鍵詞】 布里淵 分布式 光纖傳感

隨著社會(huì)發(fā)展，安防已經(jīng)變得越來(lái)越重要，及時(shí)發(fā)現(xiàn)入侵對(duì)我國(guó)安防建設(shè)有種重要的意義，別的安防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)距離短且容易受到電磁的擾動(dòng)，而本文中敘述的安防系統(tǒng)不僅監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)而且不容易受到電磁的干擾，對(duì)安防領(lǐng)域具有重要意義。光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖應(yīng)變或震動(dòng)等確定事件發(fā)生的位置，已有傳感定位系統(tǒng)多采用Sagnac干涉環(huán)結(jié)構(gòu)或者馬赫-增得干涉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位，但無(wú)法同時(shí)滿足高精度和長(zhǎng)距離探測(cè)。這樣的話就必須采用BOTDR原理，利用自制的光纖縱模分布反饋激光器，結(jié)合邊緣濾波調(diào)解技術(shù)，建立一套分布式光纖傳感入侵定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)入侵事件的實(shí)施快速定位監(jiān)測(cè)，空間分辨率也相應(yīng)高了起來(lái)。

一、布里淵散射傳感原理

布里淵散射原理是基于光纖中光波與聲波在傳播過(guò)程的相互作用，這兩者的相互作用會(huì)使光產(chǎn)生頻移，該頻移的產(chǎn)生相當(dāng)于入射波被一個(gè)聲光柵散射產(chǎn)生了反射光子，我們利用這個(gè)頻移，通過(guò)測(cè)得其頻移方向和大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感物理量的轉(zhuǎn)換。光纖所處溫度、所受應(yīng)變皆可通過(guò)布里淵頻移間接計(jì)算得出。在實(shí)際工程使用中，由于入侵事件都是不確定的，所以需要一套具有實(shí)時(shí)監(jiān)控能力且無(wú)盲點(diǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才能完全監(jiān)測(cè)到入侵、避免出現(xiàn)遺漏，而光纖作為傳感原件是沿線路連續(xù)分布的，這就避免了線路中產(chǎn)生盲點(diǎn)。通過(guò)對(duì)光纖中布里淵散射頻移量大小的監(jiān)控，可以分析得出被入侵點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，以及被入侵程度，這就是目前布里淵散射在光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最有效的應(yīng)用方式，達(dá)到了兼?zhèn)涓呔?、無(wú)盲點(diǎn)、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)性等諸多優(yōu)異性能。

二、實(shí)驗(yàn)與分析

由于本項(xiàng)研究處于早期階段，所以此次試驗(yàn)都是采用自制的激光器、自制傳感光纜以及其他自制光信號(hào)解調(diào)器。并參考了各類中外文獻(xiàn)，以及前輩所寫的論文，保證本次試驗(yàn)和分析能夠得出更為準(zhǔn)確的結(jié)論，更好的為國(guó)家安防事業(yè)做出貢獻(xiàn)。我們將激光輸出進(jìn)行一定的比例分束，然后小比例的一束作為本振光，另外一個(gè)大比例的經(jīng)偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)，通過(guò)電光調(diào)制器進(jìn)行脈沖的調(diào)制，經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器1放大之后，波分復(fù)用器濾過(guò)自發(fā)輻射噪聲通過(guò)擾偏器和環(huán)形器，輸入到單模傳感光纖里面去。散射回的信號(hào)此時(shí)變得非常非常弱，必須得通過(guò)摻鉺放大器2來(lái)放大，然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)形器，通過(guò)自己制造的窄帶可調(diào)諧光纖光柵濾波器之后的布里淵反射光和本振光相干，通過(guò)高速光電探測(cè)器的監(jiān)測(cè)，然后得到了實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果---后向布里淵散射信號(hào)。

在實(shí)驗(yàn)中，波分復(fù)用器濾波的通道為1550nm，帶寬30nm，隔離度大于20dB，損耗小于0.15dB，和本振光相比，相對(duì)有一定的偏移量，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求并且監(jiān)測(cè)到相干信號(hào)。放大之后的布里淵信號(hào)只有um量級(jí)，采用高速光電探測(cè)器前置放大濾波電路對(duì)信號(hào)再次放大濾波，然后通過(guò)邊緣濾波，將布里淵信號(hào)的平移變化轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度變化，并通過(guò)累加平均處理，平均2的12次方次后，得到最K監(jiān)測(cè)結(jié)果。其中前置放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電信號(hào)的放大并抑制信號(hào)頻帶以外的噪聲，其濾波中心頻率為11GHz，3dB快帶為1Hz，插入損耗小于0.1dB。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用50ns脈寬的光脈沖，重復(fù)頻率為10KHz，傳感光纖長(zhǎng)度為10km。因此，完成2的12次方次累計(jì)平均處理所需時(shí)間小于1s，即系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)周期小于1s，可滿足快速監(jiān)測(cè)入侵事件的要求。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在室溫25度環(huán)境下且光纖不受外力時(shí)，布里淵信號(hào)的中心頻率在10.9GHz左右。因此當(dāng)應(yīng)變和溫度引起的頻移總和超過(guò)初始中心頻率100MHz時(shí)，信號(hào)將越過(guò)帶通濾波器的單邊上升沿的邊界，導(dǎo)致信號(hào)幅值減小，從而引起錯(cuò)誤判斷，限制了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍。采用更大帶寬的帶通濾波器并合理的選擇其中心頻率，可以擴(kuò)大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。

至于如何消除緩變溫度的影響，適應(yīng)野外環(huán)境下的應(yīng)用，以及進(jìn)一步提高系統(tǒng)的應(yīng)變分辨率，將在后續(xù)的工作中研究。

結(jié)論：在BOTDER原理中用單縱模光纖光柵到帶通濾波器理論結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中表明，系統(tǒng)可以在1s對(duì)10km范圍的傳感器進(jìn)行測(cè)量，并達(dá)到5m的空間分辨率和200uε的應(yīng)變分辨率。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)入侵領(lǐng)域的能力，即便現(xiàn)在所處階段并不成熟，也能對(duì)國(guó)家安防領(lǐng)域起到很重要的積極意義，而且經(jīng)分析判斷和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)距離入侵定位方面有著良好的前景。

參 考 文 獻(xiàn)

篇(5)

論文關(guān)鍵詞：激光　激光生物效應(yīng)　激光與生物分子

論文摘要：本文主要簡(jiǎn)介了激光與生物組織相互作用所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，概述激光與生物分子相互作用機(jī)理研究現(xiàn)狀。為提高和發(fā)展激光技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用，有必要對(duì)激光的生物學(xué)效應(yīng)及生物物理機(jī)理進(jìn)行研究。

一、激光的發(fā)光原理及其生物學(xué)效應(yīng)

1激光發(fā)光原理

把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中，處于高能級(jí)的粒子會(huì)產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外，軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)不斷增強(qiáng)。如果諧振腔內(nèi)單程小信號(hào)增益G0l大于單程損耗δ，則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級(jí)，當(dāng)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)釋放出相應(yīng)能量的光子即自發(fā)輻射。同樣的，當(dāng)一個(gè)光子入射到一個(gè)能級(jí)系統(tǒng)并為之吸收的話，會(huì)導(dǎo)致原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷即受激激吸收。然后，部分躍遷到高能級(jí)的原子又會(huì)躍遷到低能級(jí)并釋放出光子即受激輻射。這些運(yùn)動(dòng)不是孤立的，而往往是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場(chǎng)，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，就會(huì)有光子射出，從而產(chǎn)生激光。

2激光生物學(xué)效應(yīng)

由于激光具有能量和動(dòng)量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子產(chǎn)生物理、化學(xué)或生物反應(yīng)，這就是激光生物效應(yīng)。目前，學(xué)術(shù)界認(rèn)識(shí)比較一致的激光生物效應(yīng)大致有五類：.激光生物熱效應(yīng)、激光生物光華效應(yīng)、激光生物壓力效應(yīng)、激光生物電磁效應(yīng)和激光生物刺激效應(yīng)。生物組織內(nèi)的天然色素顆粒，對(duì)近紫外、可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)的激光有選擇吸收作用。激光生物效應(yīng)，目前已經(jīng)在激光醫(yī)療、激光育種方面得到廣泛、有效的應(yīng)用。

（1）激光生物熱效應(yīng)

激光照射生物組織時(shí)，激光的光子作用于生物分子，分子運(yùn)動(dòng)加劇，與其他分子的碰撞頻率增加，由光轉(zhuǎn)化為分子的動(dòng)能后變成熱能，可能會(huì)引起蛋白質(zhì)變性，生物組織表面收縮、脫水、組織內(nèi)部因水分蒸發(fā)而受到破壞，造成組織凝固壞死。當(dāng)局部溫度急劇上升達(dá)幾百度甚至上千度時(shí)，可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物組織時(shí)，不同波長(zhǎng)的激光產(chǎn)生熱效應(yīng)的機(jī)制也不盡同。紅外激光的光子能量小，生物組織吸收后只能增加生物分子的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致溫度升高，所以它是直接生熱可見(jiàn)光和紫外光的光子能量大，生物組織吸收了光子能量后引起生物分子電子態(tài)躍遷，在它從電子激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的馳豫過(guò)程中釋放能量，該能量可能引起光化反應(yīng)，也可能轉(zhuǎn)化為熱量產(chǎn)生溫度升高，所以它們是間接生熱。激光熱效應(yīng)究竟應(yīng)表現(xiàn)為哪種形式，在激光方面取決于其輸出參數(shù)、作用時(shí)間，在生物組織方面則取決于其光學(xué)、熱學(xué)特性等諸多因素。

熱效應(yīng)是激光致傷的最重要因素。激光損傷區(qū)與正常組織的界緣十分清楚，這是由于激光脈沖時(shí)程短，生物組織的導(dǎo)熱性差，瞬間放熱來(lái)不及擴(kuò)散到受照射部位以外的緣故。輻照后，由于繼變化，如炎癥、出血、再生等，會(huì)使原初清楚的損傷界緣逐漸變得模糊。

（2）激光生物光華效應(yīng)

當(dāng)一個(gè)處于基態(tài)的分子吸收了能量足夠大的光子以后，受激躍遷到激發(fā)態(tài)，在它從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)，但又不返回其原來(lái)分子能量狀態(tài)的弛豫過(guò)程中，多出來(lái)的能量消耗在它自身的化學(xué)鍵斷裂或形成新鍵上，其發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)即為原初光化學(xué)反應(yīng)，在原初光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中形成的產(chǎn)物，大多數(shù)極不穩(wěn)定，它們繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)直至形成穩(wěn)定的產(chǎn)物，這種光化反應(yīng)稱為繼發(fā)光化反應(yīng)，前后兩種反應(yīng)組成了一個(gè)完整的光化反應(yīng)過(guò)程，這一過(guò)程大致可分為光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四種主要類型，光致敏化效應(yīng)又包括光動(dòng)力作用和一般光敏化作用。生物的光華效應(yīng)產(chǎn)生的根本是生物的而組織有一定的色度，能選擇性地吸收300～1000nm光譜。生物體內(nèi)的色素有黑色素和類黑色素、血紅蛋白、胡蘿卜素、鐵質(zhì)等，其中黑色素對(duì)激光能量的吸收最大。脫氧血紅蛋白在556nm，氧合血紅蛋白在415、542、575nm處有清楚的吸收帶，胡蘿卜素吸收帶在480nm處，黑色素和類黑色素在400～450nm波段吸收最強(qiáng)。無(wú)論是正常細(xì)胞還是腫瘤細(xì)胞，在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞間有許多黑色素顆粒，它們吸收激光能量使能量在色素顆粒上積聚而成為一個(gè)熱源，其能量向周圍傳導(dǎo)和擴(kuò)散，從而引起周圍組織細(xì)胞損傷。 轉(zhuǎn)貼于

（3）激光生物壓力效應(yīng)

由激光照射產(chǎn)生的機(jī)械作用可分為兩部分：激光本身的輻射壓力對(duì)生物組織產(chǎn)生的壓強(qiáng)，即光壓，稱作一次壓強(qiáng)；生物組織吸收強(qiáng)激光造成的熱膨脹和相變以及超聲波、沖擊波、電致伸縮等引起的壓強(qiáng)，叫二次壓強(qiáng)。由激光導(dǎo)致的生物細(xì)胞的壓強(qiáng)的變化可以改變生物細(xì)胞、組織的形狀，使得生物細(xì)胞、組織內(nèi)部或之間產(chǎn)生機(jī)械力，從而對(duì)生物細(xì)胞、組織產(chǎn)生巨大的影響。由這種作用產(chǎn)生的沖擊波是激光致傷的另一原因。沖擊波在組織中以超聲速運(yùn)動(dòng)，在組織中產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，引起組織破壞。戈?duì)柕侣赋觯好}沖時(shí)程50毫微秒的Q開(kāi)關(guān)激光產(chǎn)生的沖擊波壓力，可大于10個(gè)大氣壓。實(shí)際上，激光熱效應(yīng)影響范圍十分局限，而由壓力效應(yīng)引起的組織損傷，則可波及到遠(yuǎn)離受照區(qū)的部位。例如，用紅寶石激光照射小鼠頭部時(shí)，發(fā)現(xiàn)頭皮輕度損傷，顱骨和大腦硬膜并無(wú)損傷，而大腦本身卻大面積出血，甚至造成死亡。

二、激光與生物分子相互作用機(jī)理研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)八十年代以來(lái)，由前蘇聯(lián)、匈牙利等國(guó)的專家提出了不少假說(shuō)，其中常見(jiàn)的有下列4種：生物電場(chǎng)假說(shuō)(前蘇聯(lián)伊柳辛提出);色素調(diào)節(jié)假說(shuō)(前蘇聯(lián)伽馬列亞于1981年提出);細(xì)胞膜受體假說(shuō)(前蘇聯(lián)普魯哈丘科夫于1980年提出):偏振刺激假說(shuō)(梅斯特1977年提出)。另外一個(gè)假說(shuō)是:由孤子狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)假說(shuō)。美國(guó)Englander(1980年)、日本的Jomosa(1984年)。

中國(guó)的肖家鑫(1987年)用孤子理論對(duì)DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等遺傳功能作出過(guò)解釋。劉頌豪(1991年)也提出了生物學(xué)過(guò)程中的孤子現(xiàn)象。云南理工大學(xué)的周凌云對(duì)“由孤子狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)假說(shuō)”的進(jìn)一步發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。激光生物物理學(xué)家王惠文在其所著的《激光與生命科學(xué)》一書中介紹了周凌云的研究成果:“周凌云(1993)提出，在弱激光的作用下，DNA分子系統(tǒng)可進(jìn)入‘無(wú)序’的混沌狀態(tài)，并根據(jù)DNA分子動(dòng)力學(xué)方程(Sine一Gordon方程)的分析結(jié)果，可以解釋DNA的真實(shí)遺傳，從而導(dǎo)出含激光一DNA分子動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程，以及激光的電場(chǎng)相互作用對(duì)DNA分子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。通過(guò)含激光與DNA相互作用運(yùn)動(dòng)方程的M.Inikov方法或知DNA系統(tǒng)即使在弱激光的作用下，也有可能由原來(lái)的孤立子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)。從而導(dǎo)致其構(gòu)象隨時(shí)間‘無(wú)規(guī)則’地演化產(chǎn)生遺傳變異’。但由于激光的生物刺激和誘變等效應(yīng)作用機(jī)理的復(fù)雜性，特別是弱激光與生物分子的相互作用機(jī)理，目前尚未得出完善的科學(xué)解解釋。

激光與生物組織的相互作用很復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。激光生物效應(yīng)分類還沒(méi)有明確的界限，如在光化效應(yīng)中光熱效應(yīng)也起了很大的作用，電磁作用也產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械作用等，激光熱作用、光化作用和機(jī)械作用通常是同時(shí)發(fā)生的，所以相互作用的分類并不是絕對(duì)的，但各種作用之間也確存在著一些差別。如每種效應(yīng)都具有典型的激光及典型現(xiàn)象等。激光與生物組織的相互作用是一個(gè)多種因素決定的復(fù)雜過(guò)程，激光的參數(shù)(如波長(zhǎng)、功率、激光模式等)、生物組織的性質(zhì)(如密度、彈性、熱導(dǎo)率、比熱、熱擴(kuò)散率、反射率、吸收率、不均勻性和層次結(jié)構(gòu))以及生物體狀態(tài)等對(duì)激光的生物效應(yīng)都有影響。激光對(duì)生物組織的作用具有有利和不利兩個(gè)方面，要想利用激光，最首要的任務(wù)是認(rèn)識(shí)并理解激光與生物組織的相互作用機(jī)理，然后才能加以應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]周炳琨，高以智等.激光原理[M].第五版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.14-23

篇(6)

【論文摘要】：對(duì)磁力儀未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。重點(diǎn)介紹了：1.光泵磁力儀及其光源和共振元素的選擇與設(shè)計(jì)2.超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了超導(dǎo)量子干涉磁力儀的發(fā)展3.對(duì)處于研究、探索階段的原子磁力儀進(jìn)行了關(guān)注。

引言

目前，在空間、海洋、勘探、在醫(yī)院和其它實(shí)驗(yàn)室中廣泛的應(yīng)用著各種磁力儀，用于測(cè)量地磁場(chǎng)以及生物磁場(chǎng)。在這些領(lǐng)域，新型的光泵磁力儀、超導(dǎo)磁力儀（SuperconductingQuantumInterferenceDevice,SQUID）；以及處于研究、試驗(yàn)階段的固體電子自旋共振磁力儀（ElectronSpinResonance,ESP）、原子磁力儀（AtomicMagnetometer,AM）必將以其超高的精度擔(dān)負(fù)起越來(lái)越重的任務(wù)。

過(guò)去測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是奧斯特(Oersted,Oe)，采用和推廣國(guó)際單位制(SI)以后，測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁通量密度)的單位是特斯拉(Tesla,T)或高斯(Gaus,Gs)。它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為1nT=10-9T=1gamma(γ)。特斯拉的換算關(guān)系為:1T(特斯拉)=109nT(納特)=1012pT(皮特)=1015fT(飛特)=1018aT(阿特)［1］。

磁場(chǎng)強(qiáng)度曾經(jīng)用過(guò)T、F、Be等幾個(gè)符號(hào)表示，許多文獻(xiàn)中曾采用F、Be。文章中為了規(guī)范、清晰采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位T。

1.光泵磁力儀

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)?，F(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?？梢灶A(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

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為全光學(xué)磁力儀(allopticalatomicmagnetometer)。

首先由激光器產(chǎn)生一定頻率的偏振激光束照射氣態(tài)鉀原子，使鉀原子躍遷到高能級(jí)產(chǎn)生極化，待測(cè)的外磁場(chǎng)使原子的極化發(fā)生變化，從而原子的磁矩繞著磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)(旋進(jìn))，用另一束激光來(lái)檢測(cè)上述變化。即可測(cè)定磁場(chǎng)，磁力儀的核心是一個(gè)充滿了氣態(tài)鉀原子和緩沖氣體氦的氣室。用一束起光泵作用的圓偏振高功率的激光照射氣室，鉀原子最外層未配對(duì)的價(jià)電子吸收激光后進(jìn)入自旋極化狀態(tài)．電子的自旋指向圓偏振方向。此時(shí)用一個(gè)單頻二極管激光器發(fā)出一束垂直于光泵激光束的取樣激光，檢測(cè)電子自旋在待測(cè)磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)（旋進(jìn)）時(shí)電子自旋的取向，取樣激光少許離開(kāi)鉀的共振頻率，并且當(dāng)它通過(guò)極化了的氣態(tài)鉀時(shí)，激光偏振角會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與自旋指向取樣光束的角度成比例。將取樣光束聚焦投射到光電二極管陣列上。即可形成磁場(chǎng)的圖像［5］。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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篇(7)

關(guān)鍵詞：智慧物流；傳感器；激光技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)

Abstract： With the rapid development in intelligent logistics and E-commerce， logistics is increasingly related to our way of life. The internet of things（IoT）brings about not only lots of convenience but also some new challenges to people. As a great number of applications of high-performance and low-cost sensors are being applied， the break-through of the existing bottleneck of intelligent logistics is imminent， while a lot of progresses have been made in laser technologies， and wide applications in intelligent logistics have been implemented by taking advantages of measuring distance and velocity， positioning and other monitoring with lasers and sensors， etc. In this paper， the applications and future development trend of laser measurement and sensing technologies in the logistics field are comprehensively discussed.

Key words： intelligent logistics； sensor； laser technology； internet of things

引 言

智慧物流是利用集成智能化技g，使物流系統(tǒng)具有模仿人類的“思維”一樣，能感知、推理判斷并自行解決物流中某些問(wèn)題的能力，它廣泛運(yùn)用無(wú)線射頻識(shí)別、傳感器、定位系統(tǒng)、移動(dòng)通訊等先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用于運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、配送等基本環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)智慧物流的自動(dòng)化運(yùn)作與智能化管理，其主要利用高新技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)管理手段，來(lái)達(dá)到物流配送體系高效率、低成本的運(yùn)作目的。并隨著大量高性能、低成本傳感器設(shè)備以及無(wú)線射頻技術(shù)（RFID）的普及，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為物流發(fā)展的瓶頸突破提供了契機(jī)，智能物聯(lián)網(wǎng)的提出和發(fā)展更是使得智慧物流的進(jìn)步有了更大的研究空間。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的研究與應(yīng)用就具有重要的意義。

在智慧物流中，要做到物聯(lián)網(wǎng)的概念就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物感知、定位、識(shí)別、計(jì)量、分揀、監(jiān)控等。同樣，在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，倉(cāng)儲(chǔ)物流由各種設(shè)備互相配合共同完成，如：貨物存取系統(tǒng)、輸送線、自動(dòng)導(dǎo)向車、叉車、起重及吊運(yùn)設(shè)備，需要與每一個(gè)工位保持有效的聯(lián)系以保證系統(tǒng)的正常工作：不能有碰撞、失控、生產(chǎn)過(guò)程中斷等情況發(fā)生。這就必須用到RFID、條碼以及各種傳感器，如：激光、紅外及視頻監(jiān)控等傳感技術(shù)，因?yàn)樗俏锫?lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是人機(jī)互動(dòng)的紐帶，其中激光檢測(cè)技術(shù)憑借其在測(cè)距、定位、測(cè)速、監(jiān)測(cè)等方面的優(yōu)勢(shì)，在智能化立體倉(cāng)儲(chǔ)的空間利用、體積測(cè)算、港口散貨裝船機(jī)物位檢測(cè)、堆垛機(jī)和自動(dòng)導(dǎo)向機(jī)等設(shè)備中起到了關(guān)鍵作用，并積極推動(dòng)和提升了物流系統(tǒng)的整體性能[1]。

本文淺析了激光器測(cè)量和傳感技術(shù)在物流業(yè)現(xiàn)階段應(yīng)用狀況，著手應(yīng)用實(shí)例分析，重點(diǎn)闡述近些年激光測(cè)距、激光雷達(dá)技術(shù)在智慧物流領(lǐng)域的應(yīng)用案例與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 我國(guó)智慧物流的發(fā)展以及激光器技術(shù)在物流業(yè)的應(yīng)用分析

2009年中國(guó)物流技術(shù)協(xié)會(huì)信息中心、華夏物聯(lián)網(wǎng)和《物流技術(shù)與應(yīng)用》編輯部聯(lián)合提出了智慧物流的概念，認(rèn)為智慧物流以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物流運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、配送等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、可視化與智能控制，是未來(lái)物流業(yè)的發(fā)展方向，也符合將來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

激光原理早在1917年由著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦提出，但直到1960年才在迫切的生產(chǎn)實(shí)踐需求和完備的理論體系背景下得以實(shí)現(xiàn)。激光一經(jīng)問(wèn)世，就獲得了超乎尋常的飛速發(fā)展，不僅使光學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用獲得了全新的認(rèn)知，而且直接導(dǎo)致了一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光的使用使人們獲得了前所未有的先進(jìn)方法和手段，以實(shí)現(xiàn)前人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的想法和目標(biāo)，去獲得空前的成果和效益，從而使得生產(chǎn)力得到了前所未有的發(fā)展。雖然我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)近些年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但不得不承認(rèn)，目前我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)（特別是在激光核心器件方面）和激光產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還是存在明顯的差距，主要體現(xiàn)在成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化程度較低、基礎(chǔ)研究力量薄弱、激光關(guān)鍵器件技術(shù)提升緩慢等方面。

近幾年，民用激光器因其具有低功率、高穩(wěn)定性和安全可靠性等多方面的優(yōu)點(diǎn)引起了研究人員和應(yīng)用企業(yè)日益濃厚的興趣，已經(jīng)在通信、物流、醫(yī)療等民用領(lǐng)域大展身手，并在多種應(yīng)用場(chǎng)合取代了目前常用的傳統(tǒng)設(shè)備。激光產(chǎn)品的出現(xiàn)以及其性能的不斷完善，必將加快激光技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，從而提高生產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化水平和人們的生活質(zhì)量，而激光產(chǎn)品應(yīng)用到物流行業(yè)也在人們的實(shí)驗(yàn)中一步一步的走來(lái)，逐步提高了物流運(yùn)輸自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。

（1）激光測(cè)距的應(yīng)用。激光測(cè)距的原理與無(wú)線電雷達(dá)相同，在工作時(shí)由激光y距儀向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間乘以光速計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。由于激光測(cè)距儀具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、測(cè)距精度高、抗干擾性強(qiáng)、保密性好、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)正日益受到重視，并隨著激光定位技術(shù)的發(fā)展和成本價(jià)格的急劇下降，越來(lái)越多的汽車行業(yè)、自動(dòng)化行走及物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)等紛紛開(kāi)始采用激光測(cè)距定位系統(tǒng)，極大地推進(jìn)了大型物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)精確定位自動(dòng)化的進(jìn)程?，F(xiàn)代工廠的大型物流輸送系統(tǒng)通常采用的是激光條碼定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝方便，設(shè)置容易，具有良好的抗震性和防晃性，條碼對(duì)灰塵和損傷不敏感，響應(yīng)時(shí)間小，精度高，并且集激光測(cè)距與旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)勢(shì)于一身，既可以用于直線運(yùn)動(dòng)，也可以用于曲線定位，掀起了現(xiàn)代物流行業(yè)的自動(dòng)化的新一輪技術(shù)革命的浪潮[3]。

（2）激光測(cè)體積在物料堆位自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。文章《火電場(chǎng)煤場(chǎng)儲(chǔ)煤量激光檢測(cè)裝置》中提出了煤場(chǎng)物料堆位測(cè)量的方案，該方案是利用裝有CCD點(diǎn)陣式攝像機(jī)和激光器的小車在口式堆取料機(jī)上作二維掃描運(yùn)動(dòng)，讓激光器發(fā)出激光照射在煤堆表面，根據(jù)出射光和CCD之間存在一定的夾角和不同的煤堆厚度，激光器的照射點(diǎn)在CCD照相機(jī)中所呈現(xiàn)的紅點(diǎn)的不同位置的比例關(guān)系，算出該點(diǎn)的厚度。同時(shí)，送樣小車會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)路程通過(guò)CCD將這些離散的厚度點(diǎn)記錄下來(lái)，并將這些離散的掃描一并傳入PC機(jī)，PC機(jī)再利用這些點(diǎn)的坐標(biāo)，用近似積分法，算出煤堆的體積[4-5]。同樣的，對(duì)于水泥廠的熟料庫(kù)或者糧倉(cāng)等這類大型倉(cāng)儲(chǔ)，都可以運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)測(cè)量倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的物料堆位信息以方便工作人員的查看和工程術(shù)人員的數(shù)據(jù)參考。

（3）激光傳感器的智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)傳感器對(duì)特定環(huán)境中的CO等氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并保持實(shí)時(shí)提醒在智能家居和智能倉(cāng)儲(chǔ)中發(fā)揮著重要作用。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)和激光傳感器的智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用紅外激光探測(cè)傳感器對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)氣體濃度進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)比較分析探測(cè)信息與參照數(shù)據(jù)來(lái)得到區(qū)域內(nèi)氣體濃度情況，并依據(jù)對(duì)指標(biāo)值的處理結(jié)果來(lái)控制各類設(shè)備的工作，使監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種指標(biāo)達(dá)到預(yù)想狀態(tài)。系統(tǒng)還具有溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制等功能，能夠利用溫度和濕度采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集區(qū)域中的溫度和濕度信息，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)控制空調(diào)、加濕器等設(shè)備的工作狀態(tài)，使監(jiān)控區(qū)域內(nèi)保持設(shè)定的溫濕度狀態(tài)[6-8]。

（4）分布式光纖傳感系統(tǒng)。原理為DTS系統(tǒng)使用一個(gè)特定頻率的光脈沖照射光纖內(nèi)的玻璃芯。當(dāng)光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種類型的輻射散射。根據(jù)光在光纖中的傳輸速率和入射光與后向拉曼散射光之間的時(shí)間差，可以對(duì)不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。該系統(tǒng)可應(yīng)用于危化品倉(cāng)儲(chǔ)中，根據(jù)其分布式線型光纖感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的特性，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的是光纜沿線的長(zhǎng)期工作溫度情況。因此，在事故發(fā)生之前，系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期有效的溫度監(jiān)測(cè)，并可利用經(jīng)驗(yàn)值根據(jù)溫度情況做出合理判斷，在火災(zāi)發(fā)生之前對(duì)事故發(fā)展情況進(jìn)行掌控，真正做到防患于未然。它能迅速反映火情大小、火災(zāi)蔓延方向和火災(zāi)煙霧風(fēng)向，及時(shí)給指揮部門提供各類信息，及時(shí)給消防主機(jī)提供準(zhǔn)確的信號(hào)，將火災(zāi)倉(cāng)儲(chǔ)的損失減小到最低程度[9]。

2 激光技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

隨著10年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮和13年工業(yè)4.0的提出，在智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，相關(guān)研究人員開(kāi)始了全新的探索和實(shí)踐，下面簡(jiǎn)單介紹近年幾個(gè)企業(yè)在智慧物流技術(shù)應(yīng)用的案例。

（1）浙江省煙草公司紹興市公司卷煙配送中心由于儲(chǔ)量巨大、貨物擺放密集且出貨頻繁，因此需要一套完備的倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備和有效的管理機(jī)制來(lái)完善倉(cāng)儲(chǔ)服務(wù)以滿足其進(jìn)出貨安全、快捷、高效的目的。該配送中心選用的是高架貨庫(kù)系統(tǒng)中的堆垛機(jī)設(shè)備，其采用了激光測(cè)距定位條碼定位系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器作為定位的測(cè)距定位系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)位置定位系統(tǒng)的詳細(xì)考察分析比較，完成全自動(dòng)化、準(zhǔn)確無(wú)誤、定點(diǎn)存取貨物的流程，該系統(tǒng)還擁有故障率小、精度高等優(yōu)點(diǎn)并在實(shí)際使用中水平往復(fù)精度及垂直升降定位精度都達(dá)到了±3mm的水平。

此工程是爭(zhēng)創(chuàng)錢江杯的工程之一，采用的測(cè)距測(cè)速傳感器是激光測(cè)距器和條碼定位儀，結(jié)合變頻器、PLC技術(shù)和精確的絕對(duì)認(rèn)址及閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到機(jī)動(dòng)性好、停準(zhǔn)精度高的特點(diǎn)，既滿足設(shè)備定位精度的要求，也實(shí)現(xiàn)了故障率低、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)；由于激光測(cè)距儀應(yīng)用上實(shí)際環(huán)境條件的限制，在垂直向很難滿足定位要求，于是在垂直向采用條碼定位儀，它的響應(yīng)時(shí)間為1ms，精度可達(dá)0.83mm，在保證設(shè)備正常運(yùn)行的同時(shí)也滿足其定位要求，也避免了后續(xù)維修上的困難及相互影響，目前該技術(shù)也廣泛應(yīng)用于食品、煙草、汽配、藥品等倉(cāng)庫(kù)或者配送中心[10-11]。

（2）港口行業(yè)作為國(guó)家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的基礎(chǔ)作用，有較高的社會(huì)效益。同時(shí)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)港口行業(yè)形成巨大市場(chǎng)需求，在國(guó)家和地方性政府的大力支持下，港口散貨總體吞吐量在逐年的迅速增長(zhǎng)，碼頭散貨裝卸面臨很大的壓力，實(shí)現(xiàn)智慧物流的模式和散貨的自動(dòng)化裝卸勢(shì)在必行。天津港煤碼頭引進(jìn)的新型散貨自動(dòng)裝船設(shè)備，可在無(wú)人操作的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化裝卸作業(yè)，在提高作業(yè)效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了安全性、可靠性作業(yè)，也節(jié)約了人力成本，為其他港口提供了切實(shí)可行的實(shí)例依據(jù)，也勢(shì)必成為未來(lái)散貨裝卸自動(dòng)化系統(tǒng)的新的發(fā)展形勢(shì)[12]。

天津港煤碼頭的多次裝船試驗(yàn)廣泛應(yīng)用沈陽(yáng)自動(dòng)化散貨裝船機(jī)物位檢測(cè)技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)散貨裝船機(jī)在安全作業(yè)的前提下自動(dòng)快速高效地完成裝船作業(yè)，它利用安裝在散貨裝船機(jī)上的激光雷達(dá)，通過(guò)多軸伺服控制激光雷達(dá)完成對(duì)船艙的三維輪廓掃描，后臺(tái)運(yùn)用截面邊緣提取算法與圖形擬合算法相結(jié)合的圖像處理算法，自動(dòng)實(shí)時(shí)獲取船艙尺寸以及艙內(nèi)物料的形狀，確定落料軌跡，來(lái)實(shí)現(xiàn)散貨裝船機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)。其檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示[13]：

（3）在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和智慧物流中，倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)已經(jīng)成為企業(yè)物流的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的成本控制、自動(dòng)化的程度時(shí)時(shí)影響著企業(yè)的效益和服務(wù)水平。同樣水泥工業(yè)和大型糧倉(cāng)也不例外，通常需要將飼料、顆粒狀物料、水泥等貨物放在高10～20米高圓筒型倉(cāng)庫(kù)中，為了控制生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行與產(chǎn)品的儲(chǔ)存就必須對(duì)倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)存量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，最有效的方法就是通過(guò)測(cè)量物料的高度來(lái)估算物料的存儲(chǔ)量?？紤]到目前激光物位計(jì)的小型化、方向性好、非接觸式、連續(xù)、量程大等特點(diǎn)，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，能夠測(cè)量高粘度物質(zhì)或粉狀物質(zhì)，并且廣泛應(yīng)用在高溫高壓、真空和狹小彎曲環(huán)境中，分辨率達(dá)到1mm、精度

3 激光技術(shù)在物流業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向

以萬(wàn)能傳感器著Q的分布式傳感系統(tǒng)是根據(jù)沿線光波分布參量，同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測(cè)量的分布信息，包括溫度、濕度、振動(dòng)、氣體濃度等，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于管道、隧道、圍欄、電力系統(tǒng)檢測(cè)等方面，但是在倉(cāng)儲(chǔ)上卻少有應(yīng)用，然而隨著生鮮果蔬、水產(chǎn)品、煙草、醫(yī)藥等物流業(yè)的發(fā)展，尤其是危化品企業(yè)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控提出了更高的要求，特別是溫度、濕度等倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)對(duì)存儲(chǔ)物品的壽命和腐損率有著重要的影響，并且要求實(shí)時(shí)監(jiān)控、圖形化顯示的同時(shí)，最好能對(duì)所屬貨架、藏品柜等甚至是單箱貨物的溫度、振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)控，而不是一個(gè)籠統(tǒng)的空間溫度值。因而將新的科學(xué)技術(shù)引入倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中構(gòu)建信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是重大事故的有效預(yù)警措施，具有重大的應(yīng)用背景及意義。

在現(xiàn)階段的國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)仍采取人工作業(yè)方式，但隨著電子商務(wù)的不斷發(fā)展與壯大，僅僅叉車的使用根本無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)于快速增長(zhǎng)的貨物處理需求，更無(wú)法滿足顧客對(duì)于購(gòu)買商品便捷、高效的購(gòu)物體驗(yàn)。而目前發(fā)達(dá)國(guó)家倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)作模式均采用了現(xiàn)代化的物流系統(tǒng)，需要達(dá)到這樣的模式單一物流公司或者軟件公司很難實(shí)現(xiàn)，擁有跨領(lǐng)域的合作才能實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域技術(shù)雙贏的突破。例如做為中國(guó)激光業(yè)界的后起之秀――海目星激光，就與聚龍股份合作，共同投資組建遼寧聚龍智能物流科技有限公司。他們致力于物流、倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)的研發(fā)和業(yè)務(wù)的開(kāi)拓，主要方向是金庫(kù)物流管理系統(tǒng)。這種技術(shù)型公司利用在軟件和自動(dòng)化設(shè)備方技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)與投資公司在客戶資源方面的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在智慧物流領(lǐng)域業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)與突破。

匯能光電有限責(zé)任公司創(chuàng)始人徐仕安認(rèn)為，“中國(guó)激光設(shè)備走的是模仿、吸收和創(chuàng)新的道路，因?yàn)樵诩す饧夹g(shù)和自動(dòng)化緊密結(jié)合的今天，工業(yè)制造領(lǐng)域的自動(dòng)上下料、倉(cāng)儲(chǔ)、物流、無(wú)人車間等都涉及到自動(dòng)化，而這些領(lǐng)域的生產(chǎn)，已離不開(kāi)激光技術(shù)。”想象一下，在我們未來(lái)的智能倉(cāng)儲(chǔ)中，裝備了以激光制導(dǎo)技術(shù)為核心的AGV搬運(yùn)小車，具有無(wú)線的通訊和信息處理的能力，能根據(jù)操作人員先前下達(dá)的指令協(xié)同作業(yè)，甚至發(fā)展到后期有了場(chǎng)景的自適應(yīng)能力，能應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的突發(fā)狀況，來(lái)達(dá)到高效完成裝卸與搬運(yùn)的目的。這將是飛躍性的歷史革新，就如同傳統(tǒng)手機(jī)迅速被智能手機(jī)取代一樣，留給傳統(tǒng)裝卸、搬運(yùn)裝備的轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，所以，傳統(tǒng)物流企業(yè)現(xiàn)在要做的就是與相關(guān)裝備廠商合作，朝著提升企業(yè)智能化水平方向不斷革新，提高智能裝備的技術(shù)水平。由此可見(jiàn)，激光測(cè)量與傳感技術(shù)的高速發(fā)展和日益普及勢(shì)必將引起智慧倉(cāng)儲(chǔ)的大革新，甚至是整個(gè)物流行業(yè)、整個(gè)制造業(yè)，生產(chǎn)、配送乃至于我們生活方方面面都會(huì)得到全新的服務(wù)水平[15]。

4 總 結(jié)

隨著中國(guó)智能制造的不斷推進(jìn)，激光技術(shù)憑借其在測(cè)距、定位、測(cè)速、監(jiān)測(cè)等方面的優(yōu)勢(shì)在智能化立體倉(cāng)儲(chǔ)的空間利用、堆貨體積測(cè)算、港口散貨裝船機(jī)物位檢測(cè)等方面已經(jīng)擁有了無(wú)可替代的應(yīng)用前景，對(duì)于物流業(yè)、工業(yè)激光的需求也將越來(lái)越大，相信在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)4.0”等背景下一些新思路和觀點(diǎn)的提出，會(huì)使得智慧物流下的激光技術(shù)應(yīng)用演繹出更絢麗的光彩。

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