新激光ppt课件第十一章激光在信息技术中的应用

11.1 光纤通信中的激光器和光放大器1.光纤通信对半导体激光器光源的要求 一 、 半 导 体 激 光 器半 导 体 激 光 器 是 激 光 器 中 的 一 个 大 家 族 。 它 与 固 体激 光 器 、 气 体 激 光 器 以 及 其 它 类 型 的 激 光 器 相 比 ，具 有 体 积 小 、 重 量 轻 、 电 光 转 换 效 率 高 、 可 以 直 接调 制 、 使 用 方 便 等 优 点 ， 因 此 它 非 常 适 用 于 光 纤 通信 之 中 。 如 图 给 出 了 光 发 射 端 机 的 工 作 原 理 。 光 发 射 端 机 组 成 方 框 图 2. 作为通信光源的半导体激光器 半 导 体 激 光 器 是 光 纤 通 信 用 的 主 要 光 源 ， 由 于光 纤 通 信 系 统 具 有 不 同 的 应 用 层 次 和 结 构 ， 因 而 需要 不 同 类 型 的 半 导 体 激 光 器 。 (1) 法布里珀罗激光器 法 布 里 珀 罗 激 光 器 （ FP-LD） 是 最 常 见 、 最 普 通的 半 导 体 激 光 器 ， 它 的 谐 振 腔 由 半 导 体 材 料 的 两 个解 理 面 构 成 。 目 前 光 纤 通 信 上 采 用 的 FP-LD的 制 作技 术 已 经 相 当 成 熟 。 FP-LD的 结 构 和 制 作 工 艺 最 简单 ， 成 本 最 低 ， 适 用 于 调 制 速 度 小 于 622Mbit/s的 光纤 通 信 系 统 。(2)分布反馈半导体激光器 #实 现 动 态 单 纵 模 工 作 的最 有 效 的 方 法 之 一 就 是 在半 导 体 内 部 建 立 一 个 布 拉格 光 栅 ， 依 靠 光 栅 的 选 频原 理 来 实 现 纵 模 选 择 。 分布 反 馈 布 拉 格 半 导 体 激 光器 （ DFB-LD） 的 特 点 在于 光 栅 分 布 在 整 个 谐 振 腔中 ， 光 波 在 反 馈 的 同 时 获得 增 益 ， 因 此 其 单 色 性 优于 一 般 的 FP-LD。 DFB-LD结 构 示 意 图 #在 DFB-LD制 作 技 术 的 发 展 过 程 中 ， 人 们 发 现 直 接在 有 源 层 刻 蚀 光 栅 会 引 入 污 染 和 损 伤 ， 于 是 又 提 出了 如 图 的 DFB-LD结 构 。 (3)分布布拉格反射半导体激光器 考 虑 到 布 拉 格 光 栅 反 射 性 好 的 特 点 ， 将 光 栅 置于 激 光 器 谐 振 腔 的 两 侧 或 一 侧 ， 增 益 区 没 有 光 栅 ，光 栅 只 相 当 于 一 个 反 射 率 随 波 长 变 化 的 反 射 镜 ， 这样 就 构 成 了 DBR-LD。 其 中 ， 三 电 极 DBR-LD是 最 典 型的 基 于 DBR-LD的 单 模 波 长 可 调 谐 半 导 体 激 光 器 ， 其原 理 性 结 构 如 图 。 三 电 极 DBR-LD结 构 示 意 图 (4)垂直腔面发射激光器 光 数 据 传 输 和 交 换 的 多 通 道 往 往 需 要 能 够二 维 集 成 的 器 件 ， 而 垂 直 腔 面 发 射 激 光 器 （ VCSEL） 是 一个 很 好 的 选 择 。 它 与 边 发 射 激 光 器 最 大 的 不 同 点 是 ： 出射 光 垂 直 于 器 件 的 外 延 表 面 ， 即 平 行 于 外 延 生 长 的 方 向 。如 图 为 其 典 型 结 构 图 ， 其 上 下 分 别 为 分 布 布 拉 格 反 射（ DBR） 介 质 反 射 镜 ， 中 间 （ InGaAsN） 为 量 子 阱 有 源 区 ，氧 化 层 有 助 于 形 成 良 好 的 电 流 及 光 场 限 制 结 构 ， 电 流 由 P、N电 极 注 入 ， 光 由 箭 头 方 向 发 出 。 VCSEL的 典 型 结 构 示 意 图 二 、 光 纤 激 光 器1. 光纤激光器的基本原理及其特点 (1)基本原理 光 纤 激 光 器 和 其 他 激 光 器 一 样 ， 由 能 产 生 光 子 的增 益 介 质 、 使 光 子 得 到 反 馈 并 在 增 益 介 质 中 进 行 谐 振放 大 的 光 学 谐 振 腔 和 激 励 光 子 跃 迁 的 泵 浦 源 三 部 分 组成 。 光 纤 激 光 器 原 理 示 意 图 以 纵 向 泵 浦 的 光 纤 激 光 器 为 例 说 明 光 纤 激 光 器 的 基本 原 理 (2)特点 耦 合 效 率 高 基 于 激 光 介 质 本 身 就 是 导 波 介质 ； 光 纤 纤 芯 很 细 ， 纤 内 易 形 成 高 功 率 密 度 ， 可 方便 地 与 光 纤 传 输 系 统 高 效 连 接 。 由 于 光 纤 具 有 很 高的 “ 表 面 积 /体 积 ” 比 ， 散 热 效 果 好 ， 因 此 光 纤 激光 器 具 有 很 高 的 转 换 效 率 ， 很 低 的 激 光 阈 值 ， 能 在不 加 强 制 冷 却 的 情 况 下 连 续 工 作 。 又 由 于 光 纤 具 有极 好 的 柔 绕 性 ， 激 光 器 可 以 设 计 得 相 当 小 巧 灵 活 ，利 于 光 纤 通 信 系 统 的 应 用 ， 同 时 可 借 助 光 纤 方 向 耦合 器 构 成 各 种 柔 性 谐 振 腔 ， 使 激 光 器 的 结 构 更 加 紧凑 、 稳 定 。 光 纤 还 具 有 相 当 多 的 可 调 谐 参 数 和 选 择性 ， 能 获 得 相 当 宽 的 调 谐 范 围 和 相 当 好 的 色 散 性 和稳 定 性 。 2.光纤激光器的分类及应用 (1)稀土类掺杂光纤激光器 光 纤 激 光 器 种 类 很 多 ， 如 按 光 纤 结 构 可 分 为 ：单 包 层 光 纤 激 光 器 和 双 包 层 光 纤 激 光 器 ； 按 掺 杂 元素 可 分 为 ： 掺 铒 、 钕 、 镨 、 铥 、 镱 、 钬 等 15种 ； 稀 土 元 素 包 括 15种 元 素 ， 在 元 素 周 期 表 中 位 于 第 五行 。 目 前 在 比 较 成 熟 的 有 源 光 纤 中 掺 入 的 稀 土 离 子有 ： 铒 （ Er3+） 、 钕 (Nd3+)、 镨 (Pr3+)、 铥 (Tm3+)、镱 (Yd3+)。 这 类 激 光 器 与 掺 杂 光 纤 激 光 器 相 比 具 有更 高 的 饱 和 功 率 ， 且 没 有 泵 浦 源 限 制 ， 在 光纤 传 感 、 波 分 复 用 （ WDM） 及 相 干 光 通 信 系 统 中 有着 重 要 应 用 。 如 图 为 一 种 简 单 的 全 光 纤 受 激 拉 曼 散射 激 光 器 ， 这 是 一 种 单 向 环 形 行 波 腔 ， 耦 合 器 的 光强 耦 合 系 数 为 K。 一 般 典 型 的 受 激 拉 曼 分 子 主 要 有GeO2、 SiO2、 P2O5。 受 激 拉 曼 散 射 光 纤 激 光 器 示 意 图 (2)光纤受激拉曼散射激光器 (3)光纤光栅激光器 DBR光 纤 光 栅 激 光 器 基 本 结 构 示 意 图 DBR光 纤 激 光 器 基 本 结 构 如 图 ， 利 用 一 段 稀 土掺 杂 光 纤 和 一 对 相 同 谐 振 波 长 的 光 纤 光 栅 构 成 谐 振腔 ， 它 能 实 现 单 纵 模 工 作 。 DFB光 纤 光 栅 激 光 器 基 本 结 构 如 图 ， 在 稀 土 掺 杂 光纤 上 直 接 写 入 的 光 栅 构 成 谐 振 腔 ， 其 有 源 区 和 反 馈区 同 为 一 体 。 DFB光 纤 光 栅 激 光 器 基 本 结 构 示 意 图 三 、 光 放 大 器1.光 放 大 器 是 放 大 光 信 号 的 器 件 ， 它 在 光 纤 通 信领 域 中 的 主 要 功 能 有（ 1） 光 功 率 提 升 放 大 。 将 光 放 大 器 置 于 光 发 射 机前 端 ， 以 提 高 入 纤 的 光 功 率 。（ 2） 在 线 中 继 放 大 。 在 光 纤 通 信 系 统 中 取 代 现 有的 中 继 器 。 （ 3） 前 置 放 大 。 在 接 收 端 的 光 电 检 测 器 之 前 先 将微 弱 的 光 信 号 进 行 预 放 ， 以 提 高 接 收 的 灵 敏 度 。 光 放 大 器 在 干 线 光 纤 通 信 系 统 中 的 应 用 示 意 图 2.如 图 为 光 放 大 器 在 干 线 光 纤 系 统 中 的 应 用 示 意 图 。图 中 （ a） 为 无 中 继 系 统 ， 图 （ b） 中 采 用光 放 大 器 作 功 率 放 大 器 和 接 收 机 前 置 放 大 器 ， 图（ c） 为 线 内 多 中 继 系 统 ， 图 （ d） 中 用 光 放 大 器 作为 在 线 中 继 放 大 器 或 1R（ 仅 有 整 形 功 能 ） 中 继 器 3.光 纤 通 信 中 主 要 的 光 放 大 器 有 以 下 几 类 ： TW SLA 的 基 本 结 构 示 意 图（ 1）半导体光放大器 （ SLA）如 图 为 行 波 型 光 放 大 器 的 基 本 结 构 示 意 图 ， 行 波 光放 大 器 的 带 宽 比 法 布 里 珀 罗 型 放 大 器 大 三 个 数 量级 ， 其 3dB带 宽 可 达 10TH z， 因 此 可 放 大 多 种 频 率的 光 信 号 ， 所 以 是 很 有 前 途 的 一 种 光 放 大 器 。 行 波 半 导 体 光 放 大 器 具 有 宽 的 增 益 带 宽 、 足 够的 小 信 号 增 益 、 对 偏 振 不 灵 敏 的 信 号 增 益 、 高 的 饱和 输 出 功 率 、 低 的 放 大 器 的 噪 声 等 性 能 。 掺 杂 光 纤 放 大 器 的 结 构 示 意 图 （ 2） 掺铒光纤放大器 (EDFA)掺 杂 （ 如 Er3 ） 光 纤 放 大 器 的 结 构 如 图 。 它 由三 部 分 组 成 ： 一 是 长 度 为 几 米 到 几 十 米 的 掺 杂 光 纤 ；二 是 激 光 泵 浦 源 ； 三 是 耦 合 器 一 个 EDFA的 完 整 结 构 应 包 括 如 下 几 部 分 ： 铒 石英 光 纤 作 为 有 源 介 质 ； 高 功 率 泵 浦 光 源 ； 光 纤 耦 合器 ， 用 于 信 号 光 与 泵 浦 光 的 合 路 ； 偏 振 不 灵 敏 光 隔离 器 ， 用 于 消 除 反 射 抑 制 振 荡 ； 窄 带 光 滤 波 器 ， 用以 降 低 自 发 辐 射 噪 声 。 EDFA的 结 构 示 意 图 铒 光 纤 及 泵 浦 源 是 EDFA的 关 键 和 研 究 重 点 。根 据 泵 浦 光 和 信 号 光 传 播 方 向 的 相 对 关 系 ，EDFA的 结 构 又 可 分 为 同 向 泵 浦 、 反 向 泵 浦 和 双向 泵 浦 。 它 们 的 具 体 结 构 图 分 别 如 下 图 （ a） （ b）（ c） 所 示 。 光 纤 拉 曼 放 大 器 示 意 图 （ 3） 非线性光纤放大器（如 光 纤 喇 曼 放 大 器） 普 通 石 英 光 纤 在 合 适 波 长 的 强 泵 浦 光 作 用下 会 产 生 强 烈 的 非 线 性 效 应 ， 如 受 激 喇 曼 散 射（ SRS） 和 受 激 布 里 渊 散 射 （ SBS） ， 当 信 号 光 沿 着光 纤 与 泵 浦 光 一 起 传 输 时 就 能 把 信 号 光 放 大 如 图 ，从 而 构 成 光 纤 喇 曼 放 大 器 （ FRA） 和 布 里 渊 放 大 器（ FBA） ， 它 们 都 是 分 布 式 光 纤 放 大 器 。 11.2 激 光 全 息 三 维 显 示一 、 全息术的历史回顾 全 息 术 不 断 发 展 ， 至 今 已 经 历 三 个 阶 段 。 从 盖 伯 最早 提 出 全 息 术 的 思 想 之 后 的 十 多 年 ， 这 个 时 期 是 全息 术 的 萌 芽 阶 段 。 这 一 阶 段 的 全 息 术 主 要 是 理 论 研究 和 少 量 的 实 验 。 全 息 术 发 展 的 第 二 阶 段 是 在 1960年 激 光 出 现 以 后 。 20世 纪 80年 代 以 后 延 续 至 今 是 全息 发 展 的 第 三 阶 段 。 （ 1） 全 息 术 不 仅 记 录 物 体 的 散 射 光 强 ， 还 记 录 了 散 射 光的 相 位 ， 能 再 现 原 物 的 立 体 图 像 。 下 图 为 全 息 照 相 的 拍摄 和 再 现 光 路 。二 、 激光全息术的基本原理和分类 全 息 照 相 的 拍 摄 和 再 现 原 理 示 意 图 （ 2） 全 息 图 分 为 以 下 六 种按 照 记 录 介 质 的 膜 厚 分 类 平 面 全 息 图体 积 全 息 图按 照 透 射 率 函 数 的 特 点 分 类 振 幅 型位 相 型 表 面 浮 雕 型折 射 率 型按 照 记 录 的 物 光 波 特 点 分 类 菲 涅 耳 全 息 图夫 琅 和 费 全 息 图傅 里 叶 变 换 全 息 图按 照 再 现 时 对 照 明 光 的 要 求 分 类 激 光 再 现白 光 再 现透 射 型按 照 再 现 时 观 察 者 和 光 源 的 相 对 位 置 反 射 型 按 照 显 示 的 再 现 像 特 征 分 类 像 面 全 息彩 虹 全 息3600全 息真 彩 色 全 息1.白光反射全息图 三 、白光再现的全息三维显示白 光 反 射 全 息 图 是 较 为 简 单 的 一 种 白 光 再 现 全 息 图 ，其 记 录 和 再 现 光 路 如 图 。 2.像面全息图 像 面 全 息 图 需 要 利 用 透 镜 ， 记 录 的 是 物 体的 几 何 像 。 全 息 图 的 记 录 如 图 a。 白 光 再 现如 图 b。 3.彩虹全息图 彩 虹 全 息 图 因 再 现 像 存 在彩 虹 般 的 色 彩 而 得 名 ， 其基 本 方 法 是 二 步 彩 虹 全 息图 。 二 步 彩 虹 全 息 的 基 本 原 理 4.真彩色全息 为 了 能 反 映 物 体 的 本 来 面 貌 （ 也 包 括 颜色 信 息 ） ， 真 彩 色 全 息 术 的 研 究 课 题 引 起 了 人 们 的重 视 。 目 前 已 有 多 种 真 彩 色 全 息 图 的 制 作 方 法 ， 如白 光 反 射 型 真 彩 色 全 息 、 夹 层 真 彩 色 全 息 、 假 彩 色编 码 的 真 彩 色 全 息 等 ， 但 是 这 些 方 法 均 还 处 于 研 究阶 段 ， 应 用 推 广 还 有 一 定 的 困 难 。 5.合成全息 3600全 息 可 以 显 示 出 物 体 3600一 周 的 像 ， 其 三维 立 体 感 更 强 。 其 记 录 分 两 步 ， 第 一 步 是 将 被 拍摄 的 物 体 置 于 可 绕 中 心 轴 旋 转 的 平 台 上 ， 用 普 通 白光 照 明 ， 当 平 台 转 动 时 ， 用 电 影 摄 影 机 对 物 体 连 续摄 影 ， 第 二 步 是 合 成 过 程 ， 利 用 彩 虹 全 息 光 路 ， 且在 光 路 中 插 入 一 狭 缝 ， 用 全 息 软 片 记 录 。 再 现 时 ，观 察 者 能 见 到 一 个 连 续 动 作 的 立 体 像 ， 像 的 颜 色 和彩 虹 全 息 的 像 相 同 ， 像 的 垂 直 方 向 视 差 也 与 彩 虹 全息 再 现 像 一 样 受 到 限 制 。 3600合 成 彩 虹 全 息 术 的 基 本 原 理 6.模压全息 目 前 所 见 的 模 压 全 息 图 大 多 数 采 用 彩 虹 全 息 光路 制 作 模 压 母 版 。 根 据 模 压 工 艺 的 要 求 ， 模 压 母 版需 要 制 成 浮 雕 型 ， 通 常 采 用 光 刻 胶 版 材 料 制 作 全 息母 版 ， 然 后 对 全 息 母 版 进 行 处 理 ， 以 电 镀 、 电 化 学方 法 制 作 金 属 模 压 版 ， 最 后 以 这 个 金 属 模 压 版 去 压印 涤 纶 薄 膜 ， 得 到 大 量 的 与 原 全 息 母 版 一 样 的 高 衍射 效 率 的 模 压 全 息 图 。 1.计算全息图的制作和再现过程主要步骤 四 、 计算全息图 抽 样 ， 对 物 体 或 其 波 面 抽 样 ， 得 到 在 离 散 样 点 上的 值 ； 计 算 ， 计 算 物 光 波 和 参 考 光 波 叠 加 后 在 全息 平 面 上 形 成 的 光 场 分 布 ； 编 码 ， 把 全 息 平 面 上的 光 波 复 振 幅 分 布 编 码 成 全 息 图 的 透 过 率 分 布 ； 成 图 ， 在 计 算 机 控 制 下 ， 将 全 息 图 的 透 过 率 变 化 在成 图 设 备 上 成 图 ， 再 经 光 学 缩 版 得 到 实 用 的 全 息 图 ； 再 现 ， 需 用 光 学 方 法 再 现 出 物 光 波 2.计算全息的主要应用范围 二 维 和 三 维 物 体 像 的 显 示 ； 在 光 学 信 息 处 理 中 用计 算 全 息 制 作 各 种 空 间 滤 波 器 ； 产 生 特 定 波 面 的 光波 用 于 全 息 干 涉 计 量 ； 激 光 扫 描 器 ； 数 据 存 贮 。 3.计算全息的优点 可 以 记 录 物 理 上 不 存 在 的 虚 拟 实 物 ， 只 要 知 道物 体 的 数 学 表 达 式 就 可 用 计 算 全 息 记 录 下 这 个 物 体的 光 波 ， 并 再 现 该 物 体 的 像 。 五 、 激光全息三维显示的优点1激光全息三维显示用于科学研究 六 、 激光全息三维显示的应用（1）在显微领域的应用 全 息 显 微 镜 具 有 高 分 辨 率 、 高 成 像 质 量 的 优 势 ， 它已 用 于 透 明 或 不 透 明 的 生 物 细 胞 、 分 子 和 医 学 器 官等 的 三 维 放 大 、 显 示 。 激 光 全 息 三 维 显 示 技 术 却 可 以 在 较 大 的 视 野内 获 得 水 下 物 体 的 清 晰 像 2.激光全息三维显示应用于工业产品检测中 （2）在海洋科学中的应用 全 息 显 示 和 干 涉 测 量 技 术 结 合 形 成 了 全 息 干 涉测 量 技 术 ， 也 叫 三 维 干 涉 测 量 技 术 ， 它 特 别 适 用 于各 种 材 料 的 无 损 检 测 。 3激光全息三维显示应用于商业领域 激 光 计 算 全 息 图 将 激 光 全 息 技 术 和 计 算 机 技 术结 合 起 来 ， 形 成 了 新 的 数 字 化 、 自 动 化 象 素 全 息 三维 显 示 技 术 。 全 息 图 颜 色 鲜 艳 逼 真 ， 水 平 和 垂 直 动态 视 场 分 别 可 达 100度 ， 全 息 图 尺 寸 可 以 任 意 大 4. 激光计算全息三维显示应用于虚拟物品设计方面 5.激光全息三维显示用于文教艺术方面 6.激光全息三维显示用于多媒体领域 各 种 全 息 图 本 身 就 是 一 种 文 艺 品 ， 可 以 制作 成 惟 妙 惟 肖 的 三 维 立 体 图 片 去 美 化 人 们 的 生 活 。全 息 与 艺 术 的 结 合 已 经 开 辟 了 广 阔 的 领 域 ， 种 类 繁多 的 全 息 艺 术 制 品 早 已 走 进 市 场 ， 走 入 寻 常 百 姓 的生 活 中 。 全 息 图 在 科 教 中 可 作 为 三 维 立 体 模 型 、 三维 挂 图 、 杂 志 和 教 科 书 的 立 体 插 图 等 等 。 正 如 全 息 照 片 不 同 于 普 通 的 立 体 照 片 一 样 ， 全息 电 影 与 用 偏 光 镜 观 看 的 立 体 电 影 也 截 然 不 同 ， 它的 突 出 特 点 是 三 维 立 体 性 。 7.激光全息三维显示应用于地理地形、地质勘测和气象观察等领域 利 用 全 息 技 术 ， 可 将 不 同 高 度 和 角 度 的 地 形 地貌 拍 摄 成 多 幅 全 息 图 ， 则 再 现 时 ， 得 到 三 维 立 体 图像 ， 从 而 可 取 得 更 直 观 的 观 测 效 果 。 8.激光全息三维显示应用于军事、医学和财经等领域 利 用 真 彩 色 显 示 在 军 事 上 可 进 行 军 事 模 拟 训 练和 模 拟 演 习 ， 三 维 的 立 体 场 景 将 显 著 增 强 现 场 的 真实 感 和 实 战 气 息 。 （ 1） 防 伪 新 技 术 中 的 激 光 全 息 显 示 。 七 、 激光全息三维显示技术的展望（ 2） 大 面 积 显 示 全 息 图 和 全 息 显 示 一 体 化 产 品 的研 制 。 目 前 的 产 品 存 在 两 个 问 题 ： 一 是 面 积 太 小 ， 作为 高 档 次 艺 术 挂 图 必 需 制 作 大 面 积 全 息 图 ， 这 对 全息 记 录 材 料 和 图 像 制 作 技 术 提 出 了 挑 战 ； 二 是 全 息图 的 显 示 必 须 在 室 内 装 有 白 炽 灯 或 激 光 器 并 以 特 定的 角 度 照 明 ， 才 能 显 示 出 三 维 立 体 像 的 最 佳 观 赏 效果 。 （ 3） 干 涉 计 量 用 激 光 全 息 彩 虹 相 机 的 研 究 。 激 光 全 息 干 涉 计 量 在 无 损 探 伤 、 应 力 与 应 变 、以 及 光 测 力 学 等 度 量 研 究 中 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 。 （ 4） 激 光 全 息 立 体 显 示 屏 幕 的 研 究 数 字 全 息 图 的 研 究 ， 将 促 进 “ 全 息 ” 电 视 或 真正 意 义 上 的 全 息 电 影 的 问 世 。 （ 5） 计 算 全 息 三 维 显 示 技 术 及 其 应 用 的 研 究 。 计 算 全 息 首 次 将 计 算 机 引 入 光 学 处 理 领 域 ， 具有 独 特 的 优 势 和 极 大 的 灵 活 性 ， 尤 其 是 能 够 将 复 杂或 虚 拟 的 物 体 三 维 、 完 整 地 显 示 出 来 ， 这 开 拓 了 全息 技 术 在 信 息 时 代 广 泛 应 用 的 新 途 径 。 11.3 激 光 存 储 技 术一 、 激光存储的基本原理、分类及特点1.激 光 存 储 是 利 用 材 料 的 某 种 性 质 对 光 敏 感 。 带 有信 息 的 光 照 射 材 料 时 ， 该 性 质 发 生 改 变 ， 且 能 够 在材 料 中 记 录 这 种 改 变 ， 这 就 实 现 了 光 信 息 的 存 储 。 2.光 存 储 的 分 类 有 很 多 种 ， 如 按 数 据 存 取 方 式 可 分为 光 打 点 式 存 储 和 页 面 并 行 存 储 ； 按 存 储 介 质 的 厚度 可 分 为 二 维 存 储 和 三 维 存 储 ； 按 鉴 别 存 储 数 据 的方 式 可 分 为 位 置 选 择 存 储 和 频 率 选 择 存 储 等 等 。3.特 点 ：（ 1） 数 据 存 储 密 度 高 、 容 量 大 。 （ 2） 寿 命 长 。（ 3） 非 接 触 式 读 /写 和 擦 。 （ 4） 信 息 位 价 格 低 。 二 、 激光光盘存储1. 激光光盘存储的基本原理 基 本 的 激 光 光 盘 系 统 示 意 图（ 1） 光 盘 存 储 包 括 信 息 “ 写 入 ” 和 “ 读 出 ” 两 个过 程 。 如 图 为 一 基 本 的 光 盘 系 统 图 。 激 光 光 盘 记 录 斑 示 意 图 （ 2） 光 盘 是 在 衬 盘 上 淀 积 了 记 录 介 质 及 其 保护 膜 的 盘 片 ， 在 记 录 介 质 表 面 沿 螺 旋 形 轨 道 ，以 信 息 斑 的 形 式 写 入 大 量 的 信 息 ， 其 记 录 轨 道的 密 度 达 1000道 mm左 右 。 2.激光光盘的类型 (1)只读存储(Read only memory)光盘 只 读 式 存 储 光 盘 的 记 录 介 质 主 要 是 光 刻 胶 ， 记录 方 式 是 先 将 信 息 刻 录 在 介 质 上 制 成 母 盘 ， 然 后 进行 模 压 复 制 大 量 子 盘 。 (2)一次写入光盘WORM 一 次 写 人 光 盘 利 用 聚 焦 激 光 在 介 质 的 光 照 微 区产 生 不 可 逆 的 物 理 或 化 学 变 化 写 入 信 息 。 (3)可擦重写光盘 这 类 光 盘 顾 名 思 义 可 多 次 写 入 、 读 取 信 息 ， 但 写 入前 需 先 将 已 有 的 信 息 擦 去 ， 然 后 再 写 入 新 的 信 息 ，即 写 、 擦 信 息 是 分 开 的 两 个 过 程 。 (4)直接重写光盘(overwrite) 可 擦 重 写 光 盘 需 要 擦 、 写 两 次 动 作 完 成 信 息 的 更 换 ，这 使 光 盘 数 据 传 输 速 率 受 到 限 制 。 3.激光光盘存储器 (1)激 光 光 盘 存 储 器 由 光 存 储 盘 片 及 其 驱 动 器 组 成 。驱 动 器 提 供 高 质 量 读 出 光 束 、 引 导 精 密 光 学 头 、 读出 信 息 、 给 出 检 测 光 盘 聚 焦 误 差 信 号 并 实 现 光 束 高精 度 伺 服 跟 踪 等 功 能 。 (2)光 盘 存 储 器 的 光 学 系 统 大 致 可 分 为 单 光 束 光学 系 统 和 双 光 束 光 学 系 统 两 类 。 单 光 束 光 学 系 统适 合 于 只 读 光 盘 和 一 次 写 入 光 盘 ， 具 备 信 息 的 写 读 功 能 ， 而 双 光 束 光 学 系 统 用 于 可 擦 重 写 光 盘 。下 面 以 双 光 束 光 学 系 统 为 例 简 单 介 绍 。 三 、激光体全息光存储与 磁 存 储 技 术 和 光 盘 存 储 技 术 相 比 ， 全 息 存 储 有 以下 特 点 和 优 点 ： (1)高 冗 余 度 (2)存 储 容 量 大 (3)数 据 并 行 传 输 (4)寻址 速 度 快 (5)关 联 寻 址 功 能 1.体全息存储的原理 体 全 息 图 光 路 示 意 图 (1)数字数据的存储 2.全息存储的应用 1997年 ， 一 个 集 成 化 的 角 度 复 用 全 息 存 储 模 块 由Drolet等 人 设 计 出 来 。 紧 凑 型 集 成 化 的 角 度 复 用 全 息 存 储 模 块 如 图 给 出 基 于 全 息 存 储 技 术 的 分 块 盘 式 全 息 存储 示 意 图 ， 图 中 沿 盘 面 上 的 同 心 圆 轨 道 上 划 分为 互 不 重 叠 的 空 间 位 置 (全 息 块 )， 每 个 位 置 上复 用 存 储 大 量 全 息 图 。 分 块 式 全 息 存 储 盘 的 示 意 图 (2)超大容量全息存储器 四 、 激光存储技术的新进展 电 子 俘 获 存 储 方 式 可 具 有 这 些 特 点 ， 它 是 通过 低 能 量 激 光 去 俘 获 光 盘 特 定 斑 点 处 的 电 子 来 实现 存 储 的 ， 它 是 一 种 高 度 局 域 化 的 光 电 子 过 程 。 1.电子俘获存储技术 2.光学双光子双稳态三维数字存储 基 于 高 速 响 应 、 锁 模 脉 冲 激 光 器 的 双 光 子 吸 收产 生 了 光 学 双 光 子 双 稳 态 三 维 数 字 记 录 方 法 ， 其 基本 原 理 是 根 据 两 种 光 子 同 时 作 用 于 原 子 时 ， 能 使 介质 的 原 子 中 某 一 特 定 能 级 上 的 电 子 激 发 至 另 一 稳 态 ，并 使 其 光 学 性 能 发 生 变 化 ， 所 以 若 使 两 个 光 束 从 两个 方 向 聚 焦 至 材 料 的 同 一 空 间 点 时 ， 便 可 实 现 三 维空 间 的 寻 址 写 入 。 3.持续光谱烧孔技术 持 续 光 谱 烧 孔 (PSHB： Persistent Spectral HoleBurning)技 术 利 用 对 不 同 频 率 的光 吸 收 率 不 同 来 识 别 不 同 分 子 ， 它 有 可 能 使 光 存储 的 记 录 密 度 提 高 34个 数 量 级 ， 它 属 于 四 维 光存 储 。 如 图 为 光 谱 烧 孔 的 原 理 示 意 图 。 4.光存储技术的发展趋势 从 整 个 学 科 发 展 的 角 度 预 测 ， 高 密 度 激 光 存储 技 术 的 主 要 发 展 将 着 重 于 ： (1)最 基 本 、 有 效 的数 字 式 记 录 方 式 。 (2)进 一 步 缩 小 记 录 单 元 。 (3)从 目 前 的 二 维 存 储 向 多 维 存 储 发 展 。 (4)并 行 读 写逐 步 代 替 串 行 读 写 ， 以 提 高 数 据 的 读 取 传 输 率 。(5)改 善 和 发 展 存 储 系 统 的 寻 址 方 法 ， 努 力 实 现 无机 械 寻 址 的 实 用 化 (6)光 学 信 息 存 储 同 光 学 信 息 处理 相 结 合 。 11.4 激光扫描和激光打印机一 、 激光扫描1. 激光扫描器 低 惯 量 扫 描 器 是 指 采 用 反 射 镜 偏 转 光 束 并具 有 低 转 动 惯 量 转 子 的 扫 描 器 ， 它 具 有 灵 活 、体 积 小 等 优 点 。 低 惯 量 扫 描 器 又 可 以 分 为 检 流 计 扫描 器 和 谐 振 镜 扫 描 器 。 采 用 活 动 铁 芯 结 构 的 、 典 型检 流 计 型 扫 描 器 如 图 ， 主 要 由 电 磁 驱 动 (包 括 带 滚球 轴 承 的 转 子 )和 位 置 传 感 器 两 个 主 要 部 分 组 成 。 (1)低惯量扫描器 检 流 计 型 动 铁 低 惯 量 扫 描 仪 的 结 构 常 用 的 感 应 驱 动 线 圈 谐 振 镜 扫 描 器 典 型 结 构如 图 ， 包 括 平 衡 的 扭 力 杆 和 电 感 转 矩 驱 动 部 分 。 感 应 驱 动 线 圈 谐 振 镜 扫 描 器 结 构 简 单 双 镜 系 统 光 路 图 低 惯 量 扫 描 器 常 用 于 二 维 平 面 场 扫 描 ， 其结 构 主 要 有 简 单 的 双 镜 系 统 、 中 继 透 镜 系 统和 桨 形 双 镜 系 统 等 。 简 单 双 镜 系 统 的 光 路 图如 图 。 中 继 透 镜 系 统 光 路 图 中 继 透 镜 系 统 的 光 路 如 图 。 浆 形 双 镜 系 统 光 路 图 桨 形 双 镜 系 统 的 光 路 图 如 图 ， 两 根 扫 描 轴 正 交 、共 面 ， 形 成 一 个 X-Y平 面 。 以 X轴 旋 转 的 反 射 镜（ X镜 ） 转 轴 在 反 射 镜 的 一 边 ， 以 Y轴 旋 转 的 反 射镜 （ Y轴 ） 转 轴 在 反 射 镜 的 中 间 ， 两 个 镜 面 在 与X-Y平 面 相 交 都 为 45 。 当 入 射 光 束 以 平 行 Y轴 的方 向 入 射 ， 且 在 X镜 转 角 很 小 的 一 级 近 似 的 情 况下 ， 由 X镜 反 射 的 光 束 在 Y镜 上 的 位 置 基 本 保 持 不变 ， 它 只 改 变 了 出 射 光 束 的 方 向 。 (2)全息扫描器 全 息 扫 描 原 理 示 意 图 全 息 扫 描 器 是 激 光 全 息 扫 描 系 统 的 关 键 元 件 ，它 主 要 应 用 了 全 息 技 术 的 波 前 变 换 ， 以 复 杂 波 前 的记 录 和 再 现 实 现 光 束 的 控 制 。 全 息 扫 描 的 基 本 原 理如 图 ， 用 发 散 的 细 光 束 作 为 再 现 光 ， 照 明 全 息 透 镜的 一 个 小 区 域 。 全 息 扫 描 器 具 有 一 些 突 出 的 优 点 (1)激光照排机 如 图 给 出 了 一 激 光 照 排 机 的 原 理 激 光 照 排 机 的 原 理 方 框 图 (2)激光缩微机 激 光 缩 微 机 是 用 激 光 扫 描 器 把 计 算 存 储 的 信 息直 接 制 作 到 缩 微 胶 片 上 的 机 器 。 如 图 给 出 了 激 光 缩微 机 的 原 理 ， 图 中 有 两 个 扫 描 器 ， 沿 X方 向 扫 描 的叫 行 扫 描 器 ， 沿 Y方 向 扫 描 的 称 为 页 扫 描 器 。 激 光 缩 微 机 的 原 理 示 意 图 (3)条形码扫描器 从 激 光 源 发 出 的 激 光 束 需 通 过 扫 描 系 统 形 成扫 描 线 或 扫 描 图 案 。 条 码 扫 描 器 的 扫 描 系 统 一 般 采用 旋 转 棱 镜 扫 描 和 全 息 扫 描 两 种 方 案 。 全 息 扫 描 系统 具 有 结 构 紧 凑 、 可 靠 性 高 和 造 价 低 廉 等 显 著 优 点 ，自 从 IBM公 司 在 3687型 扫 描 器 (其 光 学 系 统 如 图 )上首 先 应 用 以 来 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 且 不 断 推 陈 出 新 。 3687型 条 形 码 扫 描 器 光 学 系 统 二 、 激光打印机1. 激光打印机原理及组成 激 光 打 印 机 的 基 本 组 成 如 图 ， 这 里 激 光 器 用 于 产 生激 光 。 激 光 打 印 机 的 基 本 组 成 方 框 图2. 激光打印机的基本工作过程及控制系统简介 (1) 激光扫描系统工作过程 激 光 扫 描 系 统 由 光 调 制 器 、 扫 描 器 、 光 偏 转 器 、同 步 器 和 高 频 驱 动 电 路 等 组 成 (2) 电子成像工作过程 电 子 成 像 是 将 感 光 鼓 上 的 二 维 电 子 潜 像 经炭 粉 投 影 方 式 显 影 ， 然 后 转 印 到 打 印 纸 上 ， 再 经 加热 加 压 定 影 ， 使 粉 末 状 的 墨 粉 微 粒 熔 化 渗 入 纸 纤 维中 ， 成 为 永 久 性 的 打 印 输 出 。 (3) 机械系统工作过程 机 械 系 统 最 主 要 的 工 作 是 负 责 打 印 纸 在 激 光 打印 机 中 的 传 送 ， 此 外 图 像 生 成 也 需 要 机 械 系 统 的 配合 。 (4)控制系统简介 激 光 打 印 机 的 整 体 控 制 系 统 包 括 激 光 扫 描 系 统的 控 制 、 电 子 成 像 系 统 的 控 制 、 与 计 算 机 接 口 的 控制 、 缓 存 及 脱 机 自 检 等 控 制 。