时间：2022-07-06 19:24:19
关键词：翻转课堂 激光原理与技术课程 教学模式 教学设计
中图分类号：G642.0
文献标识码：C
DOI： 1（）.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.005
1 我校《激光原理与技术》专业课存在问题
我省许多理工类院校的光信息、光电类和大部分应用物理专业都开设《激光原理与技术》课程。作为重要专业基础或方向课，此课程：第一，具有较强的理论性、实践性、前沿性和探讨性；理论抽象，公式众多，有相当学术和技术含量的课程，教学中经常发现学生对概念缺乏准确理解或概念和实际应用“两张皮”的现象。第二，课程教学内容多，课程容量大。第三，由于激光技术、光电技术的发展日新月异，器件层出不穷，与新现象、新理论、新器件、新应用有关的课程教学内容也必须不断地做出更新调整，
另外，《激光原理与技术》课程涵盖知识点包括激光原理、激光技术两部分，知识点明确，可以用一个实验、一个概念来组织教学内容。课程具备开展翻转课堂的实施要求。
2 翻转课堂在《激光原理与技术》课程中的实施方案
结合我校《激光原理与技术》课程特点，在现有的翻转课堂模型基础上，我们设计了翻转课堂的教学路线图f如图1）。主要由线上学习、课堂学习和课后学习三部分组成。LMS作为教学实施的基础性管理学习平台，可提供教学资源、学习过程记录和互动场所。
线上学习
课堂学习
课后学习
2.1 设计知识单元的策略
将课程按“知识块”分成8个教学单元，即：激光的基本机理，激光谐振腔理论以及激光振荡理论，连续和脉冲激光器的工作特性，选模技术，放大技术，稳频技术和激光短脉冲技术。每个教学单元可以由一次或多次课程完成，以便教师开发课程视频。
2.2 设计课程微课
第一，根据本专业课程教学内容（突出难点、重点），设计微课。第二，每个教学单元可分成若干个模块，以模块为单位设计微课。第三，微课内容包括微视频、课间练习和每周作业。通过微视频中的导读内容、课间练习和作业，向学生提出问题，引导学习者自主思考。
2.3 翻转课堂教学设计
2.3.1 线上学习
第一，通过慕课学习。让学生假期在慕课平台查找与激光器件有关的知识，提前使学生进入到课程中来，在头脑中初步形成激光器件的结构框架，对激光器件的主要应用等有简单的了解，简单的知识点通过慕课学习。第二，通过微课学习。设置每周微课时间和作业提交截止时间。课间练习和每周作业可采用填空或选择形式，每道题在截止日期之前允许学生提交3次，否则当次作业记为0分。另外，在学生看完微课之后，对微课中的收获和疑问可以在讨论区发帖。由教师团队或学生讨论互动给出解答，完成课题组布置的线上学习任务。
2.3.2 课堂学习
第一，分析每个教学单元的目标、知识类型、学生线上学习情况和存在的问题，确定教学策略，如“讲授”、“自学”、“讨论”、“实验”、“探究”等。第二，学生的独立探索和协作学习。具体分为五个环节：①明确问题：根据课程内容和学生观看微课时提出的疑问，总结出-些有探究价值的问题；②独立探究：从开始时选择性指导逐渐转至为学生的独立探究学习方面，让学生在独立学习中构建自己的知识体系，注重和培养学生的独立学习能力；③协同学习：通过“探究式案例”、“探究式实验”鼓励学生以小组协作形式，采用对话、商讨、争论等形式进行讨论并实施；④交流展示：成果交流采用如：举行展览会、报告会、辩论会、小型比赛等；⑤考核评定：建立线上学习、课堂和课后学习各环节的考核评价。考核成绩构成为“课间练习20分+每周作业15分+课后研究报告和小论文5分+讨论区及课堂活跃度10分+期末考试50分”。
2.3.3 课后学习
由课后的复习，学生定期的答疑，学生完成的项目任务和课程论文构成。
3 翻转课堂教学实施案例――以光学谐振腔（FP腔）为例
3.1 线上学习
首先利用微课介绍实验现象，给出FP腔的输出装置，给出了连续波入射时单模光纤FP腔输出光谱。提出问题：如何解释上述实验现象呢？接下来在微课上介绍描述上述激光现象的基本概念与相关规律。根据多光束干涉原理，可得垂直入射时，光学FP腔的输出与输入光强之比为：
将光纤长度，折射率（n=1.48）代人，可得其自由谱宽为50CHz，利用变换式，可得自由谱宽为0.4nm，理论计算与实验现象一致。通过微课学习，学生完成知识的内化。课间提问，采用填空题：C02激光器波长为10.6um，当腔长L=lm时，自由谱宽为（），如果该激光器的光谱线宽度AVF=108Hz，则输出为单模还是多模（）。要求学生在规定时间完成课间作业的提交。
3.2 课堂学习
首先，提出问题：腔端面反射率对输出特性的有什么影响？让学生在独立学习中构建自己的知识体系。然后，进行协作学习，以4人为以小组，利用计算机对（1）式所描述的规律进行数值计算，将结果可视化，计算结果与实验结果一致。从图上还可发现原本静止的图“动”了起来。给学生很大的想象空间，这一环节是理论分析的重要补充，再次完成知识内化。将科学计算引入课堂，提升学生解决问题的能力与效率，引导学生进行研究性、探索性学习。通过可视化，学生对复杂的激光现象具有了感性认识，促进学生对晦涩理论的理解。最后，介绍新实验现象的探索。前面我们详细学习了连续波入射情形下，光学FP腔的输出特性，自然会想到脉冲激光入射情形，那么脉冲激光入射到光学FP腔，其输出具有什么特点呢？通过教师的引导和学生的协作学习和探索，得到当脉冲激光入射到单模光纤FP腔时，其输出波形具有衰荡特征，从而完成创新能力的培养。
3.3 课后学习
以小论文形式，让学生完成一份研究报告，题目为光学FP腔的激光器件中的应用。鼓励学生利用网络资源，查阅光学FP腔在各个领域的应用。例如FP在输出模式选择，光束质量改善等方面的应用，让学生自行选题，自行设计实验方案，在学院的激光实验室独立完成实验，完成小论文撰写和提交。
4 结束语
翻转课堂教学模式起源于美国，在我国真正去推行翻转课堂教学模式还有很多问题有待解决，还需要更多的实际教学工作要做。
参考文献：
【1】张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究【J】.远程教育杂志，2012，（4）：46-51.
激光原理与技术课程，作为光电信息工程专业一门重要的专业课，具有一定的基础性又有很强的专业性，它以应用光学、物理光学等基础课程为基础，又是光纤光学、信息光学等课程的基础，起到承上启下的重要作用。本课程的教学内容既有抽象的理论，也有广泛的极具吸引力的技术应用，其应用范围涵盖目前科技的众多领域。该课程的主要任务是使学生掌握激光理论的相关基础知识，掌握激光产生的基本原理，掌握光学谐振腔与激光模式的基础理论，了解激光器的结构特点和基本特性，了解激光的应用领域与典型应用技术，了解高斯光束的基本特性，掌握激光特性的控制与改善方法。本课程的突出特点是既有较深的理论知识又有广泛的应用领域，因此必须做到理论与实际操作密切结合，强调技术的应用。
根据本课程的特点以及社会对光电信息类创新型人才的培养要求，现有的教学理念及教学方法必须转变才能满足社会对光电信息类创新型人才的高标准要求。因此，要牢牢抓住培养创新型人才为主导的教育教学思想，应用与之相应的教学方法与教学手段，调整教学结构，使教学方法与手段成为实现教学理念的必要手段。激光原理与技术课程以概念多、理论深奥、应用范围广、实用性强为特点。课程学习除要求学生具备较好的数学、物理、光学基础知识外，还须有较强的推理能力。另外，原子能级的跃迁规律、激光产生的条件、光学腔的结构特点及高斯光束的传输规律等，这些内容借助板书和教师的讲解很难表达透彻，学生理解较困难。随着高校卓越工程师计划的实施，社会和学生对教师的教学能力提出了更高的要求，理论课的教学学时被压缩，但不能降低教学质量，实践课的教学学时要增加，对学生的创新能力培养要求较高，教师也切身感受到了教学的压力。因此，在这种教育背景和教育环境下，必须从教学方法、教学手段、教学内容、考核方法等方面加大改革力度，激发学生的学习积极性和主动性，提高教学质量。
2 教学内容与教学手段的改革
针对传统教学模式下，教师讲解、推导，学生缺乏感性认识、被动接受、不易理解等问题，在授课过程中可以向学生展示实物并讲解其原理、结构及应用，如各种常见激光器、全息工艺品、激光测距仪等，以增强学生的感性认识、培养和激发学生的学习兴趣。利用Matlab软件对激光原理与技术课程的相关内容进行动态仿真、播放视频、展示图片等多种灵活的教学模式，从而使学生想学、乐学、善学，真正发挥学生学习主体的作用，激发学生的学习积极性，为激光原理的学习、光电信息创新型人才的培养打下坚实的基础。
要实现上述教学模式描述的教学效果，制作一套文字精练、层次分明、条理清晰、便于操作、生动形象的多媒体课件，是教学环节中至关重要的内容。通过多媒体课件播放与教师讲解，使学生对课程中的重点、难点有一定的感性认识，便于他们理解和掌握，如对原子发光机理中的能级跃迁过程，光学谐振腔的结构及工作机理，对高斯光束的形象描述，激光在物质中的传播，光与物质的相互作用，激光特性控制与改善的原理与过程展现，激光在国防、工业、医学等领域的具体应用进行实例描述等，可以结合LabVIEW，Matlab软件进行模拟、仿真，采用动画、视频等生动灵活的方式进行教学。使学生在轻松愉快、趣味横生、内容多变的教学环境中学习和思考，以激发学习兴趣，拓展想象空间，提高学生对知识的掌握水平，培养学生的创新能力与创新水平，从而达到提高教学质量的目的。制备了丰富多彩、内容充实的多媒体课件，并不意味着万事大吉，还要避免课件华而不实、夸夸其谈，要注重基础知识、基本概念、基本性质、基本现象的讲解，注重公式的物理意义、内涵与外延、应用领域及应用范围的讲解，要注重培养学生分析问题、解决问题的正确方法，以提高学生分析问题及解决问题的实际能力，同时要注重启发式教学，注重学生创新意识与创新能力的培养。
3 实验与考核模式的改革
目前，激光原理与技术实验主要包括激光器的组装调试与主要参数调试、应用激光干涉进行位移测量、He-Ne激光器光斑尺寸与远场发散角的测量、激光全息的记录与显示。实验目的是让学生掌握激光器的结构原理，主要参数调试，激光在工业、安全等领域的应用，帮助学生建立激光系统的完整概念和综合运用所学知识的能力。
对于我校而言，光电信息工程专业是一个新开设的专业，光电信息方面的各个实验室仍处于建设阶段，因此，激光原理与技术实验教学面临实验仪器数量、种类有限，可开展的实验项目受限等困难，然而，这对教师而言既是挑战又是机遇，教师要化不利为有利，可摒弃传统以验证性实验为主的教学模式，代之以应用型、创新型实验为主导，以验证性实验为辅的实验教学模式进行教学。首先，教师带领学生以现有的芯片、微机电产品、光学产品为基础，自己动手搭建相应的实验平台与实验系统，进行应用型实验与创新型实验研究。这对我校的本科实验教学理念产生了较大影响。其次，利用软件编写代码在自己搭建的实验平台与系统中进行实验模拟及开发，如模拟激光的传输、干涉、衍射、激光全息的生成与再现等效果，从而建立一套以目前主流软件和先进硬件为基础，可以方便灵活地模拟用激光进行信息处理、测量的仿真、创新实验系统。利用建立的实验系统与平台，结合重大科技竞赛，如飞思卡尔智能车竞赛、大学生挑战杯竞赛等，达到全方位、立体化地培养学生理解知识、应用知识及创新能力的目的。
在考核方式上，采取理论课+实验课的考核方式，适当降低理论课的考核比例，增加实验，尤其是创新实验的考核比例。此外，如果学生在与此课程相关的竞赛、专利等方面获得较好成绩，可以等同该课程实验考核为优秀。
通过这种方式，可以最大限度地拓展激光实验的数量与领域，锻炼学生实验技能及工程实践能力，真正理解与掌握激光原理与技术课程的相关内容，从而真正激发学生的创新思维，达到为社会培养创新型人才的目的。
4 结束语
分析了我校激光原理与技术课程的教学现状，以满足社会经济、科技发展对人才培养的要求。以服务地方经济发展为目标，提出了充分利用当前科技手段和现代教育教学理念，对激光原理与技术课程教学内容、实践教学方法进行改革，并对提高学生分 析问题、解决问题以及创新能力的培养提出建议和思路，以期对该专业本科教学质量的提高有所帮助。
参考文献
[1] 范爱平.多媒体教学方式应用的调查与思考[J].电气电子教学学报，2006，28（3）：98-101.
[2] 李纪红，李良洪，胡云朋.多媒体技术在教学中的利弊分析[J].科技视界，2012（5）：91-92.
[3] 廖蓉.浅谈实施大学生创新性实验计划对高校学生创新能力的培养[J].中国现代教育装备，2011（3）：122-124.
关键词 教学改革；军校；激光原理；网络虚拟实验；实验仿真平台；MATLAB
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）18-0110-03
1 前言
军队院校教育是当代教育的重要组成部分，它担负着培养高素质军事人才的任务，其重要目的是培养学员创新精神、创新意识，提高学员的创新能力，求新、突破、开放和超越是对军校教育的重要要求。
最新问卷调查表明，目前军校学员的主体是95后，他们的身心呈现出许多新特点：
1）自尊心强、好面子，同时渴望得到关注；
2）对第一任职需求存在认识不足，就业压力小，求知欲不足；
3）对军事装备内容格外关注；
4）信息化程度高，接受新事物速度快，习惯网络交流和学习等。
在此前提下，继续沿用旧的教学思维和理念，已经无法满足军校学员的心理和知识需求，必将导致教学效果的不断削弱。
教育心理学表明，改进教学方法和手段是培养学员学习兴趣和学习动机的有效手段之一。现代教育技术和教育理念无疑是深化教学改革、增强教学效果的突破口。在激光原理与技术课程教学过程中，在引入信息化方法和手段的同时，改进传统教学手段，并努力将两者相融合，从而有效增强课堂教学效果。
2 虚实结合的网络虚拟实验
网络虚拟实验是利用人工生成接近真实效果的实验环境，并将其置于网络，便于远程操作的一种实验形式。这种实验形式借助信息化教学手段的优势，突破了传统理论课程对演示实验的时空限制，能够将实验直接引入课堂。
激光器属于精密光学设备，其相关实验设备体积大，调试困难，不易搬进课堂，所以各学校的激光技术课程大都将理论与实验分别开设。教学实践表明，这种教学模式不利于学生对理论知识的理解。
网络虚拟实验的出现无疑为激光技术课程的改革提供了突破口，笔者在这方面也做了一些有益探索。在制作过程中，使用Solidwrks三维模型制作软件、Okino PolyTrans
格式转换软件、NGRAIN Producer三维交互动画制作软件、会声会影视频制作软件及Dreamweaver网页制作软件等工具，将等比例实验设备与真实测量结果相结合，开发了He-Ne激光器特性、普通脉冲激光器输出特性、调Q激光器输出特性等一系列虚实结合的虚拟实验（见图1），并其放在网络平台上供学员学习。
两年的教学结果表明，上述网络虚拟实验既可以增加学员对理论知识的形象认知，又可以让学员与后续实验课程前后呼应，同时有助于学员课下自主学习，因而可以获得良好的教学效果。
3 基于Ngrin互动平台的可操控激光设备
三维制作工具NGRAIN Producer是NGRAIN公司生产的一款能够直接从现有产品的各种CAD三维数据模型，快速生成交互的产品功能展示、维修和学习培训材料的软件。它可帮助普通用户在普通计算机上快速创作出富含大量信息元素的虚拟设备，提高现有的电子教学素材质量，同时保证新手在第一时间正确操作。
激光教学小组将这种在装备类或更复杂类课程中使用的技术引入激光原理课程，为激光器这类精密光学设备的教学提供服务。课程以虚拟实验建设为基础，将前期等比例制作的各类激光实验设备通过一定的格式转换放在远程NGRAIN互动平台上。这样一来，在教学过程中，只要安装一个很小的NGRAIN Viewer软件，就可以通过远程访问的方式随时调用实验设备，并可以为学员提供设备现场的拆解、任意角度的翻转等，让学员更直观地了解激光器等精密光学设备的内部结构，见图2。
4 基于GUI平台的激光仿真实验
激光原理与技术课程理论性很强，如果没有实验验证，学员很难理解。但是，激光实验设备非常昂贵，许多结论不具备实验条件。如基于不同谐振腔的激光器、调Q激光器和锁模激光器等工作特性均与激光器多个结构参数相关，但不可能买来所有样品，对各个参数一一测试，而光学仿真实验恰恰以其科学准确、简单易行、操作灵活等诸多优点弥补了这一不足。对此，利用MATLAB软件，通过建模和编程，对激光原理与技术的部分实验进行仿真模拟，并构建基于GUI用户图形界面的实验仿真平台，为激光原理与技术的教学提供一个新的途径。
5 定制化的板书呈现形式
板书是最基本的传统教学手段，可以给学员一个完整、系统的课堂教学内容框架，但是并非所有教学内容都适合以传统形式加以呈现。为此，根据不同教学内容，进行定制化的板书设计，使板书形式更利于不同教学内容的展现，以及学员理解和记忆。如在激光原理与技术课程中，就设计有传统型、图表型、思维导图型等多种形式，在“调Q原理”一节中就采用了思维导图型板书。显然，这种新颖的板书形式，不仅可以清晰地呈现整节课的思维过程，而且有助于学员理清脉络，记忆内容。
6 结语
激光课程教学改革5年以来，取得明显成效。
1）教员层面：笔者及小组成员以“激光调Q技术”“激光产生的基本原理”为授课内容，参加总装备部举办的院校优质授课评比，分获二等奖和三等奖。
2）学员层面：学员学习积极性明显提高，考研率显著增加，说明学员对激光学科产生研究兴趣。在对2006～
2011届学员做的问卷调查中，80%以上的学员对激光教学改革工作给予充分肯定。
现代教育技术和教育理念无疑是深化教学改革、增强教学效果的突破口。本文以自身教学实践为基础，在激光原理与技术课程的教学过程中，在引入信息化方法和手段的同时，不断改进传统教学手段，并努力将两者相融合，从而有效增强课堂教学效果，为进一步促进军校教学改革提供参考。
参考文献
[1]潘菽.教育心理学[M].北京：人民教育出版社，1980.
[2]付建中.教育心理学[M].北京： 清华大学出版社，2010.
关键词:激光 红外 音频信号
Abstract: Two wireless audio receiving devices are designed with laser, infrared and radio wave. Their advantage and disadvantage are investigated in this paper, we also put forward improvement method, which provides theoretical basis for the wireless audio application of these two transmission medium.
Key Words: laser; infrared; radio; audio signal
1 引言
近年来,“自由音频”[1]这一概念越来越引起人们的关注,人们期望在保证高音质的同时,能够摆脱线材的束缚,方便安全的欣赏音乐。我们从物理实验角度出发,利用激光,红外两种无线传输媒介,设计、制作了无线音频装置,并详细分析了两种方案的优劣,为它们的无线音频应用提供一些理论依据。
2 原理
由于是声音信号的无线收听,研制装置主要解决声音信号的拾取、无线传输和还原三个问题。实验中我们设计了激光,红外两种实现方案。
2.1 激光方案
激光方案就是用半导体激光发生器产生的一束极细的红光激光,射到密闭声源附近的玻璃上,玻璃会因声源的声音变化而产生轻微振动,此时从玻璃上反射回来的激光包含了声波的振动信息,在反射光线经由的一定位置用专门的接收器(光敏二极管)接收,将光信号转化为电信号,再通过信号放大和功率放大电路以驱动扬声器实现声音还原。
2.2 红外方案
红外方案是用压电陶瓷贴片附到声源近处的密闭外壳上,物体因声源的声音变化而产生轻微振动,经过压电陶瓷贴片将转化为电信号,通过放大电路将信号放大并加载在专门的红外发射二极管[2]将电信号转换为红外光信号发射出去。接收端用与之配套的红外接收二极管进行红外光信号的接收并转换为电信号,再通过信号放大和功率放大电路以驱动扬声器实现声音还原。
3 电路设计
激光、红外两方案所拾取的原始信号都是微小信号,因此必须经过信号放大电路放大。同时在收听时还要进行功率放大才能驱动扬声器。
3.1 信号放大电路
信号放大电路主要完成小信号的电压放大任务,其失真度和噪声对系统的影响最大,应优先考虑。此放大电路都带有反馈,具有良好的抗共模干扰能力。通过集成运算放大芯片NE5532构成了前置放大电路,NE5532内部有两个集成运放。
实验中第一个运放用作电压跟随,作用在于稳定信号。
第二个运放用作信号放大。输入电压为Ui,输出电压为U0,电位器阻值1～50K可调,则理论放大倍数为2～51可调。实验中可根据需要进行调整。
3.2 功率放大电路
音频功率放大电路是由集成功率放大芯片LM386构成的集成OTL电路。其作用是将输入的较微弱信号进行放大,产生足够大的电流去带动扬声器进行声音的重放。LM386芯片的优点具有静态功耗低、工作电压范围宽、元件少等优点,因此我们选择使用它来组建功率放大电路。
此电路的电压放大倍数为20~200倍数可调,我们将经过两级信号放大电路放大后的声音信号输入功放电路,同时通过调节电位器R1来改变输入功放电路的信号电压从而调节扬声器音量,实现声音的重放。
4 效果比较与分析
实验中我们将声源放在一个有机玻璃罩里,分别用两种方案装置进行了测试,并用示波器观察了还原之后的声音波形,通过测试综合分析两种方案的优缺点,可以得出如下结论:(1)从示波器记录的波形来看,两种方案的还原效果是不一样的,其中的干扰和失真产生的原因也不尽相同。在没有给声音信号时,红外方案的波形比较干净,而激光方案的波形则有许多的毛刺出现。这是由于光敏二极管外界环境下工作会受到环境光的干扰,而环境光对红外二极管却几乎没有影响。(2)从实验装置的使用距离和传输方式来考虑,红外方案和激光方案的感应距离都在5~10m,并且传输过程中不能有障碍物;(3)从可操作性来看,红外方案需要在声源盒上安放压电陶瓷片来拾取声音信号,而激光方案通过激光入射和反射就能很方便的拾取信号。
针对两种方案各自的缺点,可以做以下的改进:(1)在激光方案中,给光敏二极管加上一个遮光罩,就可以滤除大部分的可见光干扰;将红光激光换成红外激光,也可以减少可见光的影响。(2)利用滤波电路滤除不需要的信号来改善效果。(3)利用红外光的漫反射传播,在小范围内解决红外光的直线传播的缺点。
5 结语
本文围绕激光、红外两种声音信号无线收听方案,详细介绍了这两种方案的实现流程和实验电路,同时利用示波器的波形记录,分析了两种方案的干扰信号的来源。从还原效果、实用距离和可操作性等角度比较了两种方案的优缺点,并提出了具体的改进方案和措施,从理论上指导了它们的无线音频应用。
参考文献
[1] 渴望自由 漫谈无线音频[J].电脑迷,2009,(03): 26-27
duce Plasma，LPP）和放电产生的离子体（Discharge Produce Plasma，DPP）的优势，同时对该理论和实验装置进行简要的概述，力求通过文章，使人们能够对该理论有更好的宏观认识。
关键词：激光辅助放电等离子体；激光烧蚀；宏观认识
1 理论概述
近年来，研究者采用纳秒激光诱导产生等离子体时发现，纳秒激光作用靶材产生等离子体的同时会产生直径大约在几微米量级粒子，被称为激发碎屑，研究发现碎屑的产生将对放电电极有污染和损伤。因此，为了弥补这一缺陷，采用飞秒激光作为诱导光源产生等离子体，去减少碎屑[1]。
想要得到短波极紫外辐射，需要电子密度为1018/cm3和电子温度为120eV。图1（a）为放电原理示意图。图1（b）为电子密度和电子温度达到最大时所对应等离子体示意图，如灰色线图内所示。此时的Z-pinch等离子体体积最小，我们将其近似看成圆柱，因此可以计算得到Z-pinch等离子体的体积Vz-pinch=πr2L。r为等离子体半径，L为等离子体长度。通过下面的理论计算，可以得到所需要的烧蚀体积。在体积为Vz-pinch的等离子体内所需要包含电子个数为Ne=VZ-pinchx1018cm3，获得高电子温度时，所对应最多的正离子金属价态为N，根据电荷守恒定律，可以获得原子数Natom=Ne/N，对于材料来说，设其单位体积内所包含的原子数为Ni=ρNA/M，其中ρ为材料密度，NA为阿伏伽德罗常数，M为相对原子质量。通过理论计算原子数Natom=1/3πr2dxNi，式中r为烧蚀孔半径，d为其烧蚀深度。通过上面理论计算，如果知道烧蚀斑半径和每发脉冲烧蚀深度，就可以得到所要的电子密度值。
2 实验装置
在这个装置中，电极的粗糙表面和高温严重影响了极紫外的转换效率。采用转动的圆盘来作为电极。使部分圆盘浸没在液体锡浴缸里，这样，当圆盘转过浴缸时，电极表面会换了一个新位置并保证每次靶材都是新的和带走电极上面多余的热量[2]。采用高功率激光作用于靶材时，其表面的温度将迅速升高达到其沸点。由于蒸发出的物质密度远远小于固体的密度，根据质量守恒定律，粒子将以高速离开靶材表面。
激光烧蚀金属使电极导通形成放电通道，形成的真空电弧和放电电流流过等离子体，因此变化的轴向电流产生了方位磁场，等离子体中的带电粒子受到洛伦兹力J×B的作用，洛伦兹力的方向指向放电通道。如图2所示。基于导体的趋肤效应，只有等离子体最外层携带着脉冲电流。因此等离子体最外层的带电粒子在洛伦兹力的作用下向着轴心运动，由于洛伦兹力的作用，磁压强作用在等离子体上并指向轴心，使等离子体变成针状形成Z-pinch等离子体。
如图3所示，在装置中①位置加入高压直流电，通过激光烧蚀②位置处靶材产生金属气体，从而使阳极③和阴极④导通产生Z-pinch等离子体。其中图中⑤为绝缘体。为了产生短脉冲高压放电，采用图中⑦磁脉冲开关进行放电控制。极紫外转化率即极紫外辐射能量与激光入射能量之比，就LDP而言：激光参数（波长、脉冲持续时间、光强及光斑大小等）；靶材能级结构；产生等离子体光学薄膜厚度与环境参量（充入惰性气体）等都对其转化率有重要的影响。其中光学薄膜厚度由电子密度与电子温度共同决定。
3 结束语
相对于LPP和DPP而言，它可以使等离子体中的电子沿着电流的方向运动，增加了对等离子体的控制，能够形成稳定的等离子体，从而进一步提高了极紫外的转化效率。此外，通过该方式能有效将电能转换为等离子体能量，从而获得电子温度较高的等离子体，使产生的极紫外向波长较短方向发展
参考文献
[1]Qiushi Zhu. Plasma Dynamics in a 13.5 nm Laser-assisted discharge plasma extreme ultraviolet source[D].Tokyo Institute of Technology，2012：1-3.
Laser Spectroscopy
Vol.2,4th Edition
2009
Hardcover
ISBN 9783540749523
W 德姆特勒德著
自1960年第一台激光器问世以来的近50年中,激光光谱学一直是研究领域的重点,并且在科学、医药以及技术的许多方面取得显著进展,得到越来越多的应用。激光光谱学的发展部份地得力于新的实验技术。这些新技术的出现,激发了激光在化学、生物、医药、大气研究、材料科学、计量学、光通讯网络以及许多其它工业领域的应用。
为了让读者了解这些新发展,新版书中增加了很多新内容,譬如:外腔倍频,稳定的连续参量振荡器,可调的窄带紫外光源,更灵敏的检测技术,可调的飞秒或次飞秒激光器,原子或分子激发的控制,能与飞秒激光器同步的频率梳,相干的物质波,以及在化学分析、医药诊断、工程中更多的应用实例。此外,对一些章节的内容如非线性光谱学、离子阱、超短激光脉冲、以及激光光谱的新发展等作了较大改进和扩充。新增的50张插图展示了最新的开发和研究结果。这些新内容需要在第三版《激光光谱学》中增加很多页面,因此著者决定将第四版的《激光光谱学》分为两卷。第一卷主要论述激光光谱学的基础。第二卷介绍了激光光谱学的各种实验技术及应用。新技术及新实验装置包括:用光梳直接测量光波的绝对频率和脉冲;可见飞秒激光高次谐波的阿秒时间分辨率;飞秒非共线光参放大器,以及用它来高速测量激发分子的快速动态过程,它也是详细研究一些重要过程如眼视网膜的视觉过程,或叶绿素分子中的光合成过程的基本工具。
本书共10章:1.激光的多普勒极限吸收光谱和荧光光谱;2.非线性光谱;3.激光喇曼光谱;4.分子束的激光光谱;5.光泵和双共振技术;6.时间分辨激光光谱;7.相干光谱;8.碰撞过程的激光光谱;9.激光光谱的新发展;10.激光光谱学的应用。每一章的末尾有练习题。书的末尾有习题答案、参考文献及主题索引。
著者任职于德国凯泽斯劳滕大学(Universitt Kaiserslautern)物理系。目前他的教学及研究的兴趣包括:实验物理学,激光光谱,原子、分子和光子,分子物理学。他曾撰写数十部著作。
本书填补了前沿研究论文与基本原理和基本实验技术之间的空白。适合于想深入了解激光光谱学的物理学家及化学家阅读;也可作为研究生的教科书。凡是学过原子物理、分子物理、电动力学和光学的学生都能阅读本书。
刘克玲,退休研究员
(中国科学院过程工程研究所)
关键词：激光跟踪仪 翼下整流罩 数模 站位 测量
中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（b）-0044-02
现代飞机零组、部件其尺寸及外形的精度要求较高，保证飞机产品装配协调及其几何外形非常重要，精确测量、定位，这样才能保证航空器的安全性。随着航空制造业的迅速发展，航空领域现代化测控技术的应用也随之快速发展，激光跟踪仪的广泛应用充分说明了一点，激光跟踪仪具有在大范围测量应用中移动性好、轻便灵活及其测量系统的高精度自动化测量的特点。传统的测量外形方法无法保证测量精度，必然被先进的测量技术逐步取代。
1 激光跟踪仪的组成与测量技术原理
1.1 激光跟踪仪的组成
激光跟踪仪是集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机技术、现代数值计算理论等于一体的新型测量仪器。它主要是由激光跟踪头、控制器、反射器（靶标）、应用处理机及测量软件组成。
1.2 激光跟踪仪测量技术原理
激光跟踪仪能够通过数字化设计模型提取的理论数据与测量获取数据的比对评价，实现零组件、部件外形的精确测量。激光跟踪仪是基于球坐标系的空间坐标测量机， 可实现目标的静态坐标测量和动态轨迹跟踪。激光跟踪仪的测量系统的基本原理是：激光跟踪目标反射器，通过自身的测角系统（水平测角、垂直测角）及激光绝对测距系统来确定空间点（目标反射器的空间位置）的坐标，再通过仪器自身的校准参数和气象补偿参数对过程中产生的误差进行补偿，来获取空间的坐标。
空间点的测量通常有两种方法：第一种方法是直接测量法。将角耦棱镜置于待测点位置，再进行采数，就得到了空间点的位置；第二种方法是间接测量法。通过测量球面或圆形，采用球心拟合或圆心拟合的方式间接得到球心和圆心点的坐标。这种方法用于孔等角耦棱镜不能直接测量的部位。
上面这两种方法在整个测量过程中，应尽量避免气流的扰动及物体的震动，否则将影响测量结果。
2 翼下整流罩的测量应用
现选取典型部件某飞机翼下整流罩，来研究采用激光跟踪仪测量的方法，该大部件具有基于模型定义（MBD）的三维理论数模（CATIA理论模型），其外形与飞机气动外形有关，外形轮廓度要求较高。
2.1 测量过程分析
首先确定对翼下整流罩测量应该在完成装配后，不需要将翼下整流罩从工装型架上拆卸下来，而直接在装配工装型架上完成该部件的测量。以此检验确认其装配制造完成后，整流罩是否符合产品的设计要求。
2.1.1 测量坐标系的建立
该被测部件装配姿态为“倒C”形垂直布置，如图1所示。装配型架是整体框架式工装。型架体有多个基准工具球点（TB点），即型架上的Φ8H7孔插入反射器座，反射器球心即为TB点，这些TB点最大范围分布在整个型架上，也是整个型架的制造基准。
先选取7个TB点，这7个TB点要最大限度地包容整个工装的主体结构，使用激光跟踪仪测量时光源不被挡住。在完成激光跟踪仪校准后，采用单点测量模式对工装的TB点进行测量，然后通过测量软件将测得的实测值与工装上理论坐标值进行拟合，这样就建立了与飞机坐标系一致的测量坐标系。
2.1.2 被测件的外形轮廓度公差要求
由MBD三维数模获得翼下整流罩设计给出的外形轮廓度公差要求是1.75，且超出误差范围的点不能超过被测点总数的6%，得出测量结果可以进行判断被测件是否符合设计要求。
2.1.3 被测件测量站位设置
（1）测量站位的设置要求。
采用激光跟踪仪对产品外形测量时，其坐标原点在跟踪仪内部，所有得到的站位坐标都在这个坐标系下，小而简单特性在一个站位就能完成测量，而对于复杂的大部件就需要多个这样的坐标系才能反映全部位置坐标，然后将多个站位的坐标系转化到同一个坐标系下，这是必须要解决的难点。
两个空间坐标系需要建立联系，至少需要不在同一直线上3个点的空间坐标（两个坐标系下），这样才能得到空间两个坐标原点间的空间关系。那么，将两个站位数据放在同一站位的坐标系时，要保证3个不共线的公共点。转站时的测量误差将影响到每一个测量点，这个误差必须控制，要根据被测产品的精确度而定。
（2）测量站位设置。
激光跟踪仪仅能测量到其视角的测量范围，要完成对翼下整流罩整个外形的测量，在任何角度都不能一次完成，需要转站位才能完成整个外形的测量。单台激光跟踪仪必须通过转站的方法扩大测量范围。然而转站位测量次数越多，测量结果的误差值就越大，所以尽量减少转站次数。确定测量该件需要设置2个站位，如图2所示。
根据转站位设置要求，相邻的站位之间至少要有3个不共线的共同基点，其中站位1和站位2的3个共同的TB点，应能限制住被测型面的6个自由度。然后由计算机测量软件通过拟合计算，把两个站位信息相互联系，形成统一的坐标系。
2.2 实施测量
将翼下整流罩与型架工装的MBD三维数模（CATIA模型）组合为组件数模，然后将其转换为激光跟踪仪能读取的格式（如STP格式），导入激光跟踪仪计算机系统测量的软件中。
通过直接扫描的形式来测量其外形，分别由站位1测量坐标系下转至站位2测量坐标系下分别进行测量，得到测量外形的点云，然后将扫描获得点云和MBD三维数模理论值进行对比，输入外形公差值，将被测件测量点云在两个站位共同坐标系下进行评价，测量软件会自动显示测量点云的偏差值。测量完毕后，用测量系统软件对测量结果进行必要的分析和处理，可用图形方式显示，从测量结果看，外形轮廓度和超差点总数都在设计要求范围内，从而完成了对翼下整流罩的测量。
3 结语
采用激光跟踪仪对飞机的翼下整流罩的气动外形进行测量，保证其测量的精度及准确性要求，对降低装配误差、提高飞机装配质量都具有重要的意义。
参考文献
【论文摘要】：对磁力仪未来发展进行了展望。重点介绍了：1.光泵磁力仪及其光源和共振元素的选择与设计2.超导技术的进步推动了超导量子干涉磁力仪的发展3.对处于研究、探索阶段的原子磁力仪进行了关注。
引言
目前，在空间、海洋、勘探、在医院和其它实验室中广泛的应用着各种磁力仪，用于测量地磁场以及生物磁场。在这些领域，新型的光泵磁力仪、超导磁力仪（SuperconductingQuantumInterferenceDevice,SQUID）；以及处于研究、试验阶段的固体电子自旋共振磁力仪（ElectronSpinResonance,ESP）、原子磁力仪（AtomicMagnetometer,AM）必将以其超高的精度担负起越来越重的任务。
过去测量磁场强度的单位是奥斯特(Oersted,Oe)，采用和推广国际单位制(SI)以后，测量磁感应强度(磁通量密度)的单位是特斯拉(Tesla,T)或高斯(Gaus,Gs)。它们之间的对应关系为1nT=10-9T=1gamma(γ)。特斯拉的换算关系为:1T(特斯拉)=109nT(纳特)=1012pT(皮特)=1015fT(飞特)=1018aT(阿特)［1］。
磁场强度曾经用过T、F、Be等几个符号表示，许多文献中曾采用F、Be。文章中为了规范、清晰采用国际标准单位T。
1.光泵磁力仪
光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。
按照量子理论，在外磁场T中，具有自旋的亚原子粒子（如核子和电子）能级简并（degeneracy）解除，分裂为一些磁次能级（或称为蔡曼能级），在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是蔡曼效应，蔡曼因此获得1902(第二届)诺贝尔物理学奖。分裂的能级间的能量差一般与外界磁场成正比。当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。
光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达10－2-10－4nT;响应频率高，可在快速变化中进行测量;可测量地磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量。
光泵磁力仪的种类甚多。按共振元素的不同，可分为氦（He）光泵磁力仪和碱金属光泵磁力仪，共振元素有氦（He4）、铷（Rb85、Rb87）、铯（Cs133）、钾（K39）、汞（Hg）等。对碱金属而言，受温度影响较大，如铯（Cs133）元素在恒温430C左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。对He3、He4而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，只需将它激励使其处于亚稳态，就能产生光泵作用。这些条件在设计与制造仪器时，必须予以重视。
光泵磁力仪未来的发展水平，主要取决于光泵光源及共振元素的发展程度。法国曾用可调谐的激光器代替常规的氦灯制成光泵磁力仪，由于谱线的选择性较好，激光又比氦灯的光要强，因此提高了磁力仪的灵敏度，达到10pT/Hz1/2。美国的R.Slcum博士利用二极管激光器作为氦同位素光泵磁力仪的光源，并申请了专利，与氦灯光源相比，灵敏度提高一个量级。最新的激光光泵氦（He4）磁力仪的灵敏度已突破1PT/Hz1/2的界限，达到0.4PT/Hz1/2，而用高频激发的灯室作为光泵的光源的氦4航空磁力仪达到了20pT/Hz1/2的灵敏度［2-3］。在共振元素的选择上，为了提高精度，需要选择谱线较窄的物质，碱金属符合谱线窄的要求，但需要一定的温度（40-55℃）加热为气态。现在已经有很多利用碱金属制成的磁力仪，前不久问世的钾磁力仪，由于谱线很窄又不重叠，方位误差很小，维修方便，分辨率达到0.1pT，在取样率为20Hz时，灵敏度可达到0.014nT。因此钾光泵磁力仪在光泵磁力仪中占有优势地位。当然随着灵敏度，取样率的提高，其价格也显著提高。
2.超导量子干涉磁力仪
超导量子干涉器件（SQUID）是上世纪60年代中期发展起来的一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器。它是以约瑟夫逊（Josephson）效应为理论基础，用超导材料制成的，是超导量子干涉磁力仪的核心。
SQUID由两个用很薄的绝缘体隔开的超导体而形成两个并联的约瑟夫松结（Josephsonjunction）组成。约瑟弗松获得1973年诺贝尔物理学奖，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper和J.R.Schrieffer三位物理学家由于共同研究建立解释超导现象的BCS理论获得诺贝尔物理学奖。
SQUID可以检测非常微弱的磁场，足以检测生物电流产生的微弱磁场，人类心脏产生的磁场约为10-10T（0.1nT），人脑的磁场约为10-13T（0.1pT）。如果有一个恒定的电流维持在SQUID中，则测得的电压随两个结上相位的变化而振荡，而相位的变化取决于磁通的变化。量子理论得出的十分重要的结论是，若有一超导体环路，则它包围的磁通量只能取Φ0的整数倍。
Φ0＝h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb≈2.07×10-15Wb=2.07×nT.cm2
这就是磁通量的量子化，Φ0叫做磁通量量子。如果磁场发生变化，则Φ0的个数也跟着变化，对Φ0个数进行计数就可测得磁场值。超导磁力仪是矢量磁力仪，它测量垂直于超导环路平面的磁场[4]。
SQUID灵敏度极高，可达10-15T，比灵敏度较高的光泵磁力仪要高出几个数量级；它测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉；其响应频率可从零响应到几千兆赫。这些特性均远远超过常用的磁通门磁力仪和质子旋进磁力仪。
量子超导磁力仪具有高精度、高灵敏度的同时不足之处也相对十分明显，超导材料自身易碎、不易加工，成本极其昂贵且SQUID磁测仪器要求在低温条件下工作、需要昂贵的液氦（或液氮）和制冷设备，这给SQUID磁测技术的广泛应用带来许多困难。在超导领域的这场竞争中，世界各国都在不断探索，超导从低温向高温的方向进步，同时生产设备和技术也持续的提高。可以预计，量子超导干涉磁力仪随着超导技术的发展将会在许多领域中得到更广泛的应用。
3.原子磁力仪
获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩-唐努吉（ClaudeCohen-Tannoudji）指出，原子磁力仪是通过测量所含电子自旋已被极化的原子在磁场中的进动(旋进)来实现的。最近美国普林斯顿大学物理系M．v．Romalis教授和位于西雅图的华盛顿大学物理系的J.C.Allred等研制成一种完全利用光学方法测量磁场的新型原子磁力仪，因此有人将这种磁力仪称为全光学磁力仪(allopticalatomicmagnetometer)。
首先由激光器产生一定频率的偏振激光束照射气态钾原子，使钾原子跃迁到高能级产生极化，待测的外磁场使原子的极化发生变化，从而原子的磁矩绕着磁场方向进动(旋进)，用另一束激光来检测上述变化。即可测定磁场，磁力仪的核心是一个充满了气态钾原子和缓冲气体氦的气室。用一束起光泵作用的圆偏振高功率的激光照射气室，钾原子最外层未配对的价电子吸收激光后进入自旋极化状态．电子的自旋指向圆偏振方向。此时用一个单频二极管激光器发出一束垂直于光泵激光束的取样激光，检测电子自旋在待测磁场中进动（旋进）时电子自旋的取向，取样激光少许离开钾的共振频率，并且当它通过极化了的气态钾时，激光偏振角会转动。转动的角度与自旋指向取样光束的角度成比例。将取样光束聚焦投射到光电二极管阵列上。即可形成磁场的图像［5］。M.V.Romalis等指出，根据量子力学的测不准原理（uncertaintyprinciple,或不确定性原理），原子磁力仪的极限灵敏度δB＝1/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比，n是单位体积内工作物资的原子数，T2是横向弛豫(自旋驰豫)时间，V是体积，t是测量时间。由上式可见，在γ、t给定的条件下，要提高灵敏度，必须让n、T2达到尽可能大的数值．而为了提高空间分辨率，V又不能取很大的数值。
M．v．Romalis教授等研制的量子磁力仪正是巧妙的提高了n与T。M.V.Romalis等把钾原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加进大密度（2.9atm）的氦作为缓冲等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T2数值，获得提高测量磁场的灵敏度和空间分辨率的优异成果。灵敏度达到0.54fT/Hz1/2，经过改进后还可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空间分辨率达到毫米级。在弱磁场中工作时．这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍，更为重要的是这种磁力仪不需要低温条件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力仪的启发，目前美国已经有公司提出根据频率调制磁学-光学转动原理设计灵敏磁力仪,转动率与磁场成比例,用极化测定方法测量[4][6]。
新型原子磁力仪可用于物理学基本理论的研究，高精度地质调查和油、气等矿产普查，生物磁学研究。前已提及,现在光泵磁力仪已成功地测绘出心脏产生的磁场,磁场幅度为0.1nT，人脑的磁场很弱,只有几个fT。高灵敏度的原子磁力仪,在绘制心磁图、脑磁图作医学诊断乃至是生物磁测、空间磁测，军事侦察等领域，无疑是非常合适的，但仍需进行完善才适应实际应用的需要。
结束语:
虽然现在许多小巧的新兴磁敏传感器（如霍尔磁敏传感器，巨磁阻传感器等）也十分活跃，但其精度远不能与文中涉及的磁力仪相比较。随着磁力仪的发展，磁场探测精度的提高，新兴学科--磁法应用有着广泛的发展空间。
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[关键词]非剥脱性激光嫩肤；胶原重建；Nd：YAG激光
[中图分类号]R332 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2014）02-0121-04
Q开关1064 nm Nd：YAG激光和长脉宽1064 nm Nd：YAG激光是目前临床上较常用的两种非剥脱性嫩肤技术，二者波长相同，属于发射近红外光波长的激光，但因脉宽不同，与皮肤组织的相互作用方式不同。Q开关1064 nm Nd：YAG激光主要是对皮肤组织产生光机械作用诱导真皮胶原重建而嫩肤 [1-2]，而长脉宽1064 nm Nd：YAG激光主要是通过光热效应达到嫩肤的目的[1，3]。
迄今为止，缺乏系统性的对Q开关1064 nm Nd：YAG激光和长脉宽1064 nm Nd：YAG激光诱导真皮胶原重建疗效的比较性研究，本研究以雌性昆明小鼠作为实验动物模型，利用免疫组化方法和计算机图像分析系统定量地评价和比较Q开关和长脉宽1064 nm Nd：YAG激光诱导真皮胶原重建的疗效，以揭示二者引起胶原重建的特点，为指导临床实践提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 实验动物：雌性昆明小鼠36只，8～10周龄，体重约30g， 由复旦大学上海医学院实验动物中心提供，按取材时间点不同随机分6组，每组6只。
1.2 激光照射：参照文献[1-2，4]，实验前24h将小鼠背部皮肤应用市售脱毛膏行脱毛处理，然后于10%水合氯醛1ml/kg腹腔内注射麻醉下行激光照射治疗，治疗参数如表1，分别对小鼠左侧背部上下部位行Q开关1064 nm Nd：YAG激光和长脉宽1064nm Nd：YAG激光治疗，右侧相应的部位作为自身对照，照射激光的光斑有10%重叠，每个部位重复照射3遍，共连续治疗4次，每次之间间隔1周。第1次激光照射后1h、1天、7天、21天、30天和60天分别对小鼠皮肤进行活组织取材，其中第3次和第4次取材是在相应的治疗前，皮肤组织取下后立即放入10%福尔马林中固定。
1.3 免疫组化实验：应用链酶亲和素-生物素-酶复合物（StreptAvidin-Biotin-enzyme Complex， SABC）染色试剂盒（博士德生物工程有限公司，武汉），一抗为兔抗小鼠I、III型胶原多克隆IgG抗体（博士德生物工程有限公司，武汉），实验步骤按说明书操作。实验结果应用Motic医学数字图像分析系统对二氨基联苯胺（3，3′-diaminobenzidine tetrahydrochloride， DAB）阳性染色的切片进行定量分析。400×下随机选取3个视野，分别计算小鼠真皮I、III型胶原阳性表达面积和统计场总面积的百分比，取平均值。
1.4 统计学处理：所测的数据以均数±标准差（±s）表示，应用SPSS15.0软件对数据进行单因素方差分析（analysis of variance， ANOVA），P
2 结果
2.1 真皮I型胶原免疫组化染色结果：见图1，Q开关1064 nm Nd：YAG激光治疗后7天时开始明显升高，30天时达高峰，60天时较30天时有所下降。长脉宽1064 nm Nd：YAG激光治疗后21天时开始明显升高，60天时达高峰。与正常对照组相比，Q开关1064 nm Nd：YAG激光治疗组于治疗后7天、21天、30天和60天明显增高，差异有统计学意义（均P
2.2 真皮III型胶原免疫组化染色结果：见图2，Q开关1064 nm Nd：YAG激光治疗后7天后始明显升高， 21天达到高峰，之后逐渐降低。长脉宽1064 nm Nd：YAG激光治疗后7天开始明显升高，30天时达到高峰，60天时较30天有所降低。与正常对照组相比，Q开关1064 nm Nd：YAG激光治疗组于激光治疗后7天、21天、30天和60天明显增高，差异有统计学意义（均P
3 讨论
皮肤光老化的各种治疗方法中，非剥脱性嫩肤技术因疗效确切、副作用小等特点具有明显的优势[5-6]。正常真皮组织的细胞外基质主要有I型胶原构成，还有一小部分III型胶原、弹性蛋白、蛋白多糖和纤维粘连蛋白[7]。皮肤光老化的组织学改变主要表现为真皮胶原退行性变，排列紊乱，I型和III型胶原水平下降。 因此非损伤性激光嫩肤疗效的评价多是通过组织学水平检测真皮胶原水平的变化来实现的。
本研究通过免疫组化实验方法，对经连续4次激光治疗的小鼠真皮I型和III型胶原进行染色，结合计算机图像分析系统，定量地检测和比较了Q开关1064nm Nd：YAG激光和长脉宽1064nm Nd：YAG激光的疗效。通过对不同时间检测点小鼠真皮I型和III型胶原水平的动态研究发现Q开关1064nm Nd：YAG激光和长脉宽1064nm Nd：YAG激光均可引起真皮胶原重建，既可诱导I型胶原增多，又可诱导III型胶原增多。其中Q开关1064nm Nd：YAG激光引起胶原重建起效早且作用强，但长脉宽1064 nm Nd：YAG激光具有良好的远期疗效。根据我们的实验结果，临床上进行非剥脱性嫩肤治疗时，将Q开关和长脉宽1064nm Nd：YAG激光联合应用，治疗早期即可较快地引起新生胶原增多，快速地改善皮肤光老化的临床症状，又可保证胶原重建疗效的持久性，从而获得理想的嫩肤效果。
目前激光引起真皮胶原重建的机制还不明了，多数学者认为是激光作用于皮肤诱导了真皮的可控性损伤，启动了皮肤的创伤修复反应，从而导致真皮成纤维细胞增生和胶原重建[8-10]。Q开关1064nm Nd：YAG激光和长脉宽1064nm Nd：YAG激光二者虽然波长相同，但与皮肤组织的作用方式不同，Q开关1064 nm Nd：YAG激光，应用调Q技术，脉宽极短，达纳秒级，限制热损伤局限于靶部位，减少热量向周围组织弥散。亚细胞结构如黑素小体等吸收激光能量后在极短的时间内来不及发生热传导，受热急剧膨胀，产生冲击波作用于周围真皮组织，因此Q开关1064nm Nd：YAG激光主要是对皮肤组织产生光机械作用达到嫩肤的目的[1-2]。而长脉宽1064nm Nd：YAG激光脉宽较长，达毫秒级，其中0.3ms脉宽可被真皮内微血管中的氧合血红蛋白累积性吸收，热量向周围弥散，逐渐加热周围层和网状层真皮，因此该激光主要是对靶组织产生光热效应，进而通过后续反应达到嫩肤的目的[1，3]。本研究中结果证实无论是光机械作用还是光热作用均可引起真皮胶原重建，但由于二者与皮肤组织的相互作用方式不同，机械性损伤和热损伤引起的修复反应方式不完全相同，从而引起真皮胶原重建的效果不尽相同。两种损伤是如何引起皮肤创伤修复反应的启动目前还不清楚，其确切的作用机制仍有待进一步探讨。
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光照射在光学涂层后，在被完全的反射之前，有部分波长的光穿透进光学涂层中，产生热噪声以及其他热效应，会极大地影响精密光学测量。近年来，光学涂层产生热噪声受到越来越多的关注，如何克服高精度测量中由于热噪声引起灵敏度的降低对实验物理学家提出了挑战。
本书讲述了光学涂层产生热噪声的最新理论和实验，以及光学涂层热噪声对最新精密测量方法灵敏度限制的原因，部分章节特别介绍了引力波探测、精确计时、通过光学谐振腔稳定的高精密激光、量子光学/量子光力学和谐振腔量子电动力学领域中光涂层热噪声的研究现状。本书共分17章：1.光学镜热噪声理论，介绍了光学镜热噪声的基本理论以及标准量子限制；2.光学涂层的主要制备方法、基底以及材料；3.介绍了各种光学镜热噪声；4.涂层热噪声产生原理、计算方法和消减方法，以及涂层机械损失影响因素、基本理论和消失机制；5.涂层热噪声直接测量方法和具体实验；6.降低热噪声的方法；7.不同基底产生的热噪声和基底机械损失源，并对精密实验中镜面基底的设计选择进行了分析；8.温度引起镜面热噪声原理，讨论了降低热噪声的低温处理设计方法和具体实验；9.涂层材料热波动引起反射相位变化导致的热光噪声；10.高性能涂层的光吸收性以及测量技术，讨论了热偏差对于精密测量的影响，以及一些降低光吸收的方法；11.高性能涂层的光散射研究现状，同时概览了压缩光和衍射光研究现状；12.降低高反射镜面涂层布朗噪声的设计原则，包括反射率和厚度的优化；13.光束整形，综述了降低镜面热噪声和其他热效应的光束整形方法最新研究进展；14.引力波及其光干涉探测器，以及涂层热噪声对引力波探测的影响；15.热噪声对于通过光学谐振腔稳定的高精密激光的影响，并介绍了高精密激光应用实例原子钟；16.谐振腔量子光力学原理，讲述了带有涂层的量子光力学前景和论证实验，介绍了进行谐振腔量子光力学实验所需低噪声涂层的必备机械特性；17.谐振腔量子电动力学实验和存在的主要问题，分析了散射、光吸收和机械损失对于实验的影响，并指出改进的可能性。
本书经过国际知名专家和工程师的指正，介绍了反射镜和基底的热噪声的理论，介绍了精密测量中使用的沉积涂层和最新绝缘涂层技术，同时涵盖了降低涂层热噪声的应用实例和实现措施。本书提供了相关问题的完整的数学推导，避免了特定领域的专业术语，使其成为现代光学领域各种背景读者的宝贵资源。
作者Gregory Harry有超过15年的引力波探测领域工作经验，是涂层热噪声研究的先驱之一，目前是激光干涉引力波天文台（LIGO）的光学主席和涂层认知科学家、美国华盛顿大学教授。
杜利东，助理研究员
（中国科学院电子学研究所）
关键词 荧光显微术 课程 教学 思考
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.05.074
“荧光显微术原理及应用”是一门非常重视实践性的技术基础课。“荧光显微术原理及应用”是基于北京农学院现有研究生课程的基础上拟向农业生产类、生物专业、动物专业以及园林专业的一年级硕士研究生开设的公共选修课，希望通过该课程的开设，为研究生开展学术研究奠定一定的实验技术基础。该课程对于研究生掌握科学研究中的细胞生物学观察方法，培养学生独立进行科学研究的素养和能力具有重要作用。作为新开研究生课程，基于北京农学院的实际情况对“荧光显微术原理及应用”的教学与实验进行了如下设置及思考。
1“荧光显微术原理及应用”课程开设的必要性
1.1研究手段和技术的发展的需要
物质吸收电磁辐射后进入激发态，而受到激发的原子或分子在去激发过程中再发射波长比激发光波长更长的光，这种再发射的光称为荧光。生物体内有些物质有自发荧光，如叶绿素或细胞壁的某些成分，受紫外线照射后发出荧光；生物体内大部分物质本身不能发出荧光，但如果用特异性的荧光染料标记后，经紫外线或其他波长的光照射后也可以发出荧光，这种荧光可以被荧光显微镜捕获，并进行定量分析。因此，荧光显微术就是基于荧光对这类物质进行研究的技术。荧光显微镜依据观察物体大小及原理又可以分为多种。常用的有体式荧光显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦扫描显微镜等等。
体视荧光显微镜能对微小样品进行快速、清晰的显微观察，并实现完全无漂移的三维立体成像，配有较长的工作距离，不仅能够获得较大的景深和光学细节，还能保证样品的真实色彩；对样品能进行实体测量；具有良好的操控系统，可提供优良的重复性从而使实验过程简化。但是体式荧光显微镜有缺陷性。其放大倍率较低，适合于研究对象的整体观察和活体观察以及一些较大的器官和组织的观察，不适合观察小组织或细胞。
与体式荧光显微镜相比，荧光显微镜放大倍数较高，工作距离较短。可以观察更多的细节。能在组织、细胞和亚细胞的水平上研究细胞内物质的定位、营养成分的吸收、运输，以及化学物质的分布及定位等。可以进行活体或固定材料的观察。
激光扫描共聚焦显微镜是上个世纪80年展起来的一种非常精密的仪器设备。它以光学为基础，将机械、电子、计算机等融为一体。与体式荧光显微镜和荧光显微镜不同，激光共聚焦以激光为光源，可以把标本分成多个光学断层，逐层进行扫描并成像，因此是一种新显微层面的研究手段。此外，由于激光共聚焦显微镜对细胞和组织连续光学切片无损伤，而且能够对活体细胞进行实时的动态观察，使它在生物科学的研究中占有独特的地位。目前，人们已广泛应用该技术来观察和分析细胞内的微细结构和分子在细胞内的分布，例如细胞内游离钙、活性氧、转录因子、表面分子、细胞凋亡、细胞膜流动性、胞内分子的运动、细胞间的缝隙连接、蛋白问的相互作用等方面。
传统的荧光显微镜配备的是胶卷相机，胶卷的冲洗非常复杂、耗时耗力。随着科学技术的发展，数字成像系统也应用到荧光显微术上。其中电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）就是与荧光显微镜密切相关的数码摄像产品。它能够将荧光显微镜拍摄的显微摄影产品通过USB接口传输到电脑中，便于图像的采集研究。随着技术的进一步发展，分辨率也越来越高，因此通过CCD，可以拍摄到分辨率更高的图片。
1.2课程设置的需要
根据本校研究生现有课程以及科研工作的需要，特开设“荧光显微术原理及应用”。现有的课程“植物显微技术”注重石蜡切片，尤其是实验环节甚少涉及显微镜；而现有的“电子显微镜”课程主要讲述超薄切片和透射电镜以及扫描电镜的原理及使用。因而“荧光显微术原理及应用”课程的开设，填补了两者之间的空档，能够更好地为广大教师和研究生的科学研究工作服务。
1.3科学研究的需要
随着学校教师科研项目的增多、科学研究的深入，越来越需要使用相应的技术手段，例如研究特定基因功能，需要进行转基因验证，一般加入GFP，YFP等报告基因，此r需在激光扫描共聚焦显微镜下进行观察将基因表达的蛋白进行定位并分析。
1.4现有实验平台的支持
北京农学院农业应用新技术北京市重点实验室下设三个研究平台，其中显微平台具备体式荧光显微镜、倒置荧光显微镜、正置荧光显微镜和Leiea的激光扫描共聚焦扫描显微镜等大型仪器设备，为本课程的顺利开设提供了物质基础。
1.5教辅人员的配备
开设本课程的教师具有多年教学经验以及多年管理体式荧光显微镜、正置荧光显微镜、倒置荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜等设备的经验，为本课程的顺利开设奠定了理论和实践基础。
2安排合理的教学和实验内容
2.1理论与实践相结合的教学理念
荧光显微术具有非常强的技术性和应用性，但理论知识的学习也是必不可少的。掌握了理论知识，能够促进实践应用。利用荧光进行显微观察的显微镜有许多种，根据本校的设备基础结合教师们的研究需求，重点选择体式荧光显微镜、荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜等内容。首先，要进行相关的理论讲解，使研究生们掌握理论基础，在此基础上设计一些独立、完整的小实验，使学生能够掌握相应仪器的使用方法。例如利用体式荧光显微镜进行转基因材料的鉴定。体式荧光显微镜具有较大的景深，能够非常方便地观察转绿色荧光蛋白或红色荧光蛋白的转基因材料，如草莓、番茄、板栗、海棠、百合、玉米等。大大简化了原来在显微镜下观察的繁琐的前处理过程。
2.2选择合适的教学内容
根据研究生的研究需求结合学术发展的进展，选择合适的教学内容。理论课程内容主要分为五个部分。第一部分显微镜的发展简史。包括显微镜的发展，荧光的发现、发展、选择及使用、荧光蛋白的发现、发展和使用等等。第二部分为体式荧光显微镜，包括其理论及应用。第三部分为荧光显微镜，包括理论及应用。第四部分为激光扫描共聚焦显微镜的理论和应用。第五部分：其他荧光显微技术，如更为先进的双光子荧光显微镜、转盘激光扫描共聚焦显微镜等内容。
2.3设置合理的实验内容
教学中想尽办法引导学生把理论知识和其自身的科学研究有机结合，提高学生的兴趣和对知识的掌握能力。基于本校农业应用新技术北京市重点实验室显微平台的仪器设备配置情况，结合研究生研究课题的需求，设置相应的较为系统性的小实验。
体式荧光显微镜因其景深较大，可以观察较大的实验材料。例如可以观察本校不同研究团队的转基因材料以及较大的组织块等。前期已经成功观察到了根的转基因荧光。
荧光显微镜观察花粉管内囊泡运输。首先需要选择合适的花粉。不同物种的花粉其萌发时间及生长速度差异巨大，要选择生长速度合适的花粉。首先要培养花粉管，其次用荧光染料FM 4-64标记囊泡，在此过程中需要学生分组合作，配置所需试剂，随后在显微镜下观察花粉萌发及花粉管生长情况。接着选择合适的花粉管，用荧光染料FM 4-64标记囊泡，随后在荧光显微镜下观察囊泡运输情况并采集图像，利用软件对荧光进行定量分析，得出相应结论，撰写实验报告。
利用激光共聚焦显微镜采集花粉管内游离钙离子信号。植物细胞因具细胞壁，钙离子标记较楦丛樱时间较长，能够锻炼研究生的动手能力。花粉管培养完毕后用Fluo 4 AM标记钙离子，用xyt的模式观察钙离子的动态变化，利用软件进行荧光定量分析，得出相应结论，撰写实验报告。
3考核方式的探索
根据本门课程注重实验的特点，以及出于对学生基本实验技能、创新意识、创造性思维、科学思想、科学态度等进行全面评价，总成绩评定由三部分组成：（1）上课及参加实验的考勤（占30%）；（2）自己制作并进行显微观察的图片质量（占40%）；（3）实验报告写作及其对实验中出现问题的分析情况（占30%）。课程论文内附有学生自己拍摄的自己制作的切片的显微照片，以及对照片出现的问题分析。
关键词：弹体直径 激光扫描法 误差分析
中图分类号：TG83 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0091-02
1、引言
检测技术是保证产品质量的重要手段，其水平高低已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。产品的竞争实质上是质量的竞争，而产品质量的提高，除设计与加工精度的提高外，往往更有赖于检测精度的提高。生产自动化程度的发展，产品数量的增长，在一定程度上也受到检测效率的制约。对于军事工业而言，弹药弹体检测技术是关系弹体生产质量的重大关键性技术，随着新型武器的研制与科学技术的迅速发展，对检测的精度和效率提出了越来越高的要求。因此，提高检测精度和检测效率是检测技术的主要发展方向。传统的弹药弹体尺寸检测是采用手工测量方法，即将游标卡尺卡在弹体尺寸需要检测的位置，通过人工读数来判断弹体尺寸是否合格。这种手工测量方法，不仅费时费力，并且精度不高，满足不了现代生产自动化的需要。
长期以来，国内外学者对弹体直径测量进行了大量的研究，但是在大直径尺寸测量方面一直没有理想的方法和仪器出现，尤其在机械加工行业中，大直径尺寸的精密测量尚未得到很好解决。用现有的或大型千分尺进行测量既费时又达不到精度要求。所以，进行精确的大直径工件几何尺寸测量研究的意义十分重大。
2、硬件条件限制分析
当被测弹药直径尺寸跨度较大时，无论怎样改进系统结构，光学系统中的镜片尺寸都会很大，其结果是：不仅镜片加工困难，而且像差很大，因此测量误差很大，无法保证测量精度。
根据误差分析和光学设计经验，f-θ透镜尺寸≤80mm的情况下的像差较易保证。因此，针对待测炮弹外径测量范围，作出以下分级：
（a）小尺寸直径
（b）大尺寸直径>60mm。
两个尺寸段无法用一台设备兼容，因此，我们需要对上述小尺寸直径测量系统进行改进，以满足对大尺寸弹丸直径的测量
3、小尺寸弹丸直径测量系统
测量系统由激光器、扫描多面棱镜、扫描透镜、接收透镜、光电接收器等组成。
3.1 测量原理
图1是激光扫描测量系统测量原理图。激光器发出的激光束照射到扫描棱镜上，扫描棱镜由扫描电机带动以恒定角速度高速旋转，扫描光束经过f-θ透镜后形成与光轴平行并以恒定线速度扫描的扫描光束。
扫描电机和扫描棱镜是关键器件，它决定了测量区域扫描光束线速度v的稳定性、光束的平行性和准直性，从而决定了仪器的测量精度。f-θ透镜的作用是将匀角速度扫描的光束变换为与光轴平行的像方匀线速度扫描的平行光束。f-θ透镜的精度不仅影响扫描线速度v随垂直位置变化的特性，决定了仪器的线性指标，而且还影响扫描光束的平行性和准直性，决定了仪器的测量精度与测量的重复性。扫描电机的速度稳定性、轴向和径向跳动，以及扫描多面棱镜的形位误差等影响光束的线速度v的稳定性和扫描光束入射的准确性，决定了仪器的重复性和稳定性。扫描激光光强的稳定性、光电信号边缘检测的准确性、光学系统的安装误差等对的检测精度起到至关重要的影响作用。
3.2 测量过程
激光器发出的激光以恒速对被测弹体进行扫描，经聚光透镜到达光电接收器，根据光电接收器接受光强的变化阈值（参看图2）确定扫描时间t。若扫描速度为ν，对工件扫描时间为t，则被测工件直径D：
3.3 误差分析
影响扫描法测量弹径误差的因素包括多个方面。如扫描速度不是常值而是扫描棱镜转角Φ的函数，此时可以用平均扫描速度来求激光扫描尺寸检测系统的误差。其中平均扫描速度（为有效扫描口径的半径角），测量的三个基本参数为电机的转速、光学系统的焦距、时钟脉冲的频率，这些误差对测量精度的影响关系式为：
由式（1-3）：若激光脉冲频率，；设计焦距为，；电机转速为，，
被测弹径，则：
4、大尺寸弹丸直径测量系统
由扫描测量头（两台）、光栅尺、直线滚珠导轨、滚珠丝杠、控制电机、计算机系统等组成。
4.1 测量原理
大尺寸直径的弹丸测量依然采用激光扫描法测量原理。和小尺寸直径弹丸测量不同的是，大尺寸弹径测量要用两个扫描头，而且在测量前要对扫描头之间的距离进行标定。
测量前，将两台扫描头移出被测区域，并用标准尺标定出两个扫描头的距离（设为L）。
4.2 测量过程
测量时，在电机的驱动下，两个扫描头同时向被测弹丸待测部位靠近，如图3所示，当两个扫描头发出的激光束与被测弹丸的外径相切时，经过光电转换，光电接收器的输出电压分别出现两个下降沿，在通过实验确定阈值后，阈值处就分别对应一个触发脉冲，该触发脉冲便是两个光栅尺的计数指令，此时两个扫描头相向运动的距离分别为和，则被测弹径（D）为：
（1-4）
4.3 误差分析
（1）基础距离L标定误差：
此项误差为系统误差，可通过测量标准件等方式予以消除。
（2）扫描头移动距离测量引起的误差：
（a）由光栅尺引起误差：
光栅尺测量精度为0.005，则由此引入的测量误差为0.001。
（b）由于边缘阈值判断引起的误差：
采用像元间距为7的CCD相机，经光学系统后，分辨率可达0.003mm，由此引起的误差为0.001mm。
（3）测量总误差为：
由于采用两侧扫描方法进行测量，实际引起的误差为左右两个扫描系统误差和，按最大极限误差累计，可得：
5、结语
本文较详细的介绍了使用改进后的激光扫描法测量弹丸直径的方法。对其关键原理进行了论述，检测效率和精度都达到了预期目标，证明了该测量方法的可行性。此设计方案可普遍适用于一般弹丸弹体的检测。
参考文献
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