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

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與傳統的教學模式不同，一門慕課不再僅僅是一個班幾十個學生，而可以是幾百上千甚至可以多達上萬人。這種大規模開放式的教學模式必將對傳統的教學模式產生巨大的沖擊。慕課模式的啟動必將引發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專業的一門專業課，也必將受到一定的影響。這是一個機遇，也是一個挑戰。本文將探討在信息化時代慕課浪潮中，如何充分利用慕課這個新型教學模式的優勢，結合《激光原理》課程的實際特點，促進《激光原理》的課程教學改革。

2引入慕課資源，促進課堂教學改革

《激光原理》屬于光電子類專業的一門重要專業課程。由于課程的針對性較強，相對于其他的公共基礎課而言每個學校擔任《激光原理》課程的教師為數不多。目前，《激光原理》課程教學內容多以教材為主，再加以教師教案和收集的各種資料，導致《激光原理》課程信息量少，形式也比較單一。當今我國光電產業迅猛發展，而激光是整個光電產業的靈魂，所以，讓廣大光電產業從業人員掌握和了解一定的激光原理知識是非常必要的。實際上，光電產業作為一個新興戰略產業，許多的從業人員并未受到過系統的光電子理論教育，因而，引入慕課，不僅可以讓在校的光電專業學生受惠，而且可以惠及社會上眾多非“科班”出身的光電產業從業人員。慕課突破了個別教師的界限，可以是一所大學，多所大學，其他社會機構，甚至是更多個人直接上傳視頻、文本、音頻來參與教育內容并在全球分享[2]。這樣一來，慕課進入課堂，使得教學模式多樣化，教學內容多元化和海量化，每位學生都可以隨時隨地地從慕課平臺中去獲取更多自己所需要的學習資源。《激光原理》課程理論性強，其中涉及到較多的復雜抽象的物理概念。在實際的教學過程中學生不易理解，僅僅依靠課堂教學很難達到預計的教學效果。這就需要改變傳統的教學模式，制作一些短小精悍的微視頻課件來實現慕課教學。慕課的主要載體就是十分鐘左右的微視頻，我們可以為每一個晦澀難懂的物理概念制作一個微視頻，并加以多媒體動畫講解[3]。每一個微視頻的時間不長，這樣可以集中學生的注意力，同時動畫講解可以提高學生學習《激光原理》的興趣，更大程度上提高學生自主學習的能力。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的試卷考試之外的更為靈活的方式進行。在整個《激光原理》課程的學習過程中，由于有了慕課這種方便、快捷的學習方式，學生可以隨時對自己感興趣的內容進行學習，所以，在學習過程中更能激發學生的主觀能動性。那么，在這種情況下，教師也可以根據所教授的內容和學生自身的特點對學生進行引導并提出一些跟課程相關的問題，叫學生自行尋找解決問題的方案。據此，教師可以判斷學生對課程的掌握程度和學生解決問題的能力，從而給出課程的考核分數。這樣的考核方式，也是激勵學生不斷學習的一種手段，在每次任務的完成和討論過程中既可以調動學生的積極性又可以增進師生互動，同時每次任務完成后可以及時的幫助學生了解自己對知識點的掌握效果。

3利用慕課平臺，建立虛擬實驗室

在大多數《激光原理》的實際教學過程中，多以理論教學為主，雖然在教學中輔以多媒體教學手段，但是教學效果不是很明顯，比如在講解諧振腔的損耗對激光器的影響的過程中，由于教學手段限制，很難讓同學們從抽象的理論中解脫出來。那么如何讓學生真切體會到諧振腔損耗對激光器的重要性？這是我們在《激光原理》教學中一直關注的問題。顯然，我們必須改變傳統的以理論教學為主的教學方法。這樣就要求理論教學內容緊跟實驗教學，但是由于目前激光實驗設備昂貴，針對性強，甚至有些大型精密儀器往往無力購買，這必然導致實驗教學的缺失。另外，實驗課教師面對學生講解實驗的時候，由于一個班人數較多，受到視角的限制，不可能所有的學生都能完整清楚的看到每一個操作細節。尤其是大型貴重的儀器受到經費的限制，臺數少，上課學生多的時候不是所有的學生都有實際操作的可能，甚至有時候很多的精密儀器都是作為演示實驗只有教師操作，學生只能在一旁觀看。利用慕課資源，建設虛擬實驗室可以在很大程度上解決激光原理實驗的問題。在教學手段上，可以利用LASCAD等激光器設計專用仿真軟件建立虛擬實驗室，演示激光的產生和激光束的傳播規律，以提高教學效果。虛擬實驗室可以大大減少設備資金的投入和各種實驗耗材的開銷，還可以使得每位學生都有親自操作的機會，可以使得學生更大程度上加深對深奧的概念理解。由于慕課建立在網絡平臺，課后只要學生有興趣就可以繼續在虛擬實驗室進行操作，方便學生利用零散時間來進行學習，如果有不熟練或有疑問的地方可以反復多次的實踐直至理解為止，這在傳統的實驗課堂上是幾乎不可能的。在慕課條件下建立虛擬實驗室可以在教學內容上，加大綜合性、設計性實驗課題的比重，體現理工科課程的特點。精選一部分實驗內容制定微型的基礎實驗用來完成一些驗證性實驗，例如模擬激光器和激光束的相關特性，加深學生對《激光原理》的感性認識。同時可以再加設一部分激光原理的課程設計的題目，啟發他們做一些新型的科學研究，滿足學生的高層次需求。比如，利用虛擬實驗室結合matlab編程等軟件設計，鼓勵學生開展激光器有源光學諧振腔設計等工作，開展高斯光束聚焦特性和中紅外激光器設計等專題活動。同時可以借鑒國外的教學模式，各種課程設計的實驗報告采用論文形式，培養學生的科學素養，提高學生撰寫專業論文的能力，為今后的畢業設計、畢業論文以及科技論文打下堅實的基礎。我校2014年獲批湖北省光電信息技術虛擬仿真實驗教學中心，以該項目為依托，我們已經著手建立激光原理虛擬實驗室。

4慕課可以增進師生交流與溝通

傳統的教學方式以課堂為中心，教師主導著課堂教學。而課堂教學則以灌輸理論知識為主，教師講解過程中學生處于被動接受的地位，師生間互動較少。受到多方面因素的影響，目前大部分學校的《激光原理》教學，教師在課堂上往往只根據教材的安排，按部就班照本宣科教授書本非常狹窄的理論知識，而不注意這門課程在生產實際中的應用以及這個行業當前發展的狀況。另一方面，在現有的教育體制下，高校教師更多的關注自己的科研，而缺乏在教學方面創新的動力，僅把知識的灌輸作為主要的教學目標，學生在學習過程中得不到有效的指導和監督[4]。然而教學的主要目的并不是為了培養學生的應試能力，而是為了訓練學生的自主學習能力使其更能適應社會化發展。慕課利用當代先進的信息技術，使得全人類能夠共享優質教育資源。慕課所提供的方便和快捷保障了學生的學習自[5]。與傳統的教學方式不同的是，慕課的內容匯聚了大量的優質資源，學生可以通過網絡觀看各種《激光原理》的微視頻，也可以根據自身的情況來制定學習目標，組建學習內容。學生可以觀看本校、外校甚至是國外教師教授《激光原理》的教學視頻并操作各種虛擬實驗室。學生可以利用慕課平臺與更多的教師和同學交流互動，分享各式各樣的學習資源，甚至于可以組建網絡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，點評課程。在慕課模式下，教師和學生的角色都會有所轉變甚至于可以互換。慕課對教師提出了前所未有的挑戰，學生可以根據所需要的學習內容自行選擇上課教師，這樣對教師的教學水平、教學風格提出了更高的要求。學生也可以根據自己對某個知識點的理解制作微視頻上傳到慕課平臺，教師也可以通過學生的講解視頻來了解學生的思維方式和理解程度。有些學生通過參考文獻、虛擬實驗或是各種社會實踐來提出自己對《激光原理》課程中各種見解，這些都是教師在傳統教學中所無法得知的。可以想象在慕課環境下，沒有學生會選擇教學模式古板、教學質量差的教學視頻來觀看，這樣很多照本宣科、本本主義的教師將會消失，同時也對學生的自律性提出了更高的要求，是被動的學習轉變為自主的學習模式。所以，在慕課模式下，教師教學生學的傳統師生關系將會發生很大的改變。教師在教學過程中將會有更多的機會從學生處獲益，“教學相長”將會在慕課模式得到更加完美的詮釋。

5慕課模式下校企合作，了解更多的科技動態

激光原理是一門實踐性很強的課程。教學中需要學生多動手、多思考，在實驗中理解和應用課堂教學中學到的理論知識等。受限于激光器的構造特性，一般理論課堂難以進行實驗演示，即便演示，效果也不好。此外，在教材上，由于光電子技術的快速發展，新型光子器件和新的激光技術不斷涌現，導致教材的先進性有所欠缺，比如激光短脈沖技術一般教材都只介紹傳統的調Q，鎖模技術，而應用在高功率超短激光脈沖產生的啁啾放大技術卻很少涉及。這種教學模式與教學部提出的“應用型普通本科學校”是相違背的，大學從來不是“象牙塔”，不只是單純的要求學生參加應試教育的考試，而是要培養提高學生的綜合能力包括自主學習的能力、發現問題解決問題的能力和工程應用能力等。但是，綜合能力的培養與提高不是一朝一夕的事情，它貫穿于從學校到社會甚至整個人生。這就要求我們的大學課堂與企業的要求緊密的鏈接起來，可以根據企業合作要求搭建慕課平臺，企業可以根據他們對激光工藝的要求和大學院校共同開發慕課平臺，聘請企業工程師和一些有經驗的工人加入慕課的開發和制作[6]。根據企業要求制作的慕課，學生不僅可以學習理論知識，還可以學習到實踐技能。在所有完成慕課的學生中，企業可以根據完成情況擇優錄取，免去一部分招聘和培訓的成本，學生通過慕課的訓練也能很好地適應企業的工作，真正獲得雙贏的效果。由于《激光原理》課程專業性強，大多受到資金的限制，每個學校對《激光原理》課程的投入不會太大，難以添置高端儀器，而慕課是綜合各個院校及企業的各種教學資源，這樣實驗儀器設備要更為齊全，通過慕課可以了解到一些沒法見到的大型高科技儀器設備，熟悉儀器的用途、操作原理以及使用方法等。利用慕課模式，引進企業的研發機構，這樣可以綜合利用社會資源。在《激光原理》慕課建設內容中，可以以企業產品市場銷售走勢對教學重點進行適當的調整，以適應企業的需求[7]。從這個角度來講，這也可以激發學生學習《激光原理》的興趣，開拓知識面，開發其潛在的創造能力，通過這種課內外科技活動結合的教學形式，了解高科技知識，達到在本科階段參與科研的目的。這既為學生的進一步深造奠定了堅實的理論和實踐基礎，也實現了學校人才培養和企業需求的無縫對接。所以，在慕課模式下實現校企合作，對學生、學校和企業都是有好處的，是一舉三得的事情。

6結論

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一、光信息科學與技術國家一類特色專業

我校光信息科學與技術專業歷史悠久、辦學基礎好、生源質量高、專業方向應用性強。為適應國家對激光科學與技術及光信息技術高素質人才的需求，發揮我校光信息科學與技術專業應用性強的優勢，圍繞“特色教育，服務社會”的宗旨，2009年申報成功了光信息科學與技術國家第一類特色專業，目標是建設一個以激光科學與技術和光信息技術兩個專業方向為優勢方向，特色鮮明的名牌專業，使之在培養質量方面達到或接近國內一流水平。在專業邊緣領域，大膽開拓，不斷擴展研究內容，使該專業成為國內激光科學與技術和光信息技術方向高級人才的培養基地，滿足社會發展需要，為同類型高校相關專業建設和改革起到示范和帶動作用。電動力學作為該專業重要的一門專業基礎課程，需進行教學內容和教學方式的改革，以適應特色專業的建設和培養高質量畢業生要求。

二、電動力學課程教學現狀及課程特點

電動力學課程內容，對大多數學生來說感覺到比較難學。原因是知識點較多，抽象難懂。數學推導復雜，要求有較強的數理基礎。雖然有些電動力學問題接近實際，比如波導問題、天線問題，但學生要理解和解決這些問題，需要一定的過程，由于上述問題的存在，使初學者常常感到電動力學課枯燥無味、難以入門；上課聽講似懂非懂，下課做題無從下手。并且,由于招生數量的增加,極大降低了師生比,降低了學生與老師交流的幾率。同時，現代大學生與80年代大學生比，缺乏主動思考意識和能力，都嚴重影響電動力學課程的教學效果。

三、教學改革設想及實施

我校光信息科學技術專業本科生的培養中,激光器及技術是一個重要的專業方向。因此在電動力學課程教學中,如何將與專業基礎相關教學內容更扎實、有效地貫穿教學，并激發學習興趣，采取以下教學改革設想及措施：3.1教學內容改革根據專業特點，對教學內容進行調整，并適當引申，為學生后續的平臺課如物理光學、激光原理，以及專業課如激光器件、導波光學等奠定良好基礎。比如，對電磁波傳播的相關內容重點講解并結合教師的科研等背景進行引申及拓展。其中關于模式及其形成條件，結合導波光學及物理光學內容，概念交待清楚，條件講解透徹，為后續課程的學習奠定良好基礎。在亥姆霍茲方程的講解中，引入前沿熱點問題如“負折射率”問題，使學生了解其理論基礎。在教材中作為選學內容的高斯光束問題，對該專業的學生交待清晰，為后續的激光原理奠定基礎。凡此不再贅述，總之，對教學內容的制定，以為學生更好學習后續課程及激發學習興趣為原則。3.2教學方式改革在電動力學課程的教學中，改變以往單純板書、課件的教學模式。嘗試使用討論式教學、課程小論文及結合教師科研講座與板書、課件相結合的教學方式。傳統板書教學方法對公式的推導及其有利，也符合學習的學習習慣。但在涉及較抽象問題時，使用課件教學更直觀、形象，有利于學生對具體問題的理解。如涉及形成模式的條件———駐波問題，以及偶極子天線的輻射問題，利用課件的動畫演示，極大提高了教學效果。在課程的講解中，穿插討論式教學，實現教師和學生的互動，調動學生學習的主動性。教師結合課程中不同章節的內容及特點，設置具體問題在課堂上展開討論是一種形式。對于課程小論文及教師科研講座，安排在電磁波的傳播內容講解之后，有利于培養學生的興趣和創造性。我們的教師梯隊均為博士畢業，涉及光學、物理電子學、光學工程、凝聚態物理、計算電磁學五個學科，且承擔包括國家自然基金、“863”、“973”及工程類項目，為結合不同的學科開展前沿問題講座，并將研究成果引入課堂，激發學生學習興趣提供了良好條件。為此，在課程教學中穿插了與課程相關的前沿問題講座。比如全固態激光器的研究進展、光子晶體及ZnO納米材料研究進展等，通過前沿問題講座的嘗試，學生積極性很高，取得了預期效果。關于課程小論文，我們安排在了講座之后，教師根據專業特點和學生基礎，給出題目和時間節點，其間學生與教師有交流，教師進行指導，使學生更好地完成小論文，只是這個環節需要的時間較長，需要教師后續跟蹤并總結。通過科研講座及小論的嘗試，以初步取得成效，所教授的學生據此參加了全國大學生創新大賽并獲獎，所研究結果也在相關刊物發表文章。這種教學模式的探索，極大提高了學生學習的能動性，有利于培養學生的學習興趣及提高培養質量。

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關鍵詞：光纖，語音，傳輸，光電檢測

 

1、光纖通信系統的基本組成

最基本的光纖通信系統由數據源、光發送端、光學信道和光接收機組成。其中數據源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數據等業務經過信源編碼所得到的信號；光發送機和調制器則負責將信號轉變成適合于在光纖上傳輸的光信號，先后用過的光波有0.85、1.31和1.55三個低損耗窗口。光學信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學接收機則接收光信號，并從中提取信息，然后轉變成電信號，最后得到對應的話音、圖象、數據等信息。論文格式。在光纖通信系統中，光纖中傳輸的是二進制光脈沖'0'碼和'1'碼，它由二進制數字信號對光源進行通斷調制而產生。而數字信號是對連續變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產生的，稱為PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調制。這種電的數字信號稱為數字基帶信號，由PCM電端機產生。光纖通信系統的基本組成原理圖如下圖1-1所示：

圖1-1光纖通信系統

1.1光發射端機

光發射機是實現電/光轉換的光端機。它由光源、驅動器和調制器組成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜中傳輸。電端機就是常規的電子通信設備。光發射機的原理圖如下圖1-2所示：

圖1-2光發射機原理框圖

光源是光發射機的核心，其性能好壞將對光纖通信系統產生很大的影響。目前光纖通信系統使用的光源都是由半導體材料制成的，而半導體光源分兩種：發光管LED和激光管LD。由于半導體激光器發出的是激光，發光功率大、譜線寬度窄，但電路結構復雜，溫度特性差。而半導體發光二極管發出的是熒光，發光功率不大，譜線寬度寬，但電路結構簡單、壽命長、價格便宜。在實驗室中經常用到。

1.2光纖或光纜

光纖作為傳輸媒介，作用是將發射端機光源發出的光信號，經遠距離傳輸后耦合到接收端機的檢測器，完成信息傳輸任務。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，塑料光纖應用于低速、短距離的傳輸中。其構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200～1000μm，其接續時可使用不帶光纖定位套筒的便直注塑塑料連接器，即便是光纖接續中芯對準產生 ±30μm偏差都不會影響耦合損耗。正是塑料光纖結構賦予了其施工快捷，接續成本低等優點。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成為光纖中繼通信。光信號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產生能量衰減和波形失真，為保證通信質量，必須對衰減和失真達到一定程度的光信號及時進行放大和恢復。中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減；另一個是對波形失真的脈沖進行整形。

1.4光纖連接器、耦合器等無源器件

由于光纖或光纜的長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題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機的連接及耦合，對光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。

1.5光接收端機

光收信機是實現光/電轉換的光端機。 它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經光檢測器轉變為電信號，然后，再將這微弱的電信號經放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。光接收機原理圖如下圖1-3所示：

圖1-3光接收機電路原理方框圖

2、光纖語音電路設計

光纖語音電路由三部分組成：光發射電路、光纖和光接收電路。論文格式。其工作原理是：音頻信號最初是聲波，由發送器的電子麥克風轉換為電信號。此信號由LM358組成的音頻放大器放大，并且借助于一個單獨的晶體管控制LED的端電壓，將電信號轉換為光信號。光信號送入光纖或光纜。在光纖或光纜的另一端，光信號照射到接收器的光電檢測器上。光電檢測器再將其轉換為電信號。此信號被放大并送入揚聲器轉換為聲波恢復為原始信號。

2.1、發射器電路板

此電路主要是把音頻信號經麥克風轉換為電信號，電信號經濾波器、多級放大器把微弱的電流信號轉換為適合半導體二極管發光的電壓信號，在晶體管的調制下把電信號轉換為光信號送入光纖中進行傳輸。在發射器電路上有一個話筒和調制LED發光的線路。LED裝在塑料殼中以便于連接光纖或光纜進行發送信號。在實驗室里設計操作可以使用200m長的塑料光纖傳送語音信號，也可以使用玻璃光纖在更遠的距離內通信。光纖語音發射器電路如下圖1-4所示：

圖1-4光纖語音發射電路

2.2、光電接收器電路板:

在接收器電路板上通過光電檢測器把光纖傳輸的微弱的光信號轉換為電信號，經電容濾波、運算放大器放大，把電流信號轉換為電壓信號，放大到適合揚聲器輸出的電壓，恢復原始的語音信號。光纖語音接收電路如下圖1-5所示：

圖1-5光纖語音接收電路

3、結 語

本文詳細的介紹了光纖通信系統的組成，為設計光纖語音傳輸電路提供理論基礎。在該電路系統中語音信號以光波形式在光纜內傳輸、不受任何電場和磁場的影響。傳輸距離遠，抗干擾能力強。每個電路板需要一個9V電池，元件簡單，易于實現，在實驗室就能操作完成。

參考文獻

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[5] 楊家德.光電技術使用電路精選[J]..四川：成都科技大學出版社，1996.

[6] ic37.com/

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【關鍵詞】 布里淵 分布式 光纖傳感

隨著社會發展，安防已經變得越來越重要，及時發現入侵對我國安防建設有種重要的意義，別的安防系統監測距離短且容易受到電磁的擾動，而本文中敘述的安防系統不僅監測距離長而且不容易受到電磁的干擾，對安防領域具有重要意義。光纖傳感入侵定位監測系統可以通過監測光纖應變或震動等確定事件發生的位置，已有傳感定位系統多采用Sagnac干涉環結構或者馬赫-增得干涉結構實現定位，但無法同時滿足高精度和長距離探測。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，結合邊緣濾波調解技術，建立一套分布式光纖傳感入侵定位系統監測，實現了對入侵事件的實施快速定位監測，空間分辨率也相應高了起來。

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程的相互作用，這兩者的相互作用會使光產生頻移，該頻移的產生相當于入射波被一個聲光柵散射產生了反射光子，我們利用這個頻移，通過測得其頻移方向和大小，來實現傳感物理量的轉換。光纖所處溫度、所受應變皆可通過布里淵頻移間接計算得出。在實際工程使用中，由于入侵事件都是不確定的，所以需要一套具有實時監控能力且無盲點的監測系統才能完全監測到入侵、避免出現遺漏，而光纖作為傳感原件是沿線路連續分布的，這就避免了線路中產生盲點。通過對光纖中布里淵散射頻移量大小的監控，可以分析得出被入侵點的準確位置，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測系統中最有效的應用方式，達到了兼備高精度、無盲點、長距離、實時性等諸多優異性能。

二、實驗與分析

由于本項研究處于早期階段，所以此次試驗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解調器。并參考了各類中外文獻，以及前輩所寫的論文，保證本次試驗和分析能夠得出更為準確的結論，更好的為國家安防事業做出貢獻。我們將激光輸出進行一定的比例分束，然后小比例的一束作為本振光，另外一個大比例的經偏振控制器調整偏振態，通過電光調制器進行脈沖的調制，經過摻鉺光纖放大器1放大之后，波分復用器濾過自發輻射噪聲通過擾偏器和環形器，輸入到單模傳感光纖里面去。散射回的信號此時變得非常非常弱，必須得通過摻鉺放大器2來放大，然后再經過一個環形器，通過自己制造的窄帶可調諧光纖光柵濾波器之后的布里淵反射光和本振光相干，通過高速光電探測器的監測，然后得到了實驗的最終結果---后向布里淵散射信號。

在實驗中，波分復用器濾波的通道為1550nm，帶寬30nm，隔離度大于20dB，損耗小于0.15dB，和本振光相比，相對有一定的偏移量，能滿足實驗的要求并且監測到相干信號。放大之后的布里淵信號只有um量級，采用高速光電探測器前置放大濾波電路對信號再次放大濾波，然后通過邊緣濾波，將布里淵信號的平移變化轉換成強度變化，并通過累加平均處理，平均2的12次方次后，得到最K監測結果。其中前置放大濾波電路實現對微弱電信號的放大并抑制信號頻帶以外的噪聲，其濾波中心頻率為11GHz，3dB快帶為1Hz，插入損耗小于0.1dB。實驗系統采用50ns脈寬的光脈沖，重復頻率為10KHz，傳感光纖長度為10km。因此，完成2的12次方次累計平均處理所需時間小于1s，即系統的監測周期小于1s，可滿足快速監測入侵事件的要求。

經過實驗分析表明。實驗系統在室溫25度環境下且光纖不受外力時，布里淵信號的中心頻率在10.9GHz左右。因此當應變和溫度引起的頻移總和超過初始中心頻率100MHz時，信號將越過帶通濾波器的單邊上升沿的邊界，導致信號幅值減小，從而引起錯誤判斷，限制了系統的監測范圍。采用更大帶寬的帶通濾波器并合理的選擇其中心頻率，可以擴大系統監測的動態范圍。

至于如何消除緩變溫度的影響，適應野外環境下的應用，以及進一步提高系統的應變分辨率，將在后續的工作中研究。

結論：在BOTDER原理中用單縱模光纖光柵到帶通濾波器理論結合實際的實驗中表明，系統可以在1s對10km范圍的傳感器進行測量，并達到5m的空間分辨率和200uε的應變分辨率。這項實驗表明本系統在監測入侵領域的能力，即便現在所處階段并不成熟，也能對國家安防領域起到很重要的積極意義，而且經分析判斷和實驗結論，基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監測系統在長距離入侵定位方面有著良好的前景。

參 考 文 獻

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論文關鍵詞：激光　激光生物效應　激光與生物分子

論文摘要：本文主要簡介了激光與生物組織相互作用所產生的生物效應，概述激光與生物分子相互作用機理研究現狀。為提高和發展激光技術在此領域的應用，有必要對激光的生物學效應及生物物理機理進行研究。

一、激光的發光原理及其生物學效應

1激光發光原理

把一段激活物質放在兩個互相平行的反射鏡構成的光學諧振腔中，處于高能級的粒子會產生各種方向的自發發射。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往返傳播，當它在激光物質中傳播時，光強不斷增強。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大于單程損耗δ，則可產生自激振蕩。原子的運動狀態可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子即自發輻射。同樣的，當一個光子入射到一個能級系統并為之吸收的話，會導致原子從低能級向高能級躍遷即受激激吸收。然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子即受激輻射。這些運動不是孤立的，而往往是同時進行的。當我們創造一種條件，譬如采用適當的媒質、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，就會有光子射出，從而產生激光。

2激光生物學效應

由于激光具有能量和動量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子產生物理、化學或生物反應，這就是激光生物效應。目前，學術界認識比較一致的激光生物效應大致有五類：.激光生物熱效應、激光生物光華效應、激光生物壓力效應、激光生物電磁效應和激光生物刺激效應。生物組織內的天然色素顆粒，對近紫外、可見光和近紅外光譜區的激光有選擇吸收作用。激光生物效應，目前已經在激光醫療、激光育種方面得到廣泛、有效的應用。

（1）激光生物熱效應

激光照射生物組織時，激光的光子作用于生物分子，分子運動加劇，與其他分子的碰撞頻率增加，由光轉化為分子的動能后變成熱能，可能會引起蛋白質變性，生物組織表面收縮、脫水、組織內部因水分蒸發而受到破壞，造成組織凝固壞死。當局部溫度急劇上升達幾百度甚至上千度時，可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物組織時，不同波長的激光產生熱效應的機制也不盡同。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動導致溫度升高，所以它是直接生熱可見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躍遷，在它從電子激發態回到基態的馳豫過程中釋放能量，該能量可能引起光化反應，也可能轉化為熱量產生溫度升高，所以它們是間接生熱。激光熱效應究竟應表現為哪種形式，在激光方面取決于其輸出參數、作用時間，在生物組織方面則取決于其光學、熱學特性等諸多因素。

熱效應是激光致傷的最重要因素。激光損傷區與正常組織的界緣十分清楚，這是由于激光脈沖時程短，生物組織的導熱性差，瞬間放熱來不及擴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

當一個處于基態的分子吸收了能量足夠大的光子以后，受激躍遷到激發態，在它從激發態返回到基態，但又不返回其原來分子能量狀態的弛豫過程中，多出來的能量消耗在它自身的化學鍵斷裂或形成新鍵上，其發生的化學反應即為原初光化學反應，在原初光化學反應過程中形成的產物，大多數極不穩定，它們繼續進行化學反應直至形成穩定的產物，這種光化反應稱為繼發光化反應，前后兩種反應組成了一個完整的光化反應過程，這一過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，光致敏化效應又包括光動力作用和一般光敏化作用。生物的光華效應產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。生物體內的色素有黑色素和類黑色素、血紅蛋白、胡蘿卜素、鐵質等，其中黑色素對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。無論是正常細胞還是腫瘤細胞，在細胞質和細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熱源，其能量向周圍傳導和擴散，從而引起周圍組織細胞損傷。 轉貼于

（3）激光生物壓力效應

由激光照射產生的機械作用可分為兩部分：激光本身的輻射壓力對生物組織產生的壓強，即光壓，稱作一次壓強；生物組織吸收強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，叫二次壓強。由激光導致的生物細胞的壓強的變化可以改變生物細胞、組織的形狀，使得生物細胞、組織內部或之間產生機械力，從而對生物細胞、組織產生巨大的影響。由這種作用產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動，在組織中產生空穴現象，引起組織破壞。戈爾德曼指出：脈沖時程50毫微秒的Q開關激光產生的沖擊波壓力，可大于10個大氣壓。實際上，激光熱效應影響范圍十分局限，而由壓力效應引起的組織損傷，則可波及到遠離受照區的部位。例如，用紅寶石激光照射小鼠頭部時，發現頭皮輕度損傷，顱骨和大腦硬膜并無損傷，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理研究現狀

20世紀八十年代以來，由前蘇聯、匈牙利等國的專家提出了不少假說，其中常見的有下列4種：生物電場假說(前蘇聯伊柳辛提出);色素調節假說(前蘇聯伽馬列亞于1981年提出);細胞膜受體假說(前蘇聯普魯哈丘科夫于1980年提出):偏振刺激假說(梅斯特1977年提出)。另外一個假說是:由孤子狀態進入混沌狀態假說。美國Englander(1980年)、日本的Jomosa(1984年)。

中國的肖家鑫(1987年)用孤子理論對DNA的復制、轉錄等遺傳功能作出過解釋。劉頌豪(1991年)也提出了生物學過程中的孤子現象。云南理工大學的周凌云對“由孤子狀態進入混沌狀態假說”的進一步發展作出了貢獻。激光生物物理學家王惠文在其所著的《激光與生命科學》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分子系統可進入‘無序’的混沌狀態，并根據DNA分子動力學方程(Sine一Gordon方程)的分析結果，可以解釋DNA的真實遺傳，從而導出含激光一DNA分子動力學的運動方程，以及激光的電場相互作用對DNA分子系統的動力學效應。通過含激光與DNA相互作用運動方程的M.Inikov方法或知DNA系統即使在弱激光的作用下，也有可能由原來的孤立子運動狀態進入混沌狀態。從而導致其構象隨時間‘無規則’地演化產生遺傳變異’。但由于激光的生物刺激和誘變等效應作用機理的復雜性，特別是弱激光與生物分子的相互作用機理，目前尚未得出完善的科學解解釋。

激光與生物組織的相互作用很復雜，有待進一步研究。激光生物效應分類還沒有明確的界限，如在光化效應中光熱效應也起了很大的作用，電磁作用也產生熱效應和機械作用等，激光熱作用、光化作用和機械作用通常是同時發生的，所以相互作用的分類并不是絕對的，但各種作用之間也確存在著一些差別。如每種效應都具有典型的激光及典型現象等。激光與生物組織的相互作用是一個多種因素決定的復雜過程，激光的參數(如波長、功率、激光模式等)、生物組織的性質(如密度、彈性、熱導率、比熱、熱擴散率、反射率、吸收率、不均勻性和層次結構)以及生物體狀態等對激光的生物效應都有影響。激光對生物組織的作用具有有利和不利兩個方面，要想利用激光，最首要的任務是認識并理解激光與生物組織的相互作用機理，然后才能加以應用。

參考文獻

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【論文摘要】：對磁力儀未來發展進行了展望。重點介紹了：1.光泵磁力儀及其光源和共振元素的選擇與設計2.超導技術的進步推動了超導量子干涉磁力儀的發展3.對處于研究、探索階段的原子磁力儀進行了關注。

引言

目前，在空間、海洋、勘探、在醫院和其它實驗室中廣泛的應用著各種磁力儀，用于測量地磁場以及生物磁場。在這些領域，新型的光泵磁力儀、超導磁力儀（SuperconductingQuantumInterferenceDevice,SQUID）；以及處于研究、試驗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負起越來越重的任務。

過去測量磁場強度的單位是奧斯特(Oersted,Oe)，采用和推廣國際單位制(SI)以后，測量磁感應強度(磁通量密度)的單位是特斯拉(Tesla,T)或高斯(Gaus,Gs)。它們之間的對應關系為1nT=10-9T=1gamma(γ)。特斯拉的換算關系為:1T(特斯拉)=109nT(納特)=1012pT(皮特)=1015fT(飛特)=1018aT(阿特)［1］。

磁場強度曾經用過T、F、Be等幾個符號表示，許多文獻中曾采用F、Be。文章中為了規范、清晰采用國際標準單位T。

1.光泵磁力儀

光泵磁力儀是高靈敏的磁測設備。它是以某些元素的原子在外磁場中產生的蔡曼分裂為基礎，并采用光泵技術與磁共振技術研制成的。

按照量子理論，在外磁場T中，具有自旋的亞原子粒子（如核子和電子）能級簡并（degeneracy）解除，分裂為一些磁次能級（或稱為蔡曼能級），在光譜上的表現，就是譜線分裂，這就是蔡曼效應，蔡曼因此獲得1902(第二屆)諾貝爾物理學獎。分裂的能級間的能量差一般與外界磁場成正比。當粒子在分裂的能級間發生躍遷時，就會發射或吸收電磁波，其頻率與磁次能級間的能量差成正比，測定這個電磁波的頻率，即可測定磁場。

光泵磁力儀是目前實際生產和科學技術應用中靈敏度較高的一種磁測儀器。它靈敏度高，一般為0.01nT量級，理論靈敏度高達10－2-10－4nT;響應頻率高，可在快速變化中進行測量;可測量地磁場的總向量T及其分量，并能進行連續測量。

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，而只有在蒸汽狀態時才能產生光泵作用。對He3、He4而言，因其本身是氣體狀態，無需加熱至恒溫，只需將它激勵使其處于亞穩態，就能產生光泵作用。這些條件在設計與制造儀器時，必須予以重視。

光泵磁力儀未來的發展水平，主要取決于光泵光源及共振元素的發展程度。法國曾用可調諧的激光器代替常規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，因此提高了磁力儀的靈敏度，達到10pT/Hz1/2。美國的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，并申請了專利，與氦燈光源相比，靈敏度提高一個量級。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，達到0.4PT/Hz1/2，而用高頻激發的燈室作為光泵的光源的氦4航空磁力儀達到了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，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。現在已經有很多利用堿金屬制成的磁力儀，前不久問世的鉀磁力儀，由于譜線很窄又不重疊，方位誤差很小，維修方便，分辨率達到0.1pT，在取樣率為20Hz時，靈敏度可達到0.014nT。因此鉀光泵磁力儀在光泵磁力儀中占有優勢地位。當然隨著靈敏度，取樣率的提高，其價格也顯著提高。

2.超導量子干涉磁力儀

超導量子干涉器件（SQUID）是上世紀60年代中期發展起來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）效應為理論基礎，用超導材料制成的，是超導量子干涉磁力儀的核心。

SQUID由兩個用很薄的絕緣體隔開的超導體而形成兩個并聯的約瑟夫松結（Josephsonjunction）組成。約瑟弗松獲得1973年諾貝爾物理學獎，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper和J.R.Schrieffer三位物理學家由于共同研究建立解釋超導現象的BCS理論獲得諾貝爾物理學獎。

SQUID可以檢測非常微弱的磁場，足以檢測生物電流產生的微弱磁場，人類心臟產生的磁場約為10-10T（0.1nT），人腦的磁場約為10-13T（0.1pT）。如果有一個恒定的電流維持在SQUID中，則測得的電壓隨兩個結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論是，若有一超導體環路，則它包圍的磁通量只能取Φ0的整數倍。

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。如果磁場發生變化，則Φ0的個數也跟著變化，對Φ0個數進行計數就可測得磁場值。超導磁力儀是矢量磁力儀，它測量垂直于超導環路平面的磁場[4]。

SQUID靈敏度極高，可達10-15T，比靈敏度較高的光泵磁力儀要高出幾個數量級；它測量范圍寬，可從零場測量到數千特斯拉；其響應頻率可從零響應到幾千兆赫。這些特性均遠遠超過常用的磁通門磁力儀和質子旋進磁力儀。

量子超導磁力儀具有高精度、高靈敏度的同時不足之處也相對十分明顯，超導材料自身易碎、不易加工，成本極其昂貴且SQUID磁測儀器要求在低溫條件下工作、需要昂貴的液氦（或液氮）和制冷設備，這給SQUID磁測技術的廣泛應用帶來許多困難。在超導領域的這場競爭中，世界各國都在不斷探索，超導從低溫向高溫的方向進步，同時生產設備和技術也持續的提高。可以預計，量子超導干涉磁力儀隨著超導技術的發展將會在許多領域中得到更廣泛的應用。

3.原子磁力儀

獲得1997年諾貝爾物理學獎的法國物理學家科恩-唐努吉（ClaudeCohen-Tannoudji）指出，原子磁力儀是通過測量所含電子自旋已被極化的原子在磁場中的進動(旋進)來實現的。最近美國普林斯頓大學物理系M．v．Romalis教授和位于西雅圖的華盛頓大學物理系的J.C.Allred等研制成一種完全利用光學方法測量磁場的新型原子磁力儀，因此有人將這種磁力儀稱為全光學磁力儀(allopticalatomicmagnetometer)。

首先由激光器產生一定頻率的偏振激光束照射氣態鉀原子，使鉀原子躍遷到高能級產生極化，待測的外磁場使原子的極化發生變化，從而原子的磁矩繞著磁場方向進動(旋進)，用另一束激光來檢測上述變化。即可測定磁場，磁力儀的核心是一個充滿了氣態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的價電子吸收激光后進入自旋極化狀態．電子的自旋指向圓偏振方向。此時用一個單頻二極管激光器發出一束垂直于光泵激光束的取樣激光，檢測電子自旋在待測磁場中進動（旋進）時電子自旋的取向，取樣激光少許離開鉀的共振頻率，并且當它通過極化了的氣態鉀時，激光偏振角會轉動。轉動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。即可形成磁場的圖像［5］。M.V.Romalis等指出，根據量子力學的測不準原理（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是單位體積內工作物資的原子數，T2是橫向弛豫(自旋馳豫)時間，V是體積，t是測量時間。由上式可見，在γ、t給定的條件下，要提高靈敏度，必須讓n、T2達到盡可能大的數值．而為了提高空間分辨率，V又不能取很大的數值。

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數值，獲得提高測量磁場的靈敏度和空間分辨率的優異成果。靈敏度達到0.54fT/Hz1/2，經過改進后還可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空間分辨率達到毫米級。在弱磁場中工作時．這種磁力儀的靈敏度可能達到10-18T的數量級，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，目前美國已經有公司提出根據頻率調制磁學-光學轉動原理設計靈敏磁力儀,轉動率與磁場成比例,用極化測定方法測量[4][6]。

新型原子磁力儀可用于物理學基本理論的研究，高精度地質調查和油、氣等礦產普查，生物磁學研究。前已提及,現在光泵磁力儀已成功地測繪出心臟產生的磁場,磁場幅度為0.1nT，人腦的磁場很弱,只有幾個fT。高靈敏度的原子磁力儀,在繪制心磁圖、腦磁圖作醫學診斷乃至是生物磁測、空間磁測，軍事偵察等領域，無疑是非常合適的，但仍需進行完善才適應實際應用的需要。

結束語:

雖然現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，但其精度遠不能與文中涉及的磁力儀相比較。隨著磁力儀的發展，磁場探測精度的提高，新興學科--磁法應用有著廣泛的發展空間。

參考文獻

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關鍵詞：智慧物流；傳感器；激光技術；物聯網

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題的能力，它廣泛運用無線射頻識別、傳感器、定位系統、移動通訊等先進的物聯網技術，應用于運輸、倉儲、配送等基本環節，以實現智慧物流的自動化運作與智能化管理，其主要利用高新技術來代替傳統管理手段，來達到物流配送體系高效率、低成本的運作目的。并隨著大量高性能、低成本傳感器設備以及無線射頻技術（RFID）的普及，物聯網技術為物流發展的瓶頸突破提供了契機，智能物聯網的提出和發展更是使得智慧物流的進步有了更大的研究空間。因此，基于物聯網智能傳感器的研究與應用就具有重要的意義。

在智慧物流中，要做到物聯網的概念就必須實現對貨物感知、定位、識別、計量、分揀、監控等。同樣，在自動化生產過程中，倉儲物流由各種設備互相配合共同完成，如：貨物存取系統、輸送線、自動導向車、叉車、起重及吊運設備，需要與每一個工位保持有效的聯系以保證系統的正常工作：不能有碰撞、失控、生產過程中斷等情況發生。這就必須用到RFID、條碼以及各種傳感器，如：激光、紅外及視頻監控等傳感技術，因為它是物聯網的基礎，是人機互動的紐帶，其中激光檢測技術憑借其在測距、定位、測速、監測等方面的優勢，在智能化立體倉儲的空間利用、體積測算、港口散貨裝船機物位檢測、堆垛機和自動導向機等設備中起到了關鍵作用，并積極推動和提升了物流系統的整體性能[1]。

本文淺析了激光器測量和傳感技術在物流業現階段應用狀況，著手應用實例分析，重點闡述近些年激光測距、激光雷達技術在智慧物流領域的應用案例與未來的發展趨勢。

1 我國智慧物流的發展以及激光器技術在物流業的應用分析

2009年中國物流技術協會信息中心、華夏物聯網和《物流技術與應用》編輯部聯合提出了智慧物流的概念，認為智慧物流以物聯網為技術基礎，實現對物流運輸、倉儲、配送等環節的自動化、可視化與智能控制，是未來物流業的發展方向，也符合將來物聯網的發展趨勢[2]。

激光原理早在1917年由著名物理學家愛因斯坦提出，但直到1960年才在迫切的生產實踐需求和完備的理論體系背景下得以實現。激光一經問世，就獲得了超乎尋常的飛速發展，不僅使光學原理和技術應用獲得了全新的認知，而且直接導致了一門新興產業的出現。激光的使用使人們獲得了前所未有的先進方法和手段，以實現前人無法實現的想法和目標，去獲得空前的成果和效益，從而使得生產力得到了前所未有的發展。雖然我國激光產業近些年取得了長足的進步，但不得不承認，目前我國激光產業（特別是在激光核心器件方面）和激光產業發達國家還是存在明顯的差距，主要體現在成果轉化與產業化程度較低、基礎研究力量薄弱、激光關鍵器件技術提升緩慢等方面。

近幾年，民用激光器因其具有低功率、高穩定性和安全可靠性等多方面的優點引起了研究人員和應用企業日益濃厚的興趣，已經在通信、物流、醫療等民用領域大展身手，并在多種應用場合取代了目前常用的傳統設備。激光產品的出現以及其性能的不斷完善，必將加快激光技術在各領域的應用，從而提高生產工業自動化水平和人們的生活質量，而激光產品應用到物流行業也在人們的實驗中一步一步的走來，逐步提高了物流運輸自動化實現的進程。

（1）激光測距的應用。激光測距的原理與無線電雷達相同，在工作時由激光y距儀向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間乘以光速計算出從觀測者到目標的距離。由于激光測距儀具有探測距離遠、測距精度高、抗干擾性強、保密性好、體積小巧等優點正日益受到重視，并隨著激光定位技術的發展和成本價格的急劇下降，越來越多的汽車行業、自動化行走及物流倉儲系統等紛紛開始采用激光測距定位系統，極大地推進了大型物流倉儲系統精確定位自動化的進程。現代工廠的大型物流輸送系統通常采用的是激光條碼定位系統，該系統安裝方便，設置容易，具有良好的抗震性和防晃性，條碼對灰塵和損傷不敏感，響應時間小，精度高，并且集激光測距與旋轉編碼器的優勢于一身，既可以用于直線運動，也可以用于曲線定位，掀起了現代物流行業的自動化的新一輪技術革命的浪潮[3]。

（2）激光測體積在物料堆位自動測量系統中的應用。文章《火電場煤場儲煤量激光檢測裝置》中提出了煤場物料堆位測量的方案，該方案是利用裝有CCD點陣式攝像機和激光器的小車在口式堆取料機上作二維掃描運動，讓激光器發出激光照射在煤堆表面，根據出射光和CCD之間存在一定的夾角和不同的煤堆厚度，激光器的照射點在CCD照相機中所呈現的紅點的不同位置的比例關系，算出該點的厚度。同時，送樣小車會隨著運動路程通過CCD將這些離散的厚度點記錄下來，并將這些離散的掃描一并傳入PC機，PC機再利用這些點的坐標，用近似積分法，算出煤堆的體積[4-5]。同樣的，對于水泥廠的熟料庫或者糧倉等這類大型倉儲，都可以運用此項技術測量倉庫內的物料堆位信息以方便工作人員的查看和工程術人員的數據參考。

（3）激光傳感器的智能監控系統。通過傳感器對特定環境中的CO等氣體濃度進行監測并保持實時提醒在智能家居和智能倉儲中發揮著重要作用。該系統是基于物聯網和激光傳感器的智能監控系統，利用紅外激光探測傳感器對監控區域內氣體濃度進行探測，通過比較分析探測信息與參照數據來得到區域內氣體濃度情況，并依據對指標值的處理結果來控制各類設備的工作，使監控區域內的各種指標達到預想狀態。系統還具有溫濕度數據采集設備控制等功能，能夠利用溫度和濕度采集設備實時采集區域中的溫度和濕度信息，并根據采集數據控制空調、加濕器等設備的工作狀態，使監控區域內保持設定的溫濕度狀態[6-8]。

（4）分布式光纖傳感系統。原理為DTS系統使用一個特定頻率的光脈沖照射光纖內的玻璃芯。當光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時，會產生多種類型的輻射散射。根據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間差，可以對不同的溫度點進行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。該系統可應用于危化品倉儲中，根據其分布式線型光纖感溫火災報警系統的特性，系統監測到的是光纜沿線的長期工作溫度情況。因此，在事故發生之前，系統已經進行了長期有效的溫度監測，并可利用經驗值根據溫度情況做出合理判斷，在火災發生之前對事故發展情況進行掌控，真正做到防患于未然。它能迅速反映火情大小、火災蔓延方向和火災煙霧風向，及時給指揮部門提供各類信息，及時給消防主機提供準確的信號，將火災倉儲的損失減小到最低程度[9]。

2 激光技術的應用實踐

隨著10年物聯網發展熱潮和13年工業4.0的提出，在智能物聯網應用方面，相關研究人員開始了全新的探索和實踐，下面簡單介紹近年幾個企業在智慧物流技術應用的案例。

（1）浙江省煙草公司紹興市公司卷煙配送中心由于儲量巨大、貨物擺放密集且出貨頻繁，因此需要一套完備的倉儲自動化設備和有效的管理機制來完善倉儲服務以滿足其進出貨安全、快捷、高效的目的。該配送中心選用的是高架貨庫系統中的堆垛機設備，其采用了激光測距定位條碼定位系統旋轉編碼器作為定位的測距定位系統，通過對位置定位系統的詳細考察分析比較，完成全自動化、準確無誤、定點存取貨物的流程，該系統還擁有故障率小、精度高等優點并在實際使用中水平往復精度及垂直升降定位精度都達到了±3mm的水平。

此工程是爭創錢江杯的工程之一，采用的測距測速傳感器是激光測距器和條碼定位儀，結合變頻器、PLC技術和精確的絕對認址及閉環控制系統，達到機動性好、停準精度高的特點，既滿足設備定位精度的要求，也實現了故障率低、經濟、實用的特點；由于激光測距儀應用上實際環境條件的限制，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，它的響應時間為1ms，精度可達0.83mm，在保證設備正常運行的同時也滿足其定位要求，也避免了后續維修上的困難及相互影響，目前該技術也廣泛應用于食品、煙草、汽配、藥品等倉庫或者配送中心[10-11]。

（2）港口行業作為國家重要的交通基礎設施產業的主要組成部分，對國民經濟的發展具有重要的基礎作用，有較高的社會效益。同時我國經濟的快速發展對港口行業形成巨大市場需求，在國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，碼頭散貨裝卸面臨很大的壓力，實現智慧物流的模式和散貨的自動化裝卸勢在必行。天津港煤碼頭引進的新型散貨自動裝船設備，可在無人操作的情況下實現遠程自動化裝卸作業，在提高作業效率的同時實現了安全性、可靠性作業，也節約了人力成本，為其他港口提供了切實可行的實例依據，也勢必成為未來散貨裝卸自動化系統的新的發展形勢[12]。

天津港煤碼頭的多次裝船試驗廣泛應用沈陽自動化散貨裝船機物位檢測技術。為實現散貨裝船機在安全作業的前提下自動快速高效地完成裝船作業，它利用安裝在散貨裝船機上的激光雷達，通過多軸伺服控制激光雷達完成對船艙的三維輪廓掃描，后臺運用截面邊緣提取算法與圖形擬合算法相結合的圖像處理算法，自動實時獲取船艙尺寸以及艙內物料的形狀，確定落料軌跡，來實現散貨裝船機的自動化作業。其檢測數據與實際的數據對比如表1所示[13]：

（3）在現代工業生產和智慧物流中，倉儲業已經成為企業物流的一個重要環節，它的成本控制、自動化的程度時時影響著企業的效益和服務水平。同樣水泥工業和大型糧倉也不例外，通常需要將飼料、顆粒狀物料、水泥等貨物放在高10～20米高圓筒型倉庫中，為了控制生產的連續進行與產品的儲存就必須對倉庫現存量進行實時監測與控制，最有效的方法就是通過測量物料的高度來估算物料的存儲量。考慮到目前激光物位計的小型化、方向性好、非接觸式、連續、量程大等特點，同時操作簡單，能夠測量高粘度物質或粉狀物質，并且廣泛應用在高溫高壓、真空和狹小彎曲環境中，分辨率達到1mm、精度

3 激光技術在物流業的未來發展方向

以萬能傳感器著Q的分布式傳感系統是根據沿線光波分布參量，同時獲取在傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量的分布信息，包括溫度、濕度、振動、氣體濃度等，現已廣泛應用于管道、隧道、圍欄、電力系統檢測等方面，但是在倉儲上卻少有應用，然而隨著生鮮果蔬、水產品、煙草、醫藥等物流業的發展，尤其是危化品企業對倉儲環境參數的監控提出了更高的要求，特別是溫度、濕度等倉儲環境參數對存儲物品的壽命和腐損率有著重要的影響，并且要求實時監控、圖形化顯示的同時，最好能對所屬貨架、藏品柜等甚至是單箱貨物的溫度、振動情況進行監控，而不是一個籠統的空間溫度值。因而將新的科學技術引入倉儲系統中構建信息化、網絡化、智能化的倉儲環境監控系統是重大事故的有效預警措施，具有重大的應用背景及意義。

在現階段的國內絕大多數倉儲企業仍采取人工作業方式，但隨著電子商務的不斷發展與壯大，僅僅叉車的使用根本無法滿足企業對于快速增長的貨物處理需求，更無法滿足顧客對于購買商品便捷、高效的購物體驗。而目前發達國家倉儲運作模式均采用了現代化的物流系統，需要達到這樣的模式單一物流公司或者軟件公司很難實現，擁有跨領域的合作才能實現領域技術雙贏的突破。例如做為中國激光業界的后起之秀――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、倉儲自動化設備及系統的研發和業務的開拓，主要方向是金庫物流管理系統。這種技術型公司利用在軟件和自動化設備方技術方面的優勢與投資公司在客戶資源方面的優勢結合，可以實現在智慧物流領域業務的快速增長與突破。

匯能光電有限責任公司創始人徐仕安認為，“中國激光設備走的是模仿、吸收和創新的道路，因為在激光技術和自動化緊密結合的今天，工業制造領域的自動上下料、倉儲、物流、無人車間等都涉及到自動化，而這些領域的生產，已離不開激光技術。”想象一下，在我們未來的智能倉儲中，裝備了以激光制導技術為核心的AGV搬運小車，具有無線的通訊和信息處理的能力，能根據操作人員先前下達的指令協同作業，甚至發展到后期有了場景的自適應能力，能應對復雜環境的突發狀況，來達到高效完成裝卸與搬運的目的。這將是飛躍性的歷史革新，就如同傳統手機迅速被智能手機取代一樣，留給傳統裝卸、搬運裝備的轉型升級時間不會很長，所以，傳統物流企業現在要做的就是與相關裝備廠商合作，朝著提升企業智能化水平方向不斷革新，提高智能裝備的技術水平。由此可見，激光測量與傳感技術的高速發展和日益普及勢必將引起智慧倉儲的大革新，甚至是整個物流行業、整個制造業，生產、配送乃至于我們生活方方面面都會得到全新的服務水平[15]。

4 總 結

隨著中國智能制造的不斷推進，激光技術憑借其在測距、定位、測速、監測等方面的優勢在智能化立體倉儲的空間利用、堆貨體積測算、港口散貨裝船機物位檢測等方面已經擁有了無可替代的應用前景，對于物流業、工業激光的需求也將越來越大，相信在“互聯網+”和“工業4.0”等背景下一些新思路和觀點的提出，會使得智慧物流下的激光技術應用演繹出更絢麗的光彩。

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