第10讲激光民用应用概述及激光陀螺激光光谱分析.ppt
第八章 激光民用应用概述及激光 陀螺、激光光谱分析,8.1 激光民用应用概述8.2 激光陀螺8.3 激光光谱分析,一、光盘定义,光盘：即高密度光盘(Compact Disc)是近代发展起来不同于磁性载体的光学存储介质，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息，又称激光光盘。,8.1 激光民用应用概述,8.1.1 激光光盘,光盘存储技术研究始于60年代，真正获得发展在70年代。1972年用聚焦的氢离子激光束在记录介质上烧蚀微孔的方法录制电视节目，用氢氖激光扫描信息轨道，按反射强度的变化再现已录的信息。1978年激光电视唱片正式在市场出售。1982年出现了记录带有声音的静止图象的光盘1984年日本研制出可反复擦写的光盘。目前，借助于各种软、硬件，光盘已可以达到数据、图象、声音的综合处理。,二、光盘的种类光盘按功能可分为三类：,只读式光盘（Compact Disc-Read Only Memory,CD-ROM）写读光盘（Write Once Read Memory，WORM）可擦写光盘（Optical Random Access Memory,ORAM）,只读式光盘是第一代光盘，信息一旦录入，用户无法改变盘片上的内容，也无法录入自己的信息。这种光盘目前技术上最成熟，应用也最广泛。写读光盘是第二代光盘，不仅可以读出已录入的信息，而且可在空白的盘片空间追加录入新的信息，但与只读光盘一样，信息一旦录入，则不能改变。可擦写光盘是第三代光盘，同磁盘一样，可以删除、改写已录入的信息，也可以在盘片空间允许的情况下录入新的信息。光盘-光盘驱动器,光盘由三层构成：即盘基、记录层、防护层。盘基由有机玻璃、聚酯树酯等材料制作。记录层是光盘的核心，由碲合金或碲与氧化碲混合记录薄膜等材料组成。防护层由塑料、有机玻璃等材料构成，用以保护盘面上信息。,三、光盘的结构,盘片记录层上有稳定间距（1.6微米）的螺旋线（信息轨道），存储信息时，激光束聚焦在记录层的螺旋线上，使其局部升温，形成凹坑，一连串的凹坑形成信息微痕。螺旋线上没有经过激光刻蚀的平面和经过刻蚀的凹坑对应于计算机二进制编码的和，从而实现信息的记录。读取信息时，光盘驱动器中很细的激光束沿盘面的螺旋线轨道扫描，轨道的平面和凹坑部分反射到探测装置上，经光电转换成为计算机可识别的二进制信号，完成信息的读取和检索。,四、光盘的特点,1.存储容量大；2.稳定性与数据保存性好，坚固耐用；3.保存时间长；光盘信息的读取采用非接触式激光扫描，多次读取不会象磁盘、磁带那样磨损盘面，且数据信息为物理性存储，不受电磁场、光照、气温、湿度等的影响、此外，由于盘面上有保护层，密封性好，不受尘土、手印等的损害。4.结构小巧，性能价格比高。,8.1.2 激光条形码,一、条形码概述 条形码是由美国的N.T.Woodland在1949年首先提出的。近年来，随着计算机应用的不断普及，条形码的应用得到了很大的发展。条形码可以记录很多信息，像商品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因而在商品流通、图书管理、邮电管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用.条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则（码制）编制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符。即条形码是一组粗细不同，按照一定的规则安排间距的平行线条图形。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）组成的。,二.条形码识别系统的组成 为了阅读出条形码所代表的信息，需要一套条形码识别系统，它由条形码扫描器、放大整形电路、译码接口电路和计算机系统等部分组成。,三.条形码的识别原理 由于不同颜色的物体，其反射的可见光的波长不同，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器光源发出的光经光阑及凸透镜后，照射到黑白相间的条形码上时，反射光经凸透镜聚焦后，照射到光电转换器上，于是光电转换器接收到与白条和黑条相应的强弱不同的反射光信号，并转换成相应的电信号输出到放大整形电路。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。但是，由光电转换器输出的与条形码的条和空相应的电信号一般仅左右，不能直接使用，因而先要将光电转换器输出的电信号送放大器放大。放大后的电信号仍然是一个模拟电信号，为了避免由条形码中的疵点和污点导致错误信号，在放大电路后需加一整形电路，把模拟信号转换成数字电信号，以便计算机系统能准确判读。,整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息。它通过识别起始、终止字符来判别出条形码符号的码制及扫描方向；通过测量脉冲数字电信号、的数目来判别出条和空的数目。通过测量、信号持续的时间来判别条和空的宽度。这样便得到了被辩读的条形码符号的条和空的数目及相应的宽度和所用码制，根据码制所对应的编码规则，便可将条形符号换成相应的数字、字符信息，通过接口电路送给计算机系统进行数据处理与管理，便完成了条形码辨读的全过程。,8.1.3 激光在生物、医学中的应用,一、激光在生物学中的应用 在生物学领域里，激光主要用做诊断工具。主要用到的激光技术有以下几种:1.超短激光脉冲荧光效应 2.共振拉曼散射技术 3.分子相关光谱技术 4.皮秒脉冲闪光-光电离技术,二、激光在医学中的应用,激光的光、电、磁、热、机械压强和生物刺激等多种效应，使得许多疾病的繁难治疗过程变得简单而疗效显著，为疾病的诊断和治疗开创了一个全新的领域。在医学领域，激光主要应用在外科手术中（激光外科术),1.激光束手术刀的主要优点(1).切入精度高(2).大大减少血的流失(3).限制对组织的破坏2.激光束手术刀的不足之处(1).成本高、手术器具复杂(2).激光手术刀速度慢(3).可靠性和安全性问题,3.激光在外科手术中的典型应用,(1).激光在眼科中的应用(2).激光在耳、鼻、喉和口腔科中的应用(3).激光在其它外科手术中的应用,8.2 激光陀螺,1962年，美、英、法、前苏联开始研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪，其原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。1963年2月美国斯佩里公司的Macek和Davis宣布他们用环形行波激光器感测转速率获得成功，研制出世界上第一台环形激光陀螺实验装置，该装置的光程长达4米。,激光陀螺固有的闭锁效应以及零漂误差等给激光陀螺的研制带来许多困难，直到70年代，美国和法国的一些公司才陆续有激光陀螺产品问世。直到80年代初期，激光陀螺才进入批量生产阶段。目前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日本和俄罗斯，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很成熟。,8.2.1 激光陀螺的工作原理,激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光发生光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体氦氖气体）的管子，两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持回路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。,设与转动方向相同和相反的两束光，在周长L中历经的时间分别为和，则时间差为 其中：若将方形回路改成圆形，并取，则 式中：，为圆的面积光程差为：,回转角频率 激光陀螺的另一种原理性解释（多普勒效应）所谓Sagnac 效应实质也就是多普勒频移。对光纤构成的激光陀螺，在某一确定的角速度 时，可以通过增加圆环型光纤的匝数N，提高可检测的相位差,也就是提高光纤陀螺的灵敏度。通过测量两反向传导谐振模的差拍频率，或通过频率记数器实现旋转角度的累计计量。,8.2.2 激光陀螺需要突破的主要技术,激光陀螺仪的飘移 激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度，主要误差来源有：谐振光路的折射系数具有各向异性，氦氖等离子在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。2.激光陀螺仪的噪声 激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。噪声主要来自两个方面：一是激光介质的自发发射，这是激光陀螺仪噪声的量子极限。二是机械抖动为目前多数激光陀螺仪采用的偏频技术，在抖动运动变换方向时，抖动角速率较低，在短时间内，低于闭锁阈值，将造成输入信号的漏失，并导致输出信号相位角的随机变化。3.激光陀螺仪的闭锁阈值 闭锁阈值将影响到激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗，主要是反射镜的损耗。,8.激光光谱分析,光谱是指构成光源的波长或频率成分。能分析出光源的波长或频率成分的技术称为光谱术，相关的一起是光谱仪 其中起分解光谱成分的元件就是色散元件。如：棱镜、狭缝、光栅等,8.1 基本概念,8.3.2 光谱的分类,按波长区域在一些可见光谱的红端之外，存在着波长更长的红外线；同样，在紫端之外，则存在有波长更短的紫外线。红外线和紫外线都不能为肉眼所觉察，但可通过仪器加以记录。因此，除可见光谱，光谱还包括有红外光谱与紫外光谱。按产生方式按产生方式，光谱可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱。有的物体能自行发光，由它直接产生的光形成的光谱叫做发射光谱。发射光谱可分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，由一些不连续的亮线组成；带状光谱主要产生于分子由一些密集的某个波长范围内的光组成；连续光谱则主要产生于白炽的固体、液体或高压气体受激发发射电磁辐射，由连续分布的一切波长的光组成。,太阳光光谱是典型的吸收光谱。因为太阳内部发出的强光经过温度较低的太阳大气层时，太阳大气层中的各种原子会吸收某些波长的光而使产生的光谱出现暗线。,在白光通过气体时，气体将从通过它的白光中吸收与其特征谱线波长相同的光，使白光形成的连续谱中出现暗线。此时，这种在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱。通常情况下，在吸收光谱中看到的特征谱线会少于线状光谱。当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。按产生本质按产生本质光谱可分为分子光谱与原子光谱。在分子中，电子态的能量比振动态的能量大50100倍，而振动态的能量又比转动态的能量大50100倍。因此在分子的电子态之间的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁的，因而许多光谱线就密集在一起而形成分子光谱。因此，分子光谱又叫做带状光谱。在原子中，当原子以某种方式从基态提升到较高的能态时，原子内部的能量增加了，这些多余的能量将被以光的形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，亦即原子光谱。因为这种原子能态的变化是非连续量子性的，所产生的光谱也由一些不连续的亮线所组成，所以原子光谱又被称作线状光谱。,8.现代激光光谱术,激光的高能量、超快脉冲和波长可调等特性促进了光谱技术的显著发展 衡量光谱仪性能的主要技术指标有两个：工作波长范围；分辨本领。用现有的其他技术如傅立叶变换、声光调制，荧光激发等，可以使光谱术获得新的进展,1.傅立叶变换光谱术,2.声光可调谐滤波光谱术(AOTF),
