时间:2022-12-05 12:10:06
导言:作为写作爱好者,不可错过为您精心挑选的10篇激光原理论文,它们将为您的写作提供全新的视角,我们衷心期待您的阅读,并希望这些内容能为您提供灵感和参考。
1.1了解新型传感器原理
首先,以学生熟悉的全站仪为对照,让学生了解激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,具有非接触式、精度高(毫米级/亚毫米级)、速度快(可达120万点/秒)、密度大(点间距可达毫米级)的优势,且数据采集方式灵活,对环境光线、温度都要求较低。其次,让学生理解LiDAR的测量原理主要分极坐标法和三角测量法两种。其中,对于极坐标法测量,使学生了解测距的关键在于时间差的测定,引出两种常用的测时方法:脉冲法和相位法;让学生理解直接测时和间接测时的区别以及各自的优缺点,从而进一步了解脉冲式和相位式激光扫描设备的优势、局限性以及应用领域。最后,通过介绍激光雷达采集数据的扫描方式,让学生了解不同平台上的激光雷达传感器的工作特点,如固定式激光扫描仪适合窗口式和全景式扫描,车载、机载以及星载平台适合移动式扫描等。
1.2熟悉激光扫描仪操作
考虑到各类平台激光雷达的作业特点以及现有设备的情况,《激光雷达技术原理》课程以地基三维激光扫描仪为重点,让学生熟悉仪器的外业操作。尽管激光扫描仪数据采集的自动化程度较高,外业采集仍然需要解决扫描设站方案设计和不同扫描站间连接点选择等问题,要求学生在熟悉激光扫描仪软硬件操作的同时,还要掌握激光扫描仪外业采集方案的设计:踏勘工作区,分析研究最优化的扫描设站方案和坐标转换控制点选择,画出相关的设计草图,并设置主要扫描设站的标志。要求设站位置既要保证与相邻站的重叠,又要覆盖尽量大范围的被扫描对象,以减少设站数,从而提高外业数据采集效率。
1.3掌握激光点云数据后处理方法
利用点云数据可视化与点云原始存储格式之间的明显反差,让学生了解激光点云数据后处理的重要性和难点,及其已成为制约激光雷达技术应用瓶颈的现状。根据学生的理解程度,选取了点云的拼接/配准、点云的滤波和分类、点云的分割和拟合等后处理方法,要求学生掌握相关的算法并编程实现。
1.3.1点云的拼接/配准点云拼接是将2个或2个以上坐标系中的大容量三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。要求学生掌握如何解决点云拼接的两个关键问题:同名特征的配准以及旋转矩阵的构造。对于同名特征的配准,使学生了解常用配准方法的特点和适用范围,如ICP方法适合用于精拼接,而基于特征面的方法对场景特征分布要求较高等。着重让学生掌握最常用的人工标靶识别,以及特征面匹配,后者有别于学生所熟知的点特征匹配;对于旋转矩阵的构造,拓展学生在《摄影测量学》[6]中学习的基于欧拉角的旋转矩阵构造,掌握角-轴转角系和单位四元数方法。
1.3.2点云的滤波和分类要求学生了解滤波和分类的目的是解决激光脚点在三维空间的分布形态呈现随机离散的问题。掌握基于高程突变和空间形态学的点云滤波和分类方法。让学生理解单一的信息量会导致算法不稳健,从而引出多源数据融合的思路。目前,已经有很多激光扫描仪生产厂商推出的新产品中实现了多传感器平台的集成,如激光扫描仪会搭载小像幅的数码相机,甚至有些系统还提供由集成传感器生成的红外影像。每种数据源都有其自身的优点和局限性,将多源数据融合能够弥补各个单数据源的局限性,增大信息量,从而提高滤波和分类方法的稳健性。
1.3.3点云的分割和拟合要求学生掌握实现点云分割的相似性原则:平面性、曲面平滑度和邻域法向,以及常用的点云分割方法表面生长法。考虑到点云拟合是由离散激光点坐标计算特征模型参数的过程,要求学生掌握点云拟合中两个主要问题的解决方法:粗差剔除及最优解获取。
2实践教学法
实践教学是卓越工程师培养体系中一个重要的组成部分。作为技术性的测绘工程学科,除应用测量仪器采集数据、应用计算机处理数据的基本能力外,还需要构建实践教学体系以培养学生在实践中选用适当的理论、技术、仪器设备和作业方法解决测绘工程与地理空间信息产品生产实际问题的能力,从而使学生接受测绘工程与地理空间信息产品生产方案设计、实施以及实际应用中测绘工程解决方案确定等系统化训练。《激光雷达技术原理》课程实习要求学生全面应用所学知识,利用实习场地,依据实习目的和要求在老师的指导下分组独立完成全部实习内容。实习仪器为中国地质大学(北京)遥感地理信息工程教研室使用教育部采购专项购买的RIEGLLMSZ620三维激光扫描仪。《激光雷达技术原理》课程实习的目的主要是使学生通过三维激光扫描仪的使用,进一步巩固和加深理解相关理论知识和技术方法。要求熟悉三维激光扫描仪数据采集与处理(包括DEM、等高线和剖面图生成以及三维建模等)的全过程。通过实践性教学,不仅能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和LiDAR测量项目的作业流程,而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。培养学生的应用能力、创新能力以及严肃认真、实事求是、吃苦耐劳、团结协作的精神。要求学生必须参加每一个实习环节,协作完成实习任务,独立完成实习报告。实习内容主要包括以下部分。
2.1三维激光扫描
数据的外业采集要求学生分组完成测区划分和踏勘,确定测站位置,根据测区地形,设计外业数据采集方案,完成外业设站、反射标靶布设和数据采集工作。学生需要完成校园内建筑物点云数据和奥林匹克森林公园地形点云数据的采集。
2.2点云数据预处理
要求学生分别利用随机软件RiSCANPRO和上机C语言编程对外业采集的三维点云数据进行预处理,包括点云数据的滤波和拼接。
2.2.1点云滤波1)手动滤波要求学生利用RiSCANPRO对点云数据进行滤波。RiSCANPROv1.7.0有两种模式,即Filterdata和Terrainfilter。前者针对一般数据,后者对于提取地形的数据有明显效果。2)自动滤波要求学生上机应用C语言编程实现数学形态学方法、移动窗口滤波法、迭代线性最小二乘内插法、基于可靠最小值的滤波方法等常用的地形滤波算法,对外业采集的数据进行滤波,并对各算法的结果进行比较和分析。图1为学生基于虹湾地区嫦娥一号激光测高数据,利用五种滤波方法滤波后的数据点残差值分布图[7]。
2.2.2点云拼接1)基于反射标靶的点云拼接要求学生利用RiSCANPRO软件,结合外业数据采集时布设的标靶连接点,对地形和建筑物点云数据进行拼接。激光点云数据的拼接有两种方式:公共反射体的方式和采用使所有的反射体处于同一坐标系统的方式。在实际操作过程中,要求学生对两者结合使用,以期达到更好的拼接效果。2)基于特征面的点云拼接要求学生在对点云进行拟合的基础上,选取至少三对相互正交的特征面,利用C语言上机编程,实现基于特征面的点云拼接,并与单纯基于点的拼接结果进行对比,分析不同方法的优缺点。
2.2.3地形数据处理对地形数据的处理主要包括三角化、平滑、生成等高线和剖面。三角化参数的设置可参考量测工具量测出的点云中两点之间的距离初步设定,这个值可适当调整,目的在于使图中的点云数据彼此之间能尽量大面积地构成三角网;要求学生对已经完成三角化的数据进行平滑处理;针对已经完成平滑的数据,利用RiSCANPRO软件生成等高线。剖面图的显示既可以针对三角化之前的数据,也可以针对三角化之后(包括完成平滑的数据)来操作。
2.2.4建筑物几何模型重建针对《激光雷达技术原理》数据处理方法的教学内容,指导教师结合自身的研究成果组织研究生开发了点云分割和拟合以及三维建模等软件模块,考虑到学生的掌握程度和实用性,要求学生在利用软件模块实现点云数据分割和拟合的基础上,利用AutoCAD软件手工建立建筑物的几何三维模型,基于3DSMAX软件建立建筑物纹理模型。图2为暑期教学实习中指导学生利用商业软件和自主开发的软件模块重建的地大校园主要建筑物的三维模型。
中图分类号:G64 文献标识码:A 文章编号:1002-7661(2012)24-0004-02
激光是二十世纪人类的重大科技发明之一,被誉为继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”,它对人类社会生活产生了广泛而深刻的影响。作为高技术的研究成果,它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域,而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用,与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值。由于各行各业都应用激光进行技术改造和新技术的开发研究,除了文科的几乎所有理工农医的高等院校都开设了激光原理和应用的课程。
《激光原理》是光信息科学与技术和应用物理学专业重要的专业基础课,通过本课程的学习使学生对激光的基本概念、基本技术和基本器件有比较全面、系统的认识,培养学生分析和解决工程技术问题的能力,为进一步学习相关专业课打下基础。然而,《激光原理》又是一门理论性很强的专业基础课,该课程物理概念抽象和理论性强,基础知识面广,学生往往因缺乏感性认识,不易理解,感到难学,这对老师的教学水平和教学方法提出了考验。笔者结合自己的教学实践,从以下几个方面对《激光原理》课程教学改革进行了探索。
一、教学内容的改革
《激光原理》课程主要介绍激光的产生条件、激光器的工作原理和激光器的输出特性,这部分内容理论性强,需要应用原子物理、量子力学、热力学统计物理、光学和高等数学等课程的结论和基础,公式繁多、推导复杂、理论抽象,具有相当的难度和深度。在《激光原理》的教学过程中,我们还增加了部分激光技术的内容,比如激光器输出的选模技术、激光器的稳频、激光束的光束变换,以及激光的调制、偏转、调Q和锁模技术等,这部分内容是从事光信息科学与技术人员必须掌握的基本知识,通过对这些知识的学习能够加深学生对激光器原理的理解和掌握。为了进一步加深印象,我们对典型的激光器进行了介绍,比如红宝石激光器、汝玻璃激光器、Nd:YAG激光器等固体激光器,He-Ne激光器、CO2激光器、Ar+激光器等气体激光器,以及燃料激光器和半导体激光器等都做了简要的介绍。
在教材方面,我们选择了上海理工大学陈家璧教授编写的《激光原理及应用》(电子工业出版社)作为教材。这本教材的内容章节安排合理,知识点覆盖面广,理论体系较为完整,同时这本教材是在大学的普通物理学的基础上编写的,从激光的物理学基础出发,着重阐明物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系,尽量避免过多的理论计算,以掌握激光器的选择和使用为主要目的。因此这本教材的内容对学生来讲不难理解,所讲授的内容比较容易掌握。我们还增加了一本国际公认的经典教材作为参考书:Christopher C. Davis编写的《Lasers and Electro-Optics:Fundamentals and Engineering》, Cambridge University Press。
二、教学手段的改革
在教学过程中建立师生平等的民主教学氛围。改变“教师为主,学生从属”的教学模式,本着师生平等的原则,以参与者的身份在教学活动中创造一种愉快轻松的氛围,挖掘和调动学生的潜力,培养学生的创新能力。
教学方式以课堂授课为主,同时考虑到激光中有很丰富生动的现象,注重和提倡采用多种手段进行多种形式的教学,充分体现光学这门课丰富多彩、形象生动的特性,辅助的教学手段主要是利用计算机的多媒体功能。比如为了增强激光原理教学中关于激光器的光场分布的直观性,采用快速傅立叶变换法求解傍轴近似波动方程,计算模拟激光器的光场分布,可以直观地给出三维稳态分布图,融合计算机的灵活性、新颖性和光学现象的直观性及趣味性。通过演示实验,让同学们观察到各种激光现象,展现了“百闻不如一见”的效果,使学生进一步加深了对课程内容的理解,激发学生的求知欲和好奇心,刺激同学们的思考。
另外,在教学过程中开展启发式和讨论式教学。从人才培养的角度来说,学生与老师应该具有互动性。开展启发式和讨论式教学,甚至适当运用跳跃式的教学方法来组织教学内容。给学生留出钻研的空间。这不仅有利于提高教师教学研究的积极性,更能挖掘学生的开放性思维和独立、大胆地学习和思考问题的能力,从而达到培养学生全面的科学素质和教学相长的目的。
三、考核方式的改革
考核方式已成为课程改革的一部分,与课程的实施方法相辅相成。传统理工科院校的考核主要以闭卷笔试加平时成绩的形式进行。在实际的考核过程中,我们逐渐加大平时成绩的比例,减少闭卷笔试成绩的比例。平时成绩的考核形式可以多种多样。比如,在授课过程中,对课程中某几个重要的知识能力点,设立几个小课题。让学生们查找资料,撰写论文,通过让他们深入实践,促进对知识点的掌握,强化学生自己思考的过程,达到培养学生自学意识、独立科研意识和能力,达到素质型人才培养之目的。
如何提高《激光原理》课程的教学质量,如何优化和深化理论教学是一个长期的课题。针对教学内容、教学手段和考核方式等方面进行改革,调动学生的学习主动性和积极性,培养他们的创新思维、从事科学研究和撰写学术论文的能力,提高他们的综合素质和竞争力。
参考文献:
[1]陈家璧,彭润玲主编.激光原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2008.
[2]马再如.关于提高激光原理与激光技术课教学质量的探讨[J].高等教育研究,2012,(1).
2引入慕课资源,促进课堂教学改革
《激光原理》属于光电子类专业的一门重要专业课程。由于课程的针对性较强,相对于其他的公共基础课而言每个学校担任《激光原理》课程的教师为数不多。目前,《激光原理》课程教学内容多以教材为主,再加以教师教案和收集的各种资料,导致《激光原理》课程信息量少,形式也比较单一。当今我国光电产业迅猛发展,而激光是整个光电产业的灵魂,所以,让广大光电产业从业人员掌握和了解一定的激光原理知识是非常必要的。实际上,光电产业作为一个新兴战略产业,许多的从业人员并未受到过系统的光电子理论教育,因而,引入慕课,不仅可以让在校的光电专业学生受惠,而且可以惠及社会上众多非“科班”出身的光电产业从业人员。慕课突破了个别教师的界限,可以是一所大学,多所大学,其他社会机构,甚至是更多个人直接上传视频、文本、音频来参与教育内容并在全球分享[2]。这样一来,慕课进入课堂,使得教学模式多样化,教学内容多元化和海量化,每位学生都可以随时随地地从慕课平台中去获取更多自己所需要的学习资源。《激光原理》课程理论性强,其中涉及到较多的复杂抽象的物理概念。在实际的教学过程中学生不易理解,仅仅依靠课堂教学很难达到预计的教学效果。这就需要改变传统的教学模式,制作一些短小精悍的微视频课件来实现慕课教学。慕课的主要载体就是十分钟左右的微视频,我们可以为每一个晦涩难懂的物理概念制作一个微视频,并加以多媒体动画讲解[3]。每一个微视频的时间不长,这样可以集中学生的注意力,同时动画讲解可以提高学生学习《激光原理》的兴趣,更大程度上提高学生自主学习的能力。另外,在慕课模式下,《激光原理》课程的考核方式也可以采用除传统的试卷考试之外的更为灵活的方式进行。在整个《激光原理》课程的学习过程中,由于有了慕课这种方便、快捷的学习方式,学生可以随时对自己感兴趣的内容进行学习,所以,在学习过程中更能激发学生的主观能动性。那么,在这种情况下,教师也可以根据所教授的内容和学生自身的特点对学生进行引导并提出一些跟课程相关的问题,叫学生自行寻找解决问题的方案。据此,教师可以判断学生对课程的掌握程度和学生解决问题的能力,从而给出课程的考核分数。这样的考核方式,也是激励学生不断学习的一种手段,在每次任务的完成和讨论过程中既可以调动学生的积极性又可以增进师生互动,同时每次任务完成后可以及时的帮助学生了解自己对知识点的掌握效果。
3利用慕课平台,建立虚拟实验室
在大多数《激光原理》的实际教学过程中,多以理论教学为主,虽然在教学中辅以多媒体教学手段,但是教学效果不是很明显,比如在讲解谐振腔的损耗对激光器的影响的过程中,由于教学手段限制,很难让同学们从抽象的理论中解脱出来。那么如何让学生真切体会到谐振腔损耗对激光器的重要性?这是我们在《激光原理》教学中一直关注的问题。显然,我们必须改变传统的以理论教学为主的教学方法。这样就要求理论教学内容紧跟实验教学,但是由于目前激光实验设备昂贵,针对性强,甚至有些大型精密仪器往往无力购买,这必然导致实验教学的缺失。另外,实验课教师面对学生讲解实验的时候,由于一个班人数较多,受到视角的限制,不可能所有的学生都能完整清楚的看到每一个操作细节。尤其是大型贵重的仪器受到经费的限制,台数少,上课学生多的时候不是所有的学生都有实际操作的可能,甚至有时候很多的精密仪器都是作为演示实验只有教师操作,学生只能在一旁观看。利用慕课资源,建设虚拟实验室可以在很大程度上解决激光原理实验的问题。在教学手段上,可以利用LASCAD等激光器设计专用仿真软件建立虚拟实验室,演示激光的产生和激光束的传播规律,以提高教学效果。虚拟实验室可以大大减少设备资金的投入和各种实验耗材的开销,还可以使得每位学生都有亲自操作的机会,可以使得学生更大程度上加深对深奥的概念理解。由于慕课建立在网络平台,课后只要学生有兴趣就可以继续在虚拟实验室进行操作,方便学生利用零散时间来进行学习,如果有不熟练或有疑问的地方可以反复多次的实践直至理解为止,这在传统的实验课堂上是几乎不可能的。在慕课条件下建立虚拟实验室可以在教学内容上,加大综合性、设计性实验课题的比重,体现理工科课程的特点。精选一部分实验内容制定微型的基础实验用来完成一些验证性实验,例如模拟激光器和激光束的相关特性,加深学生对《激光原理》的感性认识。同时可以再加设一部分激光原理的课程设计的题目,启发他们做一些新型的科学研究,满足学生的高层次需求。比如,利用虚拟实验室结合matlab编程等软件设计,鼓励学生开展激光器有源光学谐振腔设计等工作,开展高斯光束聚焦特性和中红外激光器设计等专题活动。同时可以借鉴国外的教学模式,各种课程设计的实验报告采用论文形式,培养学生的科学素养,提高学生撰写专业论文的能力,为今后的毕业设计、毕业论文以及科技论文打下坚实的基础。我校2014年获批湖北省光电信息技术虚拟仿真实验教学中心,以该项目为依托,我们已经着手建立激光原理虚拟实验室。
4慕课可以增进师生交流与沟通
传统的教学方式以课堂为中心,教师主导着课堂教学。而课堂教学则以灌输理论知识为主,教师讲解过程中学生处于被动接受的地位,师生间互动较少。受到多方面因素的影响,目前大部分学校的《激光原理》教学,教师在课堂上往往只根据教材的安排,按部就班照本宣科教授书本非常狭窄的理论知识,而不注意这门课程在生产实际中的应用以及这个行业当前发展的状况。另一方面,在现有的教育体制下,高校教师更多的关注自己的科研,而缺乏在教学方面创新的动力,仅把知识的灌输作为主要的教学目标,学生在学习过程中得不到有效的指导和监督[4]。然而教学的主要目的并不是为了培养学生的应试能力,而是为了训练学生的自主学习能力使其更能适应社会化发展。慕课利用当代先进的信息技术,使得全人类能够共享优质教育资源。慕课所提供的方便和快捷保障了学生的学习自[5]。与传统的教学方式不同的是,慕课的内容汇聚了大量的优质资源,学生可以通过网络观看各种《激光原理》的微视频,也可以根据自身的情况来制定学习目标,组建学习内容。学生可以观看本校、外校甚至是国外教师教授《激光原理》的教学视频并操作各种虚拟实验室。学生可以利用慕课平台与更多的教师和同学交流互动,分享各式各样的学习资源,甚至于可以组建网络讨论小组和兴趣小组,互相讨论自己感兴趣的课题,分享笔记,点评课程。在慕课模式下,教师和学生的角色都会有所转变甚至于可以互换。慕课对教师提出了前所未有的挑战,学生可以根据所需要的学习内容自行选择上课教师,这样对教师的教学水平、教学风格提出了更高的要求。学生也可以根据自己对某个知识点的理解制作微视频上传到慕课平台,教师也可以通过学生的讲解视频来了解学生的思维方式和理解程度。有些学生通过参考文献、虚拟实验或是各种社会实践来提出自己对《激光原理》课程中各种见解,这些都是教师在传统教学中所无法得知的。可以想象在慕课环境下,没有学生会选择教学模式古板、教学质量差的教学视频来观看,这样很多照本宣科、本本主义的教师将会消失,同时也对学生的自律性提出了更高的要求,是被动的学习转变为自主的学习模式。所以,在慕课模式下,教师教学生学的传统师生关系将会发生很大的改变。教师在教学过程中将会有更多的机会从学生处获益,“教学相长”将会在慕课模式得到更加完美的诠释。
5慕课模式下校企合作,了解更多的科技动态
激光原理是一门实践性很强的课程。教学中需要学生多动手、多思考,在实验中理解和应用课堂教学中学到的理论知识等。受限于激光器的构造特性,一般理论课堂难以进行实验演示,即便演示,效果也不好。此外,在教材上,由于光电子技术的快速发展,新型光子器件和新的激光技术不断涌现,导致教材的先进性有所欠缺,比如激光短脉冲技术一般教材都只介绍传统的调Q,锁模技术,而应用在高功率超短激光脉冲产生的啁啾放大技术却很少涉及。这种教学模式与教学部提出的“应用型普通本科学校”是相违背的,大学从来不是“象牙塔”,不只是单纯的要求学生参加应试教育的考试,而是要培养提高学生的综合能力包括自主学习的能力、发现问题解决问题的能力和工程应用能力等。但是,综合能力的培养与提高不是一朝一夕的事情,它贯穿于从学校到社会甚至整个人生。这就要求我们的大学课堂与企业的要求紧密的链接起来,可以根据企业合作要求搭建慕课平台,企业可以根据他们对激光工艺的要求和大学院校共同开发慕课平台,聘请企业工程师和一些有经验的工人加入慕课的开发和制作[6]。根据企业要求制作的慕课,学生不仅可以学习理论知识,还可以学习到实践技能。在所有完成慕课的学生中,企业可以根据完成情况择优录取,免去一部分招聘和培训的成本,学生通过慕课的训练也能很好地适应企业的工作,真正获得双赢的效果。由于《激光原理》课程专业性强,大多受到资金的限制,每个学校对《激光原理》课程的投入不会太大,难以添置高端仪器,而慕课是综合各个院校及企业的各种教学资源,这样实验仪器设备要更为齐全,通过慕课可以了解到一些没法见到的大型高科技仪器设备,熟悉仪器的用途、操作原理以及使用方法等。利用慕课模式,引进企业的研发机构,这样可以综合利用社会资源。在《激光原理》慕课建设内容中,可以以企业产品市场销售走势对教学重点进行适当的调整,以适应企业的需求[7]。从这个角度来讲,这也可以激发学生学习《激光原理》的兴趣,开拓知识面,开发其潜在的创造能力,通过这种课内外科技活动结合的教学形式,了解高科技知识,达到在本科阶段参与科研的目的。这既为学生的进一步深造奠定了坚实的理论和实践基础,也实现了学校人才培养和企业需求的无缝对接。所以,在慕课模式下实现校企合作,对学生、学校和企业都是有好处的,是一举三得的事情。
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23年前,34岁的谭立英在北京图书馆查阅资料,准备她的硕士毕业论文。查阅了上千篇资料后,有关卫星激光通信的数据让她眼前一亮――卫星与卫星间、卫星与地面间用“光”连接起来,可以形成空间的信息高速公路。要是能在浩瀚空间建立一个无线光网络,实时进行高速信息传输,这将是一件多么了不起的事情啊!
这个想法令谭立英兴奋不已,可当她着手去做这件事情时,难度大于想象。彼时,她是哈尔滨工业大学物理系的教师,一个5岁孩子的妈妈,每天一边上课,一边做硕士论文,还要照顾孩子。丈夫加同事马晶远在日内瓦深造。在当时那个年代,卫星微波通信还不成熟,更不要说是卫星激光通信,几乎所有的人都认为谭立英的想法是天方夜谭,包括谭立英当时的导师。
导师劝她:“方向虽好,但难度太大了,难以毕业。你要坚持做这个,硕士论文所需的研究费用还要你自己解决。”谭立英点点头,说:“会想到办法的。”其实,她一点办法都没有,她只是怕丝毫犹豫都会让心中燃烧的激情之火熄灭。她34岁了,不想在这个能有所成就的年纪里,提前老气横秋。
谭立英没有想到,为了她的项目,丈夫提前回国。他把家里所有存款取出来,一共不到2万元,对她说:“没经费,我们就用家里的钱,我陪着你一起干。”
久别重逢,夫妻俩的卿卿我我就是通宵地讨论那片科学的空白之地。5岁的女儿听得厌烦了,嫉妒地对爸爸说:“你都有一年多没看到我了,我还是没有你们的课题重要,我真想变成天上的卫星,让你们天天研究研究我。”女儿的话,把夫妻俩逗笑了。谭立英亲亲女儿,牵牵丈夫的手,看看窗外的夜空,想想自己即将要做的连结天与地的事情,她的幸福神圣而隐秘。
连接天地的幸福,神圣隐秘
创业之初的日子无比艰难。他们的实验室设在一间地下室里,潮气重,所有的纸质材料因浸入了潮气而变得绵软,难以翻阅。马晶放了一个除湿机,每天都能抽出三箱水来。
家里的积蓄和微薄的工资是全部科研经费,谭立英不得不算计着花。为了节省费用,谭立英出门能步行绝不坐公交,坐火车也只买硬座,餐桌上长年是白菜土豆。女儿三番两次抗议后,每周的土豆炖白菜里可以出现几片肥瘦相间的肉,算是改善了伙食。以至于女儿说:“在咱们家,实验是亲生的,我是马路上捡来的。”
尽管如此,困难依然接踵而至。建立理论模型需要实验测试验证,没有经费就没有最基本的实验设备,初步的原理验证无法进行。一天,马晶略带得意地安慰妻子:“咱们的仪器有了。”他卖起关子说,这是个秘密。
两天后,马晶神秘地把妻子带到实验室。拉开实验室门的一刹那,谭立英惊呆了――地上摆了一堆破烂。马晶如数家珍:“这是教学实验室报废的仪器,有些修一修兴许能用。”谭立英半信半疑。之后的几天,夫妻俩在实验室忙活开了。他们首先将这些破烂整理归类,凑成了几件“整尸”,然后“解剖”“移植”“再造”“重组”,它们重新变成了实验设备。七天之后,实验设备开始集体工作,半个月后,他们完成了测试验证。谭立英获得了有效的发射测试数据,完成了她的毕业论文。
论文写下最后一个句号时,谭立英不得不为当天的晚餐发愁――研究已经花光了家中全部的积蓄,晚餐在哪里都成了问题。为了安慰女儿,马晶对女儿说:“妈妈的论文完成了,这是个非常值得祝贺的日子,按照行规,今天得吃白水煮面,意味着万事顺顺利利。”一家三口用开水干杯,以白水煮面条充饥。
当晚,女儿睡后,马晶对谭立英说:“研究卫星激光通信是一个从无到有的工作,以后还会有更多的困难,你要做好思想准备。你只要记住一条,我一直在你身边,你不是一个人。”
谭立英看看熟睡的女儿,满心愧疚。马晶拍拍她的肩膀,说:“她会理解的,你应该想到这个过程本身对她就是一种富养。”
有种浪漫,身心相伴
1995年,“弹尽粮绝”的秋天,谭立英带着硕士论文和几十袋方便面住进了北京阜成路8号航天部招待所。倔强的她要给这个研究项目跑出一笔经费来。
跑经费的日子也是谭立英哭得最多的日子。碰壁是常有的事情,冷言冷语也是常听的,很多时候谭立英转身出门时,泪水就滴在了衣襟上。作为一个知识分子,她的自尊不允许她在别人面前以眼泪获得支持。每一次,当眼泪于人前夺眶而出时,她都借口去卫生间,哭够了,再回来继续陈述她的研究。
没有任何门路的谭立英完全是用研究热情打动了航天部的工作人员。几乎每一个看了她论文的人都会惊奇地问:“是谁支持你做卫星激光通信研究的?”“我丈夫。我们没有项目经费支持,是拿自己家里钱做的。”
陈芳允院士――中国卫星测量、控制技术的奠基人之一,“两弹一星功勋奖章”获得者,863计划的倡导者之一,读了谭立英的毕业论文,了解了他们所做的工作之后,激动地说:“你们做得非常好!国家需要卫星激光通信,也一定会支持你们的研究工作。希望你们能继续做下去,不要有任何顾虑。”此后,马晶和谭立英陆续获得了来自哈尔滨工业大学和航天五院的科研基金,建立了团队,研究工作也逐步进入正轨。
试验进入收尾阶段时,由于估计不足,科研经费又一次出现了短缺。大家自带行李,挤进了租来的简易房。马晶、谭立英把家里的电视机、窗帘、大米、土豆等一股脑地搬进了这个“新家”。所有研究人员每天中午只吃6元的盒饭。到了晚上,谭立英又变身为厨师,她拿出科研精神钻研厨艺,每天不重样地为大家做上一顿像样的饭菜。
2011年10月25日,让谭立英夫妇铭记一生的日子,那是中国首次星地激光链路双向捕获跟踪试验成功的日子。试验现场的大屏幕上,“海洋二号”卫星以时速2万余千米的速度疾驰而来,它经过试验区域的时间只有几分钟。卫星光信号与地面光信号准确对准,实现了快速双向捕获、链接并跟踪。
11秒!地面终端就成功捕获到星上终端发出的光信号。这一刻,谭立英期盼了太久。马晶说,20年,比他想象的时间还要短些,他甚至做好了打30年或者50年持久战的准备。
我校光信息科学与技术专业历史悠久、办学基础好、生源质量高、专业方向应用性强。为适应国家对激光科学与技术及光信息技术高素质人才的需求,发挥我校光信息科学与技术专业应用性强的优势,围绕“特色教育,服务社会”的宗旨,2009年申报成功了光信息科学与技术国家第一类特色专业,目标是建设一个以激光科学与技术和光信息技术两个专业方向为优势方向,特色鲜明的名牌专业,使之在培养质量方面达到或接近国内一流水平。在专业边缘领域,大胆开拓,不断扩展研究内容,使该专业成为国内激光科学与技术和光信息技术方向高级人才的培养基地,满足社会发展需要,为同类型高校相关专业建设和改革起到示范和带动作用。电动力学作为该专业重要的一门专业基础课程,需进行教学内容和教学方式的改革,以适应特色专业的建设和培养高质量毕业生要求。
二、电动力学课程教学现状及课程特点
电动力学课程内容,对大多数学生来说感觉到比较难学。原因是知识点较多,抽象难懂。数学推导复杂,要求有较强的数理基础。虽然有些电动力学问题接近实际,比如波导问题、天线问题,但学生要理解和解决这些问题,需要一定的过程,由于上述问题的存在,使初学者常常感到电动力学课枯燥无味、难以入门;上课听讲似懂非懂,下课做题无从下手。并且,由于招生数量的增加,极大降低了师生比,降低了学生与老师交流的几率。同时,现代大学生与80年代大学生比,缺乏主动思考意识和能力,都严重影响电动力学课程的教学效果。
三、教学改革设想及实施
用宏观物理学的方法研究原子的性质及其相互作用时,只能通过测量微观量的平均值,大平均过程掩盖了原子水平上的重要效应。操控单个微观粒子,研究单个粒子的行为和性质以及少数粒子的相互作用,一直是就是物理学家梦寐以求的事。随着实验技术的发展,控制单个微观粒子的愿望成为可能。特别是1960年激光的发明和在这以后激光技术的发展,可以随我们所需改变激光的频率,控制激光束的延续时间并使激光束聚焦到一个原子大小的范围。从这以后,实验技术和实验方法有了极大的发展,利用激光可以使原子或离子冷却到接近绝对零度,就是使它们的运动速度减到非常小,直至几乎停止。还实现了利用特殊的电磁场来陷俘单个原子或离子。物理实验技术的进展使研究单个或少数几个粒子的性质、深入研究光子和物质粒子的相互作用有了可能。这不仅打开了高科技应用的广阔前景,还为证实和发展量子物理学的基本原理提供了实验基础。
量子力学已有100多年历史,量子力学理论取得了辉煌的成功。现代的高科技产品,如计算机芯片、激光、医用磁共振等等无不是在量子力学理论基础上发展起来的。量子力学被认为是最精确、最成功的物理理论,可是人们对量子力学的基本原理始终存在着疑问,那些创立量子力学的物理大师们自己都不满意量子力学的基本假设。在这些大师之间以及他们的后继者中,关于量子力学的理论基础是否完善的问题争论不休,新的解释层出不穷,至今还没有得出令人满意的结论。
量子力学描写微观世界的规律,但人类的直接经验都是关于宏观世界的。我们的测量仪器以及人类感官本身都是宏观物体,仪器测量到的和我们直接感知的都是大量原子组成的宏观物体。在经典物理学中,观察不影响被观察对象的运动状态,例如,我们能够观察一个行星的运动,追随它的运动轨迹,行星的状态变化与观察者无关,不受我们观察的影响。可是,对微观世界的观察就完全不是这样,当我们研究一个量子体系时,经过测量后的量子体系原来的状态总是被破坏了。例如,光子进入光电探测器后,光子就被吸收;电子被探测器件接收后,该电子原来的状态就改变了。宏观仪器对量子系统测量的结果,都必须转换为经典物理学的语言。要直接观察并且非破坏性(non-demolition)地测量量子体系的量子性质是难以做到的事情,所以,量子力学所预言的量子世界的奇特性质一直令物理学家和公众感到神秘难解。
2012年诺贝尔物理奖获得者和他们的同事们的工作,突破了经典物理学实验和人类直接经验的限制,他们直接观察到了个别粒子的量子行为。瓦因兰德小组做的是在电场中陷俘离子,用光子对它做非破坏性的操控。阿罗什小组是在空腔中陷俘单个光子,用原子进行非破坏性的测量。他们异曲同工,都对单个量子粒子进行实验测量,研究量子力学的基本原理。这些研究不仅对量子理论的基本原理的进一步阐明有重要意义,并且有广阔的应用前景。
阿罗什:把光子囚禁起来
阿罗什毕业于法国高等师范学校。1971年他在巴黎第六大学获得博士学位,导师是柯亨-塔诺季(Claude Cohen-Tannoudji),1997年诺贝尔物理学奖得主。从20世纪60年代开始阿罗什就在法国高等师范学校物理系的卡斯特勒-布罗塞尔实验室(Kastler-Brossel Laboratory)工作。该实验室是以获诺贝尔物理学奖的阿尔夫莱德・卡斯特勒(Alfred Kastler)的名字命名的。1972~1973年,阿罗什曾到美国斯坦福大学,在诺贝尔物理学奖获得者肖洛的实验室中工作。
阿罗什说,他们的成功主要得益于卡斯特勒-布罗塞尔实验室特有的学术环境和物质条件。他们组成了极其出色的研究小组,并且将共同积累的知识和技能传授给一代又一代的学生。阿罗什还说,他给研究生和本科生的讲课也有助于研究工作,在准备新课的过程中他注意到了光和物质相互作用的不同方面。阿罗什认为,国际交流学者参加研究不仅带来专门的知识和技能,也带来不同的科学文化以补充他们自身的不足。他觉得幸运的是,在长期的微观世界探索中,他和他的同事们能够自由地选择他们的研究方向,而不必勉强地提出可能的应用前景作为依据。
阿罗什小组的主要成就是发展了非破坏性的方法检测单个光子。用通常的方法检测光子,都是吸收光子并把它转换为电流(光电探测器)或转化为化学能量(照相底片)(动物的眼睛是将光子转化为神经的电脉冲的)。总之,光子被测量到后立即消失。近半个世纪以来,虽然人类发展出了量子非破坏性测量,但这些测量只能用于大量光子的情况。而阿罗什和同事们做到了反复测量记录同一个光子。
光的速度非常快,达每秒30万公里,所以要控制、测量单个光子,必须将光子关闭在一个小的区域内,并使其在足够长的时间内不逃逸或被吸收。阿罗什小组实验成功的关键是制成反射率极高的凹面镜。反射镜是在金属底板上镀以超导材料铌,镜面抛光到不平整度只有几个纳米(1纳米=100万分之一毫米),光子因镜面不平而散射逃逸的机会非常小。空腔由两个凹面镜相对安放组成,镜间距离27毫米。整个设备安置在绝对温度1度以下的环境中。一个微波光子在腔中停留时间可达十分之一秒,即在两面镜子之间来回反射10 亿次以上,差不多相当于绕地球一周。可以说阿罗什小组创造了限制在很小的有限体积内的光子寿命的世界纪录。
阿罗什小组的另一项创造性贡献是利用利用里德伯原子作为探测器,实现非破坏性测量单个光子。所谓里德伯原子,是激发到很高的能量轨道上的原子,这种原子的体积比正常原子大许多。他们用铷(原子序数37)原子,把它的价电子激发到第50层的圆形轨道上(主量子数n=50)。这种情况下,外层电子从n=50 的轨道跃迁到相邻的轨道n=49和n=51,发射或吸收微波光子频率分别为54.3GHz(千兆赫兹)和51.1GHz。正常的原子半径在0.1纳米以下,铷原子中电子占据的最外层轨道为n=5;当它的最外面的电子跑到n=50的圆形轨道上时,原子的半径达到100多纳米,原子半径增大了1000倍以上。这样的原子好比一个很大的无线电天线,容易和电磁场相互作用。
瓦因兰德:让离子停下来
瓦因兰德和阿罗什同年,都生于1944年。1965年,瓦因兰德毕业于美国加利福尼亚大学伯克利分校;1970年在哈佛大学获博士学位,博士论文题目是“氘原子微波激射器”,导师是拉姆齐(Norman Ramsey)。以后他到华盛顿大学,在德默尔特(Hans Dehmelt)的实验室做博士后研究。德默尔特是1989年诺贝尔物理奖获得者。1975年,瓦因兰德和德默尔同发表了讨论激光冷却离子的论文,这是有关激光致冷的开创性论文,被学术界同仁广泛引用,其中包括获1977年诺贝尔物理学奖的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔诺季等。
1975年,瓦因兰德到隶属于美国商业部的美国国家标准与技术研究所工作。在那里,他创建了储存离子研究小组。在过去多年的工作中,他做出了多项世界第一的研究成果,终于获得了诺贝尔物理学奖。他是15年来美国国家标准与技术研究所第四位获诺贝尔物理奖的研究人员之一,研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。
制造量子计算机的建议方法有多种,许多科学家正在对不同的方案进行实验研究。瓦因兰德小组从事的陷俘离子的方法是最成功的方法之一。他们利用特殊排列的几个电极组合产生特定的电场,形成陷阱,将汞的一价离子限制在三个电极组成的空间中。三个电极包括两端各有一个相对的电极和一个环形电极,离子由激光束控制。
在常温下,原子运动的平均速度为每秒数百米,以这种速度运动的离子会立即逃逸出陷阱。要将离子陷俘在电场陷阱中,离子的运动速度必须非常小。只有在极低的温度下,离子或原子的运动速度才能变得很小。可以利用激光使离子冷却,使离子的速度减小到几乎停止的状态。将特定频率的激光束对着原子或离子射来的方向照射时,原子在迎面射来的光子的一次次冲击下,速度就慢了下来。当然,原子或离子吸收了光子又要再把它发射出去,发射光子时原子也要受到反冲。但原子或离子发射光子的方向是随机的,各种方向都有,结果反冲效应平均为零,只有迎面射来的光子被吸收后起到了减速的作用。但仅仅用这种方法还不能使原子速度降低到近乎停止,还要加上其他方法。速度已经很小的离子在陷阱中受电场的作用,还在以一定的频率振动,这种振动的能量和离子内部的能量状态耦合起来,形成复杂的能级。在适当频率的激光束照射下,离子吸收光子后又重新放出光子,落回原来内部能量最低的状态,同时带动离子振动能量的变化。在适当控制的条件下,重复这样的过程,就可以使离子振动能量逐步减少,直到振动能量达到最低的量子状态,离子近于完全停止。这时,离子就可以随意操控了。
瓦因兰德小组利用利用陷俘离子做成一个量子可控非门(Controlled NOT)。当然可控非门只是最简单的量子计算机的元件,一台能工作的计算机需要多得多的元件,离制成实用的量子计算机还非常遥远。然而前景是光明的,包括瓦因兰德在内的许多科学家正积极研究,攻克难关,希望在本世纪内将量子计算机研制成功。
瓦因兰德和同事们还利用陷俘的离子制造出了当今世界上最精确的原子钟。他的研究工作也可以检验量子力学基本原理,如进行“薛定谔猫”的实验。
不为盛名所惑
阿罗什和瓦因兰德有许多相同的地方。他们都在世界第一流的实验室中工作;巧的是,他们每人各有两位获诺贝尔物理学奖的老师;他们都有合作30年以上的同事组成的稳定的研究小组,还有许多优秀的学生和合作者,其中包括外国的访问学者。在他们的诺贝尔奖报告中,他们的老师、同事以及和他们的工作有密切关系的、前人的研究都一一提到。两人都还提到有100多位学生、博士后和访问学者也做出了贡献,强调成绩是大家努力的结果。
瓦因兰德和阿罗什也有一点很大的不同。阿罗什的研究目的偏重于探索自然界的奥秘,没有非常明确的应用目标,虽然他知道自己的研究成果肯定有长远的应用前景。他所属的卡斯特勒-布罗塞尔实验室也没有要求其研究一开始就必须有明确的应用目的。不过,即使在法国高等师范学校,这种待遇也只有像阿罗什这样的资深科学家才能得到。而瓦因兰德所在的美国国家标准与技术研究所本身就具有明确的实用目标:促进美国的创新和产业竞争能力,开创新的测量科学,推进美国的技术水平。该研究所的研究都是目标长远,技术含量高,能在世界上领先的项目。这些项目实际上都是结合远期应用的基础性研究。
瓦因兰德和阿罗什还有一个共同点,就是除了做研究以外,都在大学教课。阿罗什认为备课的过程促使他从多方面考虑基本原理,也有助于研究工作。而从学生的角度来看,能听到优秀的科学家讲课,和他们直接交流,不仅能学到当今前沿的科学知识,还可以学习到优秀科学家的治学精神和思想方法。
荣摘诺奖桂冠是否改变了科学家本人的生活呢?据英国广播公司(BBC)在线版消息称,阿罗什本人仅仅提前了20分钟被组委会告知自己获奖的消息。
“我很幸运,”阿罗什说,但他指的并不是自己得奖这回事,“(接到来电时)我正在一条街上,旁边就有个长椅,所以我第一时间就坐了下来。”他形容那一刻的心情,“当我看到是瑞典的来电区号,我意识到这是真实的,那种感觉,你知道,真是势不可挡。”
不过据诺奖官网的推特称,阿罗什接到获奖的确切消息后,打了个电话给自己的孩子,然后开了瓶香槟庆祝。再然后,他又回实验室工作去了。
(作者单位:复旦大学物理系)
1.激光加工技术概述
激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术, 它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果, 技术涉及范围广。激光加工技术是指各种以高能密度激光束为手段, 通过激光束与材料之间的物理和化学等作用, 实现改变物质形态或性质的先进材料加工技术。激光加工涉及激光物理、材料、电子、机械和工程传热等多门学科, 综合了激光、制造、控制和计算机应用等多项技术, 已成为多学科交叉和多技术综合的一种典型的先进制造技术。激光加工具有非接触、无污染、热影响区域小、加工精度高以及可选区加工等特点, 而且在特定的加工情况下是其他制造方法不可替代的。因此, 激光加工技术在许多行业中都得到了重要而广泛的应用。由于其独特的性能在农业领域得到广泛应用, 在诱变育种、增强种子活力、促进生长发育、提高产量和品质、平地整地、提高节水灌溉能力、防治病虫害等方面发挥着越来越重要的作用。
2.激光加工技术在农机制造中的应用
21世纪是一个以信息、生物等高科技为支柱的知识经济时代, 我国农业只有加快现代化进程, 才能在国际竞争中立于不败之地。发展现代农业少不了农业机械的支持, 制造技术成为其重要的组成部分。当前农业机械由于其自身应用的特点和工作对象的复杂性, 尤其是农机制造行业的设计加工手段比较落后, 使其创新少, 新产品开发周期长, 成本高,制造质量比较粗糙, 产品寿命相对较短。免费论文参考网。为了大力提高农机的制造技术, 并与其他机械制造业平行发展, 必须加大激光等先进制造技术在农业制造中的应用力度, 提高农机制造企业的现代生产技术水平。
2.1激光快速成型技术在农机制造中的应用
快速成型技术即直接根据CAD模型快速生产样件或零件的技术总称。它集成了技术、数控技术、撒光技术和材料技术等现代科技成果, 是先进制造技术的重要组成部分 。其原理产品三维CAD模型一分层离散—按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料生成实体模型。它能根据CAD模型电子模型自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件, 在不同模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件, 解决了从设计到制造的快速对接问题。因此, 该技术可以对产品设计进行快速评价及修改, 有效地缩短了产品的研发周期, 降低了开发成本, 满足了当今竞争日益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求, 提高了产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力。其中, 激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之一。这种制造方法具有成型速度快、精度高、表面质量好、后置处理简单和省时等特点, 是一个具有生命力的技术, 为制造技术的发展创造了一种新方法。
农业机械生产过程具有特殊性。零件多具有较复杂的形状, 如耕地机械、整地机械和收获机械等。此外, 复杂曲面较多, 如犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮和送料螺旋等, 而且根据具体的生产情况不同, 其形状还需相应调整。因此,利用传统的机械加工方法研制这种农业机械零件, 不仅研制开发时间长, 加工工艺复杂, 而且很难达到理想的效果。运用先进的激光快速成型集成技术, 不仅大大缩短新产品的开发周期, 降低开发成本, 而且制造质量也优于传统制造方法。
2.2激光表面强化与热处理技术在农机制造中的应用
激光表面强化与热处理技术是一种新型的材料表面处理技术。激光表面强化技术的原理是利用激光穿透能力极强的特点,当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时, 其表面迅速奥氏体化, 然后急速自冷淬火, 金属表面迅速被强化川。激光热处理是传统热处理技术的发展和补充, 它可以解决其他表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后, 可以提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和防氧化等性能, 延长其使用寿命。总之, 激光表面技术对于提高零部件的表面综合机械物理性能, 改善产品的性能、使用寿命,增强产品的竞争能力起着至关重要的作用。
农业机械量大面广, 种类繁多, 每年由于表面破坏和失效带来的损失非常巨大。资料表明, 农机产品的失效破坏,约60%有是由零件表面的腐蚀和磨损造成的。如耕作、播种和收获机械的许多零部件, 直接与土壤接触, 其腐蚀和磨损相当严重, 导致故障增多、生产率下降, 作业成本明显上升。免费论文参考网。农用动力中的气缸、气门、曲轴, 因磨损和腐蚀常会导致功率下降, 污染增加。各种农用泵、风机和叶片在表面磨损后, 工作性能下降, 寿命降低。因此, 在农机行业中大力推广先进、实用的表面技术, 可显著提高零部件的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损和耐疲劳性能, 能最大限度地延长农机具的使用寿命己对于已损坏的产品, 采用表面修复工艺, 可大大节省资金,经济效益十分显著。
此外, 激光热处理技术在农业机械制造行业应用极为广泛, 在许多关键零件上如缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、农技服务年阀座或活塞环等几乎都可以采用激光热处理。在农业生产中, 机器的工作条件是多种多样的, 有些机器犁、中耕机、播种机和收割机直接在磨料介质中工作, 使许多零件磨损很快。免费论文参考网。另一方面, 为了获得足够的强度, 机器的材料用量较大,不仅浪费材料, 而且显得笨重。对于此类零件, 激光硬化处理后的硬度比常规淬火硬度高5%一20%, 激光合金化可以根据要求选择加人新材料, 形成以基材为基础的新合金层,以获得满意的性能。此外, 由于处理后性能的提高, 可以选用低性能的基材, 从而减少了基材的质量。
2.3激光技术在农机零件修复中的应用
激光技术在农机零件修复中主要是应用激光熔覆技术。激光熔覆技术是一种新型的表面改性技术, 是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化, 并快速凝固后形成稀释度极低, 与基体成冶金结合的表面涂层, 显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法, 从而达到表面改性或修复的目的, 既满足了对材料表面特定性能的要求, 又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比, 激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。
因此, 激光熔覆技术可以提高材料表面的耐磨与耐蚀等性能, 主要用于零件磨损后的修复及增强新制造零件的性能。对于重要零件如农机中的汽缸套和活塞等,由于工作量大, 高温、高压、侵蚀以及不同程度的摩擦, 其磨损量是很大的, 零件需要定期报废和更换。对于耕地机械、整地机械和收割机械如犁、中耕机、播种机和收割机,作业时局部磨损很快, 零件报废是因为局部的损坏。为了提高零件的使用寿命, 修复工作有着极大的意义。激光加工具有选区作用的独特优点, 而且激光熔覆可以方便地修复磨损部位, 使零件不因为局部损坏而报废, 提高了零件的可靠性和使用寿命,在投人费用最小的情况下重新达到更佳的性能要求。此外,用激光对模具进行修复, 可以大大提高模具的寿命, 又不受形状和尺寸的限制, 在农机制造中也应大力推广和采用。
3.激光加工技术在农机制造中应用现状及前景
3.1激光加工技术在农机制造中的应用在我国尚不普遍, 主要是该行业对激光技术的应用还存在不同程度的神秘感和偏见。另外, 对激光技术的宣传也不够, 缺乏实践。因此, 农机企业应尽快引进吸收工业生产中成熟的科研成果,利用好工业中已建立的多功能激光加工中心, 使其为更多的农机企业服务。
3.2激光加工技术的引人可以大幅度提升农业机械的制造水平。但对加工类型的选择及激光器的使用, 要从基础做起, 只有在充分掌握这种先进加工方法的情况下, 才能更好地改进传统工艺, 发挥新技术的优势。激光加工技术集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果,技术涉及范围广。因此, 农机企业在上激光制造项目时, 一定要分析企业自身条件和需求, 向其他机械企业咨询, 看准方向, 找到结合点, 循序渐进地进行。
3.3近年来, 大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高, 其基础理论及生产技术日益成熟, 与其他加工设备相比, 大功率激光器的价格也不是很高。因此, 激光加工技术
1、光纤通信系统的基本组成
最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源,它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号;光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号,先后用过的光波有0.85、1.31和1.55三个低损耗窗口。光学信道包括最基本的光纤,还有中继放大器EDFA等;而光学接收机则接收光信号,并从中提取信息,然后转变成电信号,最后得到对应的话音、图象、数据等信息。论文格式。在光纤通信系统中,光纤中传输的是二进制光脉冲'0'码和'1'码,它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的,称为PCM(pulse code modulation),即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号,由PCM电端机产生。光纤通信系统的基本组成原理图如下图1-1所示:
图1-1光纤通信系统
1.1光发射端机
光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制,成为已调光波,然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中传输。电端机就是常规的电子通信设备。光发射机的原理图如下图1-2所示:
图1-2光发射机原理框图
光源是光发射机的核心,其性能好坏将对光纤通信系统产生很大的影响。目前光纤通信系统使用的光源都是由半导体材料制成的,而半导体光源分两种:发光管LED和激光管LD。由于半导体激光器发出的是激光,发光功率大、谱线宽度窄,但电路结构复杂,温度特性差。而半导体发光二极管发出的是荧光,发光功率不大,谱线宽度宽,但电路结构简单、寿命长、价格便宜。在实验室中经常用到。
1.2光纤或光缆
光纤作为传输媒介,作用是将发射端机光源发出的光信号,经远距离传输后耦合到接收端机的检测器,完成信息传输任务。在通信中使用的光纤通常是由石英玻璃制成的,由纤芯和包层组成。目前,塑料光纤应用于低速、短距离的传输中。其构成光纤的纤芯与包层都是塑料材料。与大芯径50/125μm和62.5/125μm的石英玻璃多模光纤相比,塑料光纤的芯径高达200~1000μm,其接续时可使用不带光纤定位套筒的便直注塑塑料连接器,即便是光纤接续中芯对准产生 ±30μm偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷,接续成本低等优点。另外,芯径100μm或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。论文格式。
1.3中继器
含有光中继器的光纤传输系统成为光纤中继通信。光信号在光纤中传输一定的距离后,由于受到光纤衰减和色散的影响会产生能量衰减和波形失真,为保证通信质量,必须对衰减和失真达到一定程度的光信号及时进行放大和恢复。中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个:一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
1.4光纤连接器、耦合器等无源器件
由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制,且光纤的拉制长度也是有限度的(如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是,光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合,对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。
1.5光接收端机
光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号,经光检测器转变为电信号,然后,再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平,送到接收端的电端汲去。光接收机原理图如下图1-3所示:
图1-3光接收机电路原理方框图
2、光纤语音电路设计
光纤语音电路由三部分组成:光发射电路、光纤和光接收电路。论文格式。其工作原理是:音频信号最初是声波,由发送器的电子麦克风转换为电信号。此信号由LM358组成的音频放大器放大,并且借助于一个单独的晶体管控制LED的端电压,将电信号转换为光信号。光信号送入光纤或光缆。在光纤或光缆的另一端,光信号照射到接收器的光电检测器上。光电检测器再将其转换为电信号。此信号被放大并送入扬声器转换为声波恢复为原始信号。
2.1、发射器电路板
此电路主要是把音频信号经麦克风转换为电信号,电信号经滤波器、多级放大器把微弱的电流信号转换为适合半导体二极管发光的电压信号,在晶体管的调制下把电信号转换为光信号送入光纤中进行传输。在发射器电路上有一个话筒和调制LED发光的线路。LED装在塑料壳中以便于连接光纤或光缆进行发送信号。在实验室里设计操作可以使用200m长的塑料光纤传送语音信号,也可以使用玻璃光纤在更远的距离内通信。光纤语音发射器电路如下图1-4所示:
图1-4光纤语音发射电路
2.2、光电接收器电路板:
在接收器电路板上通过光电检测器把光纤传输的微弱的光信号转换为电信号,经电容滤波、运算放大器放大,把电流信号转换为电压信号,放大到适合扬声器输出的电压,恢复原始的语音信号。光纤语音接收电路如下图1-5所示:
图1-5光纤语音接收电路
3、结 语
本文详细的介绍了光纤通信系统的组成,为设计光纤语音传输电路提供理论基础。在该电路系统中语音信号以光波形式在光缆内传输、不受任何电场和磁场的影响。传输距离远,抗干扰能力强。每个电路板需要一个9V电池,元件简单,易于实现,在实验室就能操作完成。
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我们看到的世界是三维的、彩色的,这是因为每个物体发射的光被人眼接受时,光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看,是由于各物体发射的特定的光波不同,光的特征主要取决于光波的振幅(强弱),位相(同相面形状)和波长(颜色)。如果能得到景物光波的完全特征,就能看到景物逼真的三维像,这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展,已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。
1全息术的历史和发展阶段
1948年,丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法,随后用实验证实这一想法,即全息术,并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想,虽然未能用电子波证实其原理,但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期,全息图制作具有以下共同特点:全息图都是用汞灯作为光源;而且是所谓同轴全息图,即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图,标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题,一个是再现的原始像和共轭像分不开,另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中,全息术进展缓慢。
1960年激光的出现,提供了一种高相干度光源,为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题,利思和乌帕特尼克斯(1962)提出,将通信理论中的载频概念推广到空域中,用离轴的参考光与物光干涉形成全息图,再利用离轴的参考光照射全息图,使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量,其中一个复制出原始物光。该方法被称为离轴全息术,这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题,并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展,但是激光再现的全息图失去了色调信息。
科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录,而用白光再现的全息图,在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用,例如:像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。
激光的高度相干性,要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变,这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是,科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图,它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室,进入更加广泛的实用领域。
2全息术的基本原理和特点
全息术是一种“无透镜”的两步成像法,它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息,即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步:第一步称为波前记录(全息记录);第二步物体的再现(重现)。
波前记录依据的是干涉原理,物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布,干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说,全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布,它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出,任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布,而不能直接记录位相分布,全息照相之所以能记录位相分布,是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波,或者它与物光波不相干,波前上的位相分布是不可能记录下来的。
波前再现的理论依据是衍射原理,照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分,即物光波(+1级衍射波),物光波的共轭波(-1级衍射波),照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中,这三种衍射波在空间彼此分离,互不干扰,便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。
全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点:
(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息,图像具有显著的视差特性,可以看到逼真的三维图像。
(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹,所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象,只是分辨率受到一些影响。
(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录,并能互不干扰地再现各个不同的图像。
(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关,用不同波长的激光照射全息图,再现相就会发生放大或缩小。
3全息术的主要应用及其发展方向
全息术经过60年的发展,已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合,成为一种高新技术,扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域,在一些发达国家还兴起了全息产业,并且正在形成日益广阔的市场,实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。
3.1全息存储
全息存储是依据全息术的原理,将信息以全息照相的方式存储起来,它利用两个光波之间的耦合和解耦合,可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别,甚至联想的功能结合起来,也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多,可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等;可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势,原因是:
(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时,信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2;用平面全息图存储信息时,存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2;如果用体全息图存储信息时,存储密度可高达1013bit/mm2。
(2)全息存储具有极大的冗余性,存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。
(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点,每个数据页可包含达1Mbit的信息,写人一页的时间在100ms左右,读信息的时间可以小于100μs,而磁盘的寻址时间至少需要10ms。
当前,在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮,并取得很大的进展,其主要表现在:
(1)存储容量迅速提高和性能不断改善,并逐步走向实用化。例如,1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图,同年,斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中,并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术,在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图,并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。
(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如,1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川,投资约7000万美元,实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目,预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据,存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。
近几年来,光电子技术和器件取得了系列重大进展,为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件,全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而,美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决,虽然张泽明、谢敬辉等对Ce:Fe:LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究,从方法上给出了记录角度越大,光栅周期越小,热定影所需最小离子数密度越高,存储系统的整体性能越好,但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑,这将成为全息存储界研究的热门课题。
3.2显示全息
显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图,如白光反射全息图、白光透射全息图等,各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等;再如,以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等,每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图,它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。
显示全息目前主要有两大类:第一类是Lippmann全息图,制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图,这是一种透射式显示全息图,可在白光照明下再现立体图像,且图像的颜色随观察的位置的变化而变化,从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展,随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术,如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看,显示全息存在不足主要表现在:
(1)视角范围、图像体积有限;
(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法;
(3)由于全息计算数量巨大,导致动态显示异常困难。克服以上不足,将可能成为显示全息研究的几个热点。
近年来,显示全息技术掀起一场数字化变革,数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展,利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性,在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视,为显示全息技术创造良好的商业前景。
3.3模压全息
模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的,它是将全息术和电镀、压印技术结合起来,使全息图的制作产业化,用白光再现时,可得到色彩鲜艳逼真的三维图像,并可通过印刷方式大批量生产,使得它在许多领域得到广泛的应用,以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段:激光摄制原片全息图;电成型制金属模板;模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高,因此,模压全息作为安全防伪首当其冲,是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上,不能去除性、价格低廉、容易验证等特点,使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品,无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术,并备受使用者青睐。
模压全息出现于20世纪70年代,80年代中期已形成了一种产业,90年代达到了鼎盛时期。本世纪初,随着防伪技术要求的不断提高,模压全息技术又有了新的突破:美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术;2003年,苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”;同年,倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破,使防伪功能有了提高,让激光全息防伪技术达到新的境界。
模压全息产业在我国起步较晚,但发展速度迅猛,目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展,我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视:首先是开拓全息烫金材料,取代金膜和银膜,其次开发全息包装材料,实现立体防伪包装,第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合,体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。
3.4全息干涉计量
全息干涉计量术是将不同物光,在不同的时间记录在同一张全息干板上,然后利用全息术的空间波前再现原理,非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面,它能实现高精度非接触性无损测量,比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件,而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量,测量精度为光波波长λ的数量级。目前,全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法,此外,J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展,使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠,并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等,可使测量精度提高到λ/100或更高。
全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化,我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定,其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制,我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有:
(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪;
(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪;