時間：2022-06-07 18:48:56
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《激光雷達技術原理》以測量學和數據處理理論和方法為基礎，講授激光雷達技術的基本原理和數據后處理方法，同時結合實際案例講解激光雷達技術在測繪、地質和工程等領域的應用前景和亟待解決的問題。由于激光雷達是一項測繪新技術，國內還沒有成熟的教材，因此結合國際上較為權威的專著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及國內外相關的研究和應用成果自編了教程，對學生采取了“了解—新型傳感器原理”“熟悉—激光掃描儀操作”和“掌握—激光點云數據后處理方法”的教學模式，以達到從理論到實踐的教學效果。
1．1了解新型傳感器原理
首先，以學生熟悉的全站儀為對照，讓學生了解激光雷達是一種集成了多種高新技術的新型測繪儀器，具有非接觸式、精度高(毫米級/亞毫米級)、速度快(可達120萬點/秒)、密度大(點間距可達毫米級)的優勢，且數據采集方式靈活，對環境光線、溫度都要求較低。其次，讓學生理解LiDAR的測量原理主要分極坐標法和三角測量法兩種。其中，對于極坐標法測量，使學生了解測距的關鍵在于時間差的測定，引出兩種常用的測時方法:脈沖法和相位法;讓學生理解直接測時和間接測時的區別以及各自的優缺點，從而進一步了解脈沖式和相位式激光掃描設備的優勢、局限性以及應用領域。最后，通過介紹激光雷達采集數據的掃描方式，讓學生了解不同平臺上的激光雷達傳感器的工作特點，如固定式激光掃描儀適合窗口式和全景式掃描，車載、機載以及星載平臺適合移動式掃描等。
1．2熟悉激光掃描儀操作
考慮到各類平臺激光雷達的作業特點以及現有設備的情況，《激光雷達技術原理》課程以地基三維激光掃描儀為重點，讓學生熟悉儀器的外業操作。盡管激光掃描儀數據采集的自動化程度較高，外業采集仍然需要解決掃描設站方案設計和不同掃描站間連接點選擇等問題，要求學生在熟悉激光掃描儀軟硬件操作的同時，還要掌握激光掃描儀外業采集方案的設計:踏勘工作區，分析研究最優化的掃描設站方案和坐標轉換控制點選擇，畫出相關的設計草圖，并設置主要掃描設站的標志。要求設站位置既要保證與相鄰站的重疊，又要覆蓋盡量大范圍的被掃描對象，以減少設站數，從而提高外業數據采集效率。
1．3掌握激光點云數據后處理方法
利用點云數據可視化與點云原始存儲格式之間的明顯反差，讓學生了解激光點云數據后處理的重要性和難點，及其已成為制約激光雷達技術應用瓶頸的現狀。根據學生的理解程度，選取了點云的拼接/配準、點云的濾波和分類、點云的分割和擬合等后處理方法，要求學生掌握相關的算法并編程實現。
1．3．1點云的拼接/配準點云拼接是將2個或2個以上坐標系中的大容量三維空間數據點集轉換到統一坐標系統中的數學計算過程。要求學生掌握如何解決點云拼接的兩個關鍵問題:同名特征的配準以及旋轉矩陣的構造。對于同名特征的配準，使學生了解常用配準方法的特點和適用范圍，如ICP方法適合用于精拼接，而基于特征面的方法對場景特征分布要求較高等。著重讓學生掌握最常用的人工標靶識別，以及特征面匹配，后者有別于學生所熟知的點特征匹配;對于旋轉矩陣的構造，拓展學生在《攝影測量學》［6］中學習的基于歐拉角的旋轉矩陣構造，掌握角－軸轉角系和單位四元數方法。
1．3．2點云的濾波和分類要求學生了解濾波和分類的目的是解決激光腳點在三維空間的分布形態呈現隨機離散的問題。掌握基于高程突變和空間形態學的點云濾波和分類方法。讓學生理解單一的信息量會導致算法不穩健，從而引出多源數據融合的思路。目前，已經有很多激光掃描儀生產廠商推出的新產品中實現了多傳感器平臺的集成，如激光掃描儀會搭載小像幅的數碼相機，甚至有些系統還提供由集成傳感器生成的紅外影像。每種數據源都有其自身的優點和局限性，將多源數據融合能夠彌補各個單數據源的局限性，增大信息量，從而提高濾波和分類方法的穩健性。
1．3．3點云的分割和擬合要求學生掌握實現點云分割的相似性原則:平面性、曲面平滑度和鄰域法向，以及常用的點云分割方法表面生長法。考慮到點云擬合是由離散激光點坐標計算特征模型參數的過程，要求學生掌握點云擬合中兩個主要問題的解決方法:粗差剔除及最優解獲取。
2實踐教學法
實踐教學是卓越工程師培養體系中一個重要的組成部分。作為技術性的測繪工程學科，除應用測量儀器采集數據、應用計算機處理數據的基本能力外，還需要構建實踐教學體系以培養學生在實踐中選用適當的理論、技術、儀器設備和作業方法解決測繪工程與地理空間信息產品生產實際問題的能力，從而使學生接受測繪工程與地理空間信息產品生產方案設計、實施以及實際應用中測繪工程解決方案確定等系統化訓練。《激光雷達技術原理》課程實習要求學生全面應用所學知識，利用實習場地，依據實習目的和要求在老師的指導下分組獨立完成全部實習內容。實習儀器為中國地質大學(北京)遙感地理信息工程教研室使用教育部采購專項購買的RIEGLLMSZ620三維激光掃描儀。《激光雷達技術原理》課程實習的目的主要是使學生通過三維激光掃描儀的使用，進一步鞏固和加深理解相關理論知識和技術方法。要求熟悉三維激光掃描儀數據采集與處理(包括DEM、等高線和剖面圖生成以及三維建模等)的全過程。通過實踐性教學，不僅能夠讓學生掌握基本的軟、硬件使用操作方法和LiDAR測量項目的作業流程，而且能夠加深學生對所學專業理論知識的理解。培養學生的應用能力、創新能力以及嚴肅認真、實事求是、吃苦耐勞、團結協作的精神。要求學生必須參加每一個實習環節，協作完成實習任務，獨立完成實習報告。實習內容主要包括以下部分。
2．1三維激光掃描
數據的外業采集要求學生分組完成測區劃分和踏勘，確定測站位置，根據測區地形，設計外業數據采集方案，完成外業設站、反射標靶布設和數據采集工作。學生需要完成校園內建筑物點云數據和奧林匹克森林公園地形點云數據的采集。
2．2點云數據預處理
要求學生分別利用隨機軟件RiSCANPRO和上機C語言編程對外業采集的三維點云數據進行預處理，包括點云數據的濾波和拼接。
2．2．1點云濾波1)手動濾波要求學生利用RiSCANPRO對點云數據進行濾波。RiSCANPROv1．7．0有兩種模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者針對一般數據，后者對于提取地形的數據有明顯效果。2)自動濾波要求學生上機應用C語言編程實現數學形態學方法、移動窗口濾波法、迭代線性最小二乘內插法、基于可靠最小值的濾波方法等常用的地形濾波算法，對外業采集的數據進行濾波，并對各算法的結果進行比較和分析。圖1為學生基于虹灣地區嫦娥一號激光測高數據，利用五種濾波方法濾波后的數據點殘差值分布圖［7］。
2．2．2點云拼接1)基于反射標靶的點云拼接要求學生利用RiSCANPRO軟件，結合外業數據采集時布設的標靶連接點，對地形和建筑物點云數據進行拼接。激光點云數據的拼接有兩種方式:公共反射體的方式和采用使所有的反射體處于同一坐標系統的方式。在實際操作過程中，要求學生對兩者結合使用，以期達到更好的拼接效果。2)基于特征面的點云拼接要求學生在對點云進行擬合的基礎上，選取至少三對相互正交的特征面，利用C語言上機編程，實現基于特征面的點云拼接，并與單純基于點的拼接結果進行對比，分析不同方法的優缺點。
2．2．3地形數據處理對地形數據的處理主要包括三角化、平滑、生成等高線和剖面。三角化參數的設置可參考量測工具量測出的點云中兩點之間的距離初步設定，這個值可適當調整，目的在于使圖中的點云數據彼此之間能盡量大面積地構成三角網;要求學生對已經完成三角化的數據進行平滑處理;針對已經完成平滑的數據，利用RiSCANPRO軟件生成等高線。剖面圖的顯示既可以針對三角化之前的數據，也可以針對三角化之后(包括完成平滑的數據)來操作。
2．2．4建筑物幾何模型重建針對《激光雷達技術原理》數據處理方法的教學內容，指導教師結合自身的研究成果組織研究生開發了點云分割和擬合以及三維建模等軟件模塊，考慮到學生的掌握程度和實用性，要求學生在利用軟件模塊實現點云數據分割和擬合的基礎上，利用AutoCAD軟件手工建立建筑物的幾何三維模型，基于3DSMAX軟件建立建筑物紋理模型。圖2為暑期教學實習中指導學生利用商業軟件和自主開發的軟件模塊重建的地大校園主要建筑物的三維模型。
3結束語
關鍵詞：翻轉課堂 激光原理與技術課程 教學模式 教學設計
中圖分類號：G642.0
文獻標識碼：C
DOI： 1（）.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.005
1 我校《激光原理與技術》專業課存在問題
我省許多理工類院校的光信息、光電類和大部分應用物理專業都開設《激光原理與技術》課程。作為重要專業基礎或方向課，此課程：第一，具有較強的理論性、實踐性、前沿性和探討性；理論抽象，公式眾多，有相當學術和技術含量的課程，教學中經常發現學生對概念缺乏準確理解或概念和實際應用“兩張皮”的現象。第二，課程教學內容多，課程容量大。第三，由于激光技術、光電技術的發展日新月異，器件層出不窮，與新現象、新理論、新器件、新應用有關的課程教學內容也必須不斷地做出更新調整，
另外，《激光原理與技術》課程涵蓋知識點包括激光原理、激光技術兩部分，知識點明確，可以用一個實驗、一個概念來組織教學內容。課程具備開展翻轉課堂的實施要求。
2 翻轉課堂在《激光原理與技術》課程中的實施方案
結合我校《激光原理與技術》課程特點，在現有的翻轉課堂模型基礎上，我們設計了翻轉課堂的教學路線圖f如圖1）。主要由線上學習、課堂學習和課后學習三部分組成。LMS作為教學實施的基礎性管理學習平臺，可提供教學資源、學習過程記錄和互動場所。
線上學習
課堂學習
課后學習
2.1 設計知識單元的策略
將課程按“知識塊”分成8個教學單元，即：激光的基本機理，激光諧振腔理論以及激光振蕩理論，連續和脈沖激光器的工作特性，選模技術，放大技術，穩頻技術和激光短脈沖技術。每個教學單元可以由一次或多次課程完成，以便教師開發課程視頻。
2.2 設計課程微課
第一，根據本專業課程教學內容（突出難點、重點），設計微課。第二，每個教學單元可分成若干個模塊，以模塊為單位設計微課。第三，微課內容包括微視頻、課間練習和每周作業。通過微視頻中的導讀內容、課間練習和作業，向學生提出問題，引導學習者自主思考。
2.3 翻轉課堂教學設計
2.3.1 線上學習
第一，通過慕課學習。讓學生假期在慕課平臺查找與激光器件有關的知識，提前使學生進入到課程中來，在頭腦中初步形成激光器件的結構框架，對激光器件的主要應用等有簡單的了解，簡單的知識點通過慕課學習。第二，通過微課學習。設置每周微課時間和作業提交截止時間。課間練習和每周作業可采用填空或選擇形式，每道題在截止日期之前允許學生提交3次，否則當次作業記為0分。另外，在學生看完微課之后，對微課中的收獲和疑問可以在討論區發帖。由教師團隊或學生討論互動給出解答，完成課題組布置的線上學習任務。
2.3.2 課堂學習
第一，分析每個教學單元的目標、知識類型、學生線上學習情況和存在的問題，確定教學策略，如“講授”、“自學”、“討論”、“實驗”、“探究”等。第二，學生的獨立探索和協作學習。具體分為五個環節：①明確問題：根據課程內容和學生觀看微課時提出的疑問，總結出-些有探究價值的問題；②獨立探究：從開始時選擇性指導逐漸轉至為學生的獨立探究學習方面，讓學生在獨立學習中構建自己的知識體系，注重和培養學生的獨立學習能力；③協同學習：通過“探究式案例”、“探究式實驗”鼓勵學生以小組協作形式，采用對話、商討、爭論等形式進行討論并實施；④交流展示：成果交流采用如：舉行展覽會、報告會、辯論會、小型比賽等；⑤考核評定：建立線上學習、課堂和課后學習各環節的考核評價。考核成績構成為“課間練習20分+每周作業15分+課后研究報告和小論文5分+討論區及課堂活躍度10分+期末考試50分”。
2.3.3 課后學習
由課后的復習，學生定期的答疑，學生完成的項目任務和課程論文構成。
3 翻轉課堂教學實施案例――以光學諧振腔（FP腔）為例
3.1 線上學習
首先利用微課介紹實驗現象，給出FP腔的輸出裝置，給出了連續波入射時單模光纖FP腔輸出光譜。提出問題：如何解釋上述實驗現象呢？接下來在微課上介紹描述上述激光現象的基本概念與相關規律。根據多光束干涉原理，可得垂直入射時，光學FP腔的輸出與輸入光強之比為：
將光纖長度，折射率（n=1.48）代人，可得其自由譜寬為50CHz，利用變換式，可得自由譜寬為0.4nm，理論計算與實驗現象一致。通過微課學習，學生完成知識的內化。課間提問，采用填空題：C02激光器波長為10.6um，當腔長L=lm時，自由譜寬為（），如果該激光器的光譜線寬度AVF=108Hz，則輸出為單模還是多模（）。要求學生在規定時間完成課間作業的提交。
3.2 課堂學習
首先，提出問題：腔端面反射率對輸出特性的有什么影響？讓學生在獨立學習中構建自己的知識體系。然后，進行協作學習，以4人為以小組，利用計算機對（1）式所描述的規律進行數值計算，將結果可視化，計算結果與實驗結果一致。從圖上還可發現原本靜止的圖“動”了起來。給學生很大的想象空間，這一環節是理論分析的重要補充，再次完成知識內化。將科學計算引入課堂，提升學生解決問題的能力與效率，引導學生進行研究性、探索性學習。通過可視化，學生對復雜的激光現象具有了感性認識，促進學生對晦澀理論的理解。最后，介紹新實驗現象的探索。前面我們詳細學習了連續波入射情形下，光學FP腔的輸出特性，自然會想到脈沖激光入射情形，那么脈沖激光入射到光學FP腔，其輸出具有什么特點呢？通過教師的引導和學生的協作學習和探索，得到當脈沖激光入射到單模光纖FP腔時，其輸出波形具有衰蕩特征，從而完成創新能力的培養。
3.3 課后學習
以小論文形式，讓學生完成一份研究報告，題目為光學FP腔的激光器件中的應用。鼓勵學生利用網絡資源，查閱光學FP腔在各個領域的應用。例如FP在輸出模式選擇，光束質量改善等方面的應用，讓學生自行選題，自行設計實驗方案，在學院的激光實驗室獨立完成實驗，完成小論文撰寫和提交。
4 結束語
翻轉課堂教學模式起源于美國，在我國真正去推行翻轉課堂教學模式還有很多問題有待解決，還需要更多的實際教學工作要做。
參考文獻：
【1】張金磊，王穎，張寶輝.翻轉課堂教學模式研究【J】.遠程教育雜志，2012，（4）：46-51.
一、招生人數
學院2016年計劃招收博士研究生46名，實際招生人數以總部下達計劃為準。
二、報考條件
我院博士研究生只面向現役軍人招生，報考2016年博士研究生應當具備以下條件：
1、品德優良，遵紀守法，立志獻身國防事業；未受過紀律處分。
2、軍隊在職干部按師（旅）級單位推薦、軍級單位政治部審批、軍區級單位政治部干部部門核準、總政治部干部部備案的程序進行審批，由師（旅）級單位干部部門開具介紹信。軍隊院校應屆碩士畢業生經所在院校政治機關審批同意。
3、身體健康，體能達標，年齡不超過40周歲（1976年9月1日以后出生）。
4、在職干部須獲得碩士學位，其中本院在職干部報考工學博士須有被SCI或EI收錄的以第一作者發表的學術論文；應屆碩士畢業生須完成學位論文初稿，在中文核心期刊（含錄用通知）或國際會議發表2篇以上學術論文。
5、有兩名與報考學科相關的高職人員推薦。
三、報名手續
考生持公民身份證和軍官證（學員證）于2015年9月20日至30日到學院教學實驗綜合樓研究生招生辦公室（1127室）報名，外地考生可函報。報名時應提交：
1、填制完畢的《2016年報考攻讀博士學位研究生登記表》和《報考軍隊院校研究生政治審查表》（9月1日后，院內考生可從學院研究生處網站下載；院外考生可來電索要）。
2、已獲碩士學位者，提交碩士課程成績單、碩士學位論文及評閱意見書復印件；應屆碩士畢業生提交碩士課程成績單、碩士學位論文初稿、已發表學術論文版權頁或錄用通知。
3、碩士學歷、學位證書原件及復印件(應屆生于獲得證書后補交)。
4、檔案所在師（旅）級單位干部部門同意報考的證明信。
5、一寸正面半身免冠照片3張，報名費300元。
上述手續齊備，審查合格者發放準考通知，考生可于10月9日到研招辦領取《準考證》。
四、考試安排
博士研究生入學考試總分值為600分，包括六項內容：英語筆試、數學筆試、科研學術成果計分、碩士學位論文評分、專業綜合面試、綜合素質面試，每項內容滿分100分。
考試時間擬定于2015年10月11至12日，考試地點和具體安排詳見《準考證》。
五、其他
1、考生可于2015年11月初查詢錄取情況，入學時間為2016年3月份（詳見通知書）。
2、我院提供部分往年考試試題，考生可登錄學院研究生處網站下載。
六、聯系方式
聯系人：譚繼帥（參謀） 手機：13831189507座機：0311-87992123（地）；0221-92123（軍）
E-mail：tanjishuai@126.com 通信地址：河北省石家莊市和平西路97號研究生招生辦公室（050003）
招生專業目錄
專業代碼、名稱及研究方向
導師
專業綜合（面試）
數學（筆試）
080200機械工程
01機械性能檢測與診斷
張英堂
測試技術與信號處理
矩陣理論
02地面運載平臺維修理論與技術
張培林
狀態監測與智能診斷技術
03機械振動與沖擊防護
白鴻柏
振動理論
04機電液集成系統控制技術
何忠波
車輛工程
05機械制造及其自動化
倪新華
斷裂力學
080300光學工程
01軍用光電系統設計與應用
劉秉琦
陳志斌
應用光學、物理光學、光電測試技術
矩陣理論
02激光技術
沈學舉
激光原理及應用
03光學信息安全
光學信息技術原理與應用、光學信息安全
04微納光學
汪岳峰
光電子技術
080402測試計量技術及儀器
01測試性設計與分析
黃考利
測試技術
矩陣理論
02精密儀器與微系統
王廣龍
03裝備狀態監測與故障預測
李洪儒
測試與診斷技術
矩陣理論或應用數理統計
04網絡安全技術
王 韜
計算機網絡
081100控制科學與工程
01裝備測試與故障診斷
尚朝軒
測試與診斷
矩陣理論或應用數理統計
02火力與指揮控制理論及應用
全厚德
孫世宇
數字信號處理
矩陣理論
03武器系統建模與仿真
朱元昌
系統仿真
04電子裝備自動測試、故障診斷及可靠性
蔡金燕
測試與診斷
05目標識別與信息處理技術
王春平
圖像工程
06精確制導理論與技術
楊鎖昌
精確制導、控制與仿真技術
07無人機數據鏈抗干擾技術
陳自力
線性系統理論、數字信號處理
08目標探測與識別
馬彥恒
數字信號處理、現代控制理論
09飛行器控制
齊曉慧
線性系統理論
10無人機協同控制
李小民
現代飛行控制理論、導航控制技術
11無人機信息處理與傳輸技術
王長龍
數字信號處理
12非線性系統的穩定性與控制
徐 瑞
動力系統的穩定性理論
082600兵器科學與技術
01裝備輕量化技術
鄭 堅
火炮與自動武器原理、材料學
應用數理統計
02兵器試驗理論與技術
秦俊奇
火炮專業相關理論
矩陣理論
03裝備維修理論與技術
陶鳳和
火炮與自動武器原理、現代機械測試技術
04兵器性能檢測與診斷技術
房立清
機械裝備故障診斷與預測、武器系統裝備知識
應用數理統計
馮廣斌
火炮與自動武器原理、工程信號處理、現代機械測試技術
矩陣理論
05兵器結構動力學理論與應用
王瑞林
槍炮設計原理、振動理論、電磁場理論
06武器系統仿真與虛擬樣機技術
馬吉勝
振動理論、動力學仿真
07彈道學理論及應用
宋衛東
彈道學理論、制導理論與技術
08彈道修正理論與技術
彈道學、自動控制與導彈設計理論
矩陣理論或應用數理統計
09兵器性能檢測與故障診斷
唐力偉
振動理論
10兵器新材料技術
王建江
材料學
應用數理統計
11彈藥系統設計與試驗評估
高欣寶
系統仿真技術及其在信息化彈藥工程中的應用
矩陣理論
羅興柏
爆炸及其防護技術在彈藥保障中的應用
12彈藥保障與安全技術
安振濤
炸藥理論、彈藥保障及安全風險評估
穆希輝
彈藥保障
矩陣理論或應用數理統計
13信息感知與控制技術
齊杏林
彈藥引信論證、設計、試驗及評估理論與技術
14防護材料與特種能源技術
杜仕國
防護材料與特種能源技術及其在彈藥工程中的應用
矩陣理論
15電磁發射理論與技術
雷 彬
電磁場理論、測試技術
16武器系統建模與仿真
蘇群星
武器系統仿真與模擬器設計
17紅外圖像末制導技術
高 敏
彈道學、自動控制與導彈設計理論
矩陣理論或應用數理統計
18裝備維修保障理論與技術
賈希勝
石 全
康建設
趙建民
可靠性、維修性、維修工程
應用數理統計
朱小冬
可靠性、維修性、維修工程、建模與仿真
矩陣理論或應用數理統計
19裝備維修性理論與應用
郝建平
可靠性、維修性、維修工程、虛擬仿真
20電磁防護理論與技術
劉尚合
魏光輝
電磁場理論、微波與天線
矩陣理論
王慶國
大學物理、有機化學、固體物理、電磁場理論
譚志良
電子技術基礎、通信原理、微波與天線
21脈沖電磁場測試技術
朱長青
電路分析、電磁場理論和微波技術、數電模電
110900軍事裝備學
01裝備保障信息化
盧 昱
網絡信息安全保障
軍事運籌學
02裝備保障理論與應用
石 全
軍事裝備學、戰役基本理論
應用數理統計或軍事運籌學
于永利
可靠性、維修性、維修工程、建模與仿真
軍事運籌學
柏彥奇
高 崎
現代等離子體物理第一卷，湍流等離子體物理動理學
數值相對論計算機求解愛因斯坦方程
物理學家的隨機過程理解噪聲系統
量子信息和糾纏性的哲理
環境流體力學進展
聚合物的粘彈性力學基礎分子理論、實驗和模擬，第2版
天文問答指南
利用雙筒望遠鏡探索太陽系的奧秘
藥物設計
生態恢復
花圖式
大腦中的語言
利用人工神經網絡模擬感知
自然資源保護與管理中的分子方法
美容的神經生物學
空間認知與空間感知
評估自然資源
多媒體檢索數據管理
Event—B語言的建模
算法語言Scheme的第6次修訂報告
量子計算中的語義學技術
機械臂的自適應控制統一無回歸矩陣方法
稀疏圖像信號處理
機械和電子工程
偉大的工程師們
隨機調度
復值數據的統計信號處理
移動機器人分析學的更多的進展 第5屆國際ISAAC會議論文集
分析學的進一步進展 第6屆國際ISAAC會議論文集
線性算子方法 逼近與正則化
2008年Isehia群論會議文集
應用數學和計算數學的前沿
計算科學的最近進展
超流宏觀理論
高等凝聚態物理
量子雜談 微觀世界的魅力
從π介子到夸克 20世紀50年代的粒子物理學
非線性振動
非線性波
時間序列分析 社會科學家用的全面介紹
時間，空間，星系與人類 關于宇宙大爆炸的故事
彗星和生命起源
發現宇宙大爆炸)膨脹宇宙的發現
環境科學中的機器學習方法 神經網絡與核方法
世界上最大的濕地 生態與保護
有害污染物的科學管理
達爾文的短篇出版物1829—1883
物理生物學 從原子到醫學
達爾文筆記1836—1844
諾貝爾生理醫學獎專題講座2001—2005
陸蟹生物學
無標記生物傳感技術以及應用
傳感器與微系統 第13屆意大利學術報告會論文集
傳感器與微系統 第12屆意大利學術報告會論文集基本泛函分析
物理學及有關領域大學生用數學方法
伽羅瓦理論 第二版
變分法中的重積分
數論概要
解Pell方程
復雜的非線性 混沌、相變、拓撲變化和路徑積分
量子位勢論
導電物質量子理論 超導
自旋 Poincare研討會2007
結構系統的現代試驗技術
結構力學中的混沌
物質結構
激光材料加工原理 現代傳熱與傳質技術
超快強激光科學的進展 第四卷
相變材料 科學和應用
分析系統動力學 建模與仿真
微極亞塑性顆粒狀物體中的剪切局部化
天線和望遠鏡的建模與控制
將無人飛機系統集成到國家空域系統
動力學系統中的模型提取 用于移動機器人控制
臨床核磁共振成像及其物理學 指南
膠原蛋白 結構和力學
大型渦流模擬的質量及可靠性
信息系統開發、
移動多媒體廣播標準 技術與實踐
計算系統中的安全性
【關鍵詞】激光三角法 可控型水龍頭 光電轉換
微電子技術和傳感器已經成為二十一世紀信息社會的重要標志。隨著激光傳感器的廣泛應用及新型光電掃描與光電探測技術的不斷提高，工業、農業、家庭、軍事、醫學等應用領域的傳統方法得到了改善。激光傳感可控型水龍頭將激光位移傳感器與電子信號處理技術結合，應用在了水資源節約領域。市場上的傳統插卡式熱水龍頭在使用時難以估定水瓶內的水位，存在著極大的安全隱患和水資源浪費問題。該項日利用激光位移傳感技術檢測并定位水的高度，經過數字信號處理器將信號反饋到電子電路，自動切斷電源。和傳統插卡式熱水龍頭相比，基于激光位移傳感器的可控節約型水龍頭具有測量精度高、可靠性好、非接觸、自動化、安全等突出優點，有極重要的現實和環保意義。在前期的推廣中，這項技術先應用于學校水房保溫瓶水位的測試。隨著后期技術的成熟和市場的開發，可推廣向工廠水箱水位測定等更廣的領域，發揮更大的經濟和應用價值。
一、激光位移傳感器的研究現狀
現今光電技術的發展、微機的控制、數據的處理及PSD、CCD、四象限位移探測器的改善，使傳統的三角測量法有了廣泛的應用。具體包括質量的檢測、設備的維護、機械和生產自動化、流程和設備的監控等各個領域。
目前在國內，激光位移傳感的主要應用包括：對靈敏度和精確度的分析，如何提高其使用范圍以及位移、角度、同軸度的非接觸測量和校準領域。不過，我國對激光位移傳感器的研究仍處于實驗階段。國外很多專家對其做了大量的研究并取得成果。西班牙的研究者在三角激光位移傳感器的系統中，發現周圍的雜光對測量的精度有影響，并給出了相應的消除方法。目前，國內外有很多這樣的產品，廣泛地應用在軍事技術、航空航天、檢測技術等諸多領域。美國研制出紅外測溫傳感器，使其在惡劣的環境下仍能測量出飛行器各部分的溫度；城市的交通管理也運用紅外光電傳感器進行路段事故檢測和故障排除的指揮。總體來說，國外傳感器的測量范圍大，線性度好，分辨率高，穩定性好。國內對激光位移傳感器的研究雖不及一些歐美國家，但是卻在研究的種類上屢創新奇。
二、激光三角測量技術的原理
激光三角測量法是指從光源發射一束光線到被測物體表面，在另一方向通過成像觀察反射光點的位置，成像位移和實際位移存在一定的換算關系，通過這個關系式可以計算出被測物體表面的實際位移。由于入射光和反射光構成一個三角形光路，因此被稱為三角測量法。按照入射光線與被測物表面法線的關系，可分為直射式和斜射式。本項研究采用的是直射式激光三角測量法。
如圖l所示，激光發射器發射出一束光線到熱水瓶水面形成光斑，光線在表面發生反射后，從另一個方向通過成像透鏡，光斑成像在CCD位置傳感器上。隨著熱水瓶水面高度的變化，反射光的角度在發生變化，光斑成像也隨之發生位移。設光斑在CCD成像面上相對位移為X’，被測表面（即水面高度）的實際位移為X，則兩者關系如下式：
在傳感器的選擇上，本項研究選用的是CCD激光位移傳感器。目前應用于激光三角法測距的光接收元件包括：CCD（Charge-c.oupled Device，光電耦合器件）和PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感元件）。PSD是基于橫向光電效應來實現光能、位置的轉換，CCD是一種新型光電轉化元件，主要由光敏單元、信號輸入單元和信號輸出單元組成。CCD以電荷作為信號，實現電荷的存儲、轉移和檢測。與PSD相比，CCD具有輕便、體積小、耗能小、精度高、穩定性好、時效性高等特點。基于上述考慮，最終選定了CCD激光位移傳感器。
三、基于激光位移傳感器的可控型水龍頭系統結構
本項目研究的激光位移傳感器硬件系統包括：激光電源、半導體激光器、線陣CCD驅動電路、輸出信號的處理系統、單片機測量系統和水龍頭閥門控制系統。如圖2所示為激光位移傳感器的可控型水龍頭系統的總框圖。
3.1 光源的選擇
激光器有很多種：氣體激光器、固體激光器、半導體激光器等，氣體激光器單色性和方向性好，但體積和重量大，需要外部高壓電源，不易安裝在小型光學測頭上。半導體激光器具有超小型、高效率、電壓低、電能轉換率高、便于安裝等優點。激光光束在傳播中存在散射，當測量目標越遠，光能量分布不均勻，從而導致誤差出現，半導體激光位移傳感器可以進行體積小的短距離測量。
3.2 線陣CCD驅動電路
目前，應用于激光三角測距系統的光接受元件主要有兩種：CCD――光電耦合器件和PSD――位置敏感元件。本測距系統設計中采用精度高、穩定性好的光電耦合器件CCD作為光電探測器，根據被測物體的移動距離，間接進行測量。
3.3 輸出信號的處理系統
圖像采集后，CCD輸出的信號疊加了較大的干擾噪聲，所以要先經過預處理電路后在進行二值化處理。預處理即是將CCD輸出進行前置放大后進行濾波處理，放大電路將微弱的信號放大同時干擾的噪聲信號也得到了放大。
所以經過低通濾波器將放大電路處理后信號中的高頻成分濾除，常用低通濾波器包括：三角濾波法、高斯低通濾波器、中值濾波器等不。最后將輸出的信號送入電壓比較器進行二值化處理得到穩定的數字信號。最后將數字信號送到單片機系統進行脈沖計數就能得到像點位置信息。系統將計算后的結果顯示在顯示器界面上。
3.4 水龍頭閥門控制系統
在理想條件下，熱水瓶的高度為H，由上述系統測出水面高度為X，當x的值接近L時，系統通過反饋電路來控制水龍頭的閥門。
四、結束語
激光三角法采用非接觸測量，以其實時性強、精度高、對被測物體表面沒有特殊要求等優點得以廣泛應用，本論文利用直射式激光三角法，對系統的結構參數和所選器件做出了合理的設計和選擇。論文的主要工作包括以下幾個方面：
（1）通過對激光測距系統在國內外的發展現狀研究，并結合本系統情況，確定了本系統的測量原理。
（2）數據采集：令熱水瓶的高度是定值H，從光源發射一束激光到被測物體（上升水面）表面，在另一方向通過成像觀察反射光點的位置。通過線陣CCD對光電信號進行采集，從而計算出水面到瓶口的距離X。
（3）信號處理將采集到的數據經過濾波放大電路處理，然后將輸出的結果由模擬信號轉化為數字信號，最后將信號送人單片機系統。
（4）數據結果輸出：通過單片機的計算被測物體的位移量，當X-H趨近于零時，將其距離顯示在顯示器界面上，通過電路控制水龍頭閥門的關閉。
后期工作展望：
關鍵詞：接觸網；受電弓；系統響應；接觸壓力；拉出值；硬點；接觸線高度；激光測距
中圖分類號：U226 文獻標識碼：A
在電力機車的運行過程中，受電弓在接觸懸掛下高速滑動運行，從動力學角度，表現出弓網接觸壓力的作用和受電弓滑板產生橫向振動的動態響應，如圖1表示。
圖1 系統信號分析框圖
目前國內外廣泛采用弓網接觸壓力直接測試方法。但在高速運行時，測量信號容易受到弓網接觸振動造成的電磁火花的干擾；附加的壓力傳感器，增加了滑板重量，改變了滑板的外形，使受電弓的穩定性和安全性受到影響。
本論文提出的測試方法（圖2），是在車頂并排對稱安裝多個激光測距傳感器，通過測試受電弓滑板底部橫向振動位移，從而，計算弓網接觸壓力、拉出值、弓網沖擊（硬點）和接觸線高度等動態參數。
圖2 受電弓滑板響應測試模型
1 弓網接觸響應測試原理
滑板在弓網接觸運行中的振動，可近似認為是兩端固支的滑板彈性梁的橫向彎曲振動、兩端彈性支撐的滑板剛梁上下傳動和平面轉動的復合運動。滑板彎曲振動模態則可以用歐拉-伯努利梁求解。圖2中表示作用在滑板梁的第個節點的弓網接觸激振力，其作用的不同位置示意接觸線拉出值的變化。表示放置于車頂平面對準受電弓滑板底部第個高速激光傳感器的位移測量值，其動態響應關系用傳遞函數可表示成如下矩陣形式：
（1）
（1）式中可通過單位沖擊響應的數字計算得到，于是，根據卷積原理，弓網接觸壓力可表示如下：
（2）
由各激光傳感器測試的離散位移信號，可實時得到弓網沖擊加速度，導線高度和拉出值，表示如下：
（3）
（4）
（5）
上式中為車頂傳感器的基準高度，為激光傳感器的個數，為激光傳感器的分布序號，表示各激光傳感器幾何位置對稱加權系數。
2 滑板梁的動力學分析
將圖2的模型分解為一個兩端固定支撐的受電弓彈性滑板梁和一個兩端等剛度彈性支撐的受電弓剛性滑板梁。先分別求出各自的動態響應，然后在靜平衡位置的軸上的同一點對橫向響應位移進行疊加。
2.1 受電弓滑板剛梁在平面內的振動
設支撐彈簧剛度為，滑板剛梁長度為、線密度為、質量為、質心為，滑板剛梁繞質心的轉動慣量為，取質心的橫向位移及滑板剛體繞質心的角位移作為廣義坐標（），對滑板進行受力分析，建立受迫振動微分方程如下：
（6）
（7）
令，由此求得剛梁橫向振動的固有頻率和剛梁繞質心轉動的固有頻率為：
（8）
（9）
采用Duhamel積分法求解（6）式和（7）式，由圖3知當弓網接觸力在處作用時，滑板剛體處由橫向振動和繞質心轉動產生的復合橫向振動位移可表示如下：
（10）
2.2 受電弓滑板彈性梁彎曲振動振型函數
以兩端固定支撐的滑板彈性梁在橫截面對稱平面內的橫向位移作為廣義坐標，并設梁的線密度為，抗彎剛度為EI，受力分析如圖4所示。根據達朗貝爾原理和力矩平衡原理可得到滑板梁橫向振動的四階齊次偏微分方程：
（11）
對（11）式用分離變量法求解并應用克雷諾夫函數可得滑板梁固有頻率的計算公式和橫向彎曲振動振型函數：
（12）
（13）
為計算方便，振動滑板梁的計算參數取值如表1所示。
由此求得1階模態的固有頻率為94.5Hz，2階模態的固有頻率為258Hz，3階模態的固有頻率為505Hz，4階模態的固有頻率為829Hz。
（13）式中可以是任意常數。只要將各階固有頻率對應的的值代入該式，即可求得滑板彈性梁橫向彎曲振動的各階相應的主振型。
2.3 受電弓滑板彈性梁動力沖擊響應 （見圖5）
在滑板梁的處，假設有一弓網接觸壓力作用，自由振動運動方程可得到：
（14）
滑板均勻彈性梁的振型函數為式（13），將主振型正則化，利用其正交性特點，可得：
（15）
設各階固有頻率為，主振型為，1，2，3，….則彈性梁動力響應可用模態疊加（坐標變換）表示為：
（16）
利用主振型正交性質，由杜哈美（Duhamel）積分法求解得：
（17）
將式（17）代入式（16），可得滑板彈性梁原廣義坐標的響應：
（18）
3 用數字計算方法求響應矩陣和傳遞函數矩陣
為了求式（1）中的傳遞函數矩陣[]，必須先求下式（19）中的響應矩陣[]。
（19）
傳遞函數矩陣[]和響應矩陣[]的關系為：
（20）
基于系統響應分析數字計算步驟如下：
（1）如圖2所示，先假設在滑板上從左到右第一個確定的輸入節點上作用一個確定的弓網沖擊接觸力，通過式（10）和式（18），分別計算各激光傳感器對應位置的位移響應值、、…、。通過下式：
（21）
即可計算出。
（2）其它矩陣元素的計算方法同上，即通過下式可計算得到。
（22）
（3）由式（20）計算[]。
（4）由式（1）和式（2）計算。
（5）由式（3）、式（4）、式（5）分別計算接觸網幾何參數和動力學參數。
4 響應測試系統仿真
對圖2所示的響應測試模型進行仿真，假設對稱配置5個激光測距傳感器，測試受電弓滑板底部-0.4m，-0.2m，0m，0.2m，0.4m 等5個點的位移，如圖6所示，取2.5，取1720Nm2，取0.8m，取2500 N/m 。
假設依次在受電弓滑板上-0.4m，-0.2m，0m，0.2m，0.4m的地方垂直向下施加110N的弓網接觸壓力，通過式（10）和式（18），分別計算各激光傳感器對應位置的位移響應值、、…、。通過式（21）計算，可得到響應關系矩陣式（23）。
由上式D矩陣求逆，可得到傳遞函數矩陣如式（24）。
如果還是用150N的弓網接觸壓力，在-0.4m和-0.2m，的地方垂直向下施加，并由此得到，再將代入式（2），反過來求得接觸力為150N；如果還是用110N的弓網接觸壓力，在-0.25m的地方垂直向下施加，并由此得到，再將代入式（2），反過來求得接觸力為98.77N，誤差為10%，該誤差主要由激光傳感器的配置位置造成。
如果用150N的弓網接觸壓力在受電弓滑板上-0.4m 處垂直向下施加，如圖7（a）所示，傳感器各點位移響應如圖6（a）所示；在-0.2m、0m、0.2m、0.4m處施加，力的作用圖（圖7（b）-（e））與位移響應圖（圖6（b）-（e））一一對應。
由此可見，采用傳遞函數計算方法的仿真與實際情況基本相符。
結語
基于系統響應原理測試高速鐵路接觸網動態參數的方法，其重要意義在于將測試傳感器完全從受電弓滑板上撤離下來，這是高速鐵路接觸網車載動態測試追求的目標。如果采用圖象處理和激光雷達等非接觸式檢測方式，由于其掃描周期和處理時間的限制，使得該方法從原理上無法實現對弓網高頻動態特性的測試。在實際應用中，作者認為必須在實驗室直接測試數據，然后對數據進行回歸分析，校正核實計算模型。
參考文獻
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量子力學的成功和困惑
用宏觀物理學的方法研究原子的性質及其相互作用時，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質以及少數粒子的相互作用，一直是就是物理學家夢寐以求的事。隨著實驗技術的發展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發明和在這以后激光技術的發展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實驗技術和實驗方法有了極大的發展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實現了利用特殊的電磁場來陷俘單個原子或離子。物理實驗技術的進展使研究單個或少數幾個粒子的性質、深入研究光子和物質粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應用的廣闊前景，還為證實和發展量子物理學的基本原理提供了實驗基礎。
量子力學已有100多年歷史，量子力學理論取得了輝煌的成功。現代的高科技產品，如計算機芯片、激光、醫用磁共振等等無不是在量子力學理論基礎上發展起來的。量子力學被認為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學的基本原理始終存在著疑問，那些創立量子力學的物理大師們自己都不滿意量子力學的基本假設。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關于量子力學的理論基礎是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結論。
量子力學描寫微觀世界的規律，但人類的直接經驗都是關于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經典物理學中，觀察不影響被觀察對象的運動狀態，例如，我們能夠觀察一個行星的運動，追隨它的運動軌跡，行星的狀態變化與觀察者無關，不受我們觀察的影響。可是，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當我們研究一個量子體系時，經過測量后的量子體系原來的狀態總是被破壞了。例如，光子進入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態就改變了。宏觀儀器對量子系統測量的結果，都必須轉換為經典物理學的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質是難以做到的事情，所以，量子力學所預言的量子世界的奇特性質一直令物理學家和公眾感到神秘難解。
2012年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，突破了經典物理學實驗和人類直接經驗的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進行實驗測量，研究量子力學的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應用前景。
阿羅什：把光子囚禁起來
阿羅什畢業于法國高等師范學校。1971年他在巴黎第六大學獲得博士學位，導師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學獎得主。從20世紀60年代開始阿羅什就在法國高等師范學校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實驗室是以獲諾貝爾物理學獎的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學，在諾貝爾物理學獎獲得者肖洛的實驗室中工作。
阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實驗室特有的學術環境和物質條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準備新課的過程中他注意到了光和物質相互作用的不同方面。阿羅什認為，國際交流學者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學文化以補充他們自身的不足。他覺得幸運的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強地提出可能的應用前景作為依據。
阿羅什小組的主要成就是發展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉換為電流（光電探測器）或轉化為化學能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉化為神經的電脈沖的）。總之，光子被測量到后立即消失。近半個世紀以來，雖然人類發展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復測量記錄同一個光子。
光的速度非常快，達每秒30萬公里，所以要控制、測量單個光子，必須將光子關閉在一個小的區域內，并使其在足夠長的時間內不逃逸或被吸收。阿羅什小組實驗成功的關鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機會非常小。空腔由兩個凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個設備安置在絕對溫度1度以下的環境中。一個微波光子在腔中停留時間可達十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當于繞地球一周。可以說阿羅什小組創造了限制在很小的有限體積內的光子壽命的世界紀錄。
阿羅什小組的另一項創造性貢獻是利用利用里德伯原子作為探測器，實現非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數37）原子，把它的價電子激發到第50層的圓形軌道上（主量子數n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據的最外層軌道為n=5；當它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時，原子的半徑達到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。
瓦因蘭德：讓離子停下來
瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業于美國加利福尼亞大學伯克利分校；1970年在哈佛大學獲博士學位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實驗室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關激光致冷的開創性論文，被學術界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。
1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業部的美國國家標準與技術研究所工作。在那里，他創建了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學獎。他是15年來美國國家標準與技術研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。
制造量子計算機的建議方法有多種，許多科學家正在對不同的方案進行實驗研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個相對的電極和一個環形電極，離子由激光束控制。
在常溫下，原子運動的平均速度為每秒數百米，以這種速度運動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運動速度才能變得很小。可以利用激光使離子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當然，原子或離子吸收了光子又要再把它發射出去，發射光子時原子也要受到反沖。但原子或離子發射光子的方向是隨機的，各種方向都有，結果反沖效應平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內部的能量狀態耦合起來，形成復雜的能級。在適當頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內部能量最低的狀態，同時帶動離子振動能量的變化。在適當控制的條件下，重復這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量達到最低的量子狀態，離子近于完全停止。這時，離子就可以隨意操控了。
瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門（Controlled NOT）。當然可控非門只是最簡單的量子計算機的元件，一臺能工作的計算機需要多得多的元件，離制成實用的量子計算機還非常遙遠。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內的許多科學家正積極研究，攻克難關，希望在本世紀內將量子計算機研制成功。
瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗量子力學基本原理，如進行“薛定諤貓”的實驗。
不為盛名所惑
阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實驗室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩定的研究小組，還有許多優秀的學生和合作者，其中包括外國的訪問學者。在他們的諾貝爾獎報告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學生、博士后和訪問學者也做出了貢獻，強調成績是大家努力的結果。
瓦因蘭德和阿羅什也有一點很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應用目標，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠的應用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應用目的。不過，即使在法國高等師范學校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標準與技術研究所本身就具有明確的實用目標：促進美國的創新和產業競爭能力，開創新的測量科學，推進美國的技術水平。該研究所的研究都是目標長遠，技術含量高，能在世界上領先的項目。這些項目實際上都是結合遠期應用的基礎性研究。
瓦因蘭德和阿羅什還有一個共同點，就是除了做研究以外，都在大學教課。阿羅什認為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學生的角度來看，能聽到優秀的科學家講課，和他們直接交流，不僅能學到當今前沿的科學知識，還可以學習到優秀科學家的治學精神和思想方法。
榮摘諾獎桂冠是否改變了科學家本人的生活呢？據英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息。
“我很幸運，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“（接到來電時）我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當我看到是瑞典的來電區號，我意識到這是真實的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋。”
不過據諾獎官網的推特稱，阿羅什接到獲獎的確切消息后，打了個電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實驗室工作去了。
（作者單位：復旦大學物理系）
阿羅什小組設備示意圖
[關鍵詞]軸子；量子色動力學；光子靜質量效應
[中圖分類號]E933.43 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）05-0009-01
1軸子、光子相關理論簡介
本文首先簡述了關于軸子和光子的理論，以方便研究軸子和光子的相關理論，進行相關實驗。
1.1量子場論
量子場論是以量子力學原理等為基礎，一種解釋了微觀物理學的理論。量子動力學具有悠久的歷史，也比較成熟。他研究的內容主要是電磁場和帶電粒子的相互影響的情況以及這種相互影響的量子性質、帶電粒子相關活動等。它還對相關高精度實驗進行了分析。
我們所生存的世界中存在著許多量子場系統。粒子的生成或消失取決于量子場的情況。所渭真空就是指量子場中的能量處于一種最低狀態。與其他激發態相比較，這種最低態指的是不存在任何粒子的狀態，可是，真空中存在著許多量子場，并時時刻刻運動，即物理學中所謂的真空零點振動，該點對應的能量則稱為真空零點能。在這種情況下，若能夠使量子場不再擴散到更大的空間中去，而它所在的較小的空間的大小出現改變時，此量子場產生的零點振動能也會出現較小的改變，即得出了著名的卡西米爾效應。
1.2對稱性和守恒律
對稱性和守恒律在物理學中有著非常重要的地位。物質的情況及其運動特點在對稱變換時所展現出的固有性質就是對稱n生。如果物體的運動及其能量最低態具有對稱性特點，則其相應的物理量均守恒。物質在運動過程中都滿足守恒定律。
1.3規范場和規范玻色子質量
規范場是一類物質場，它與相關規律的固定性聯系很大，規范玻色子指的是一種場量子。電磁場也是常見的規范場。其不變性對周總耦合形式的形成有很大的影響。規范場的量子就是規范玻色子，也使其相互影響。因為規范對稱性的規定，規范場的相關量中沒有規范場的質量項，它會影響規范對稱性。當相應的規范玻色子質量為零時，這說明其對應的作用是長程力。
2強場激光偏振法探測軸子實驗簡述
二十世紀末，世界著名大學羅切斯特大學的一位博士和一些學術專家在美國國立實驗室做了該實驗。他們通過變更激光射向強磁場偏振方向的方式，來探測軸子。下面著重研究光子非靜止質量的相關情況。
強場激光偏振法探測軸子實驗，指的是研究軸子與光子的電磁耦合作用。有相關效應可知，當一束線偏振光出現于強磁場時，而與磁場正交的分量則與磁場相互作用生成新的軸子，所以，此分量的幅值就會降低，進而造成其偏振方向會與原偏振方向有一定的角度。二十世紀末，有一些博士和專家就在這一理論的基礎上來探測肘子。
該實驗體系由三部分組成，一是強磁場；二是光學系統；三是橢圓偏振檢測系統。強磁場主要是生成新的軸子，磁場是通過超導偶極磁體形成的。還有其他物體如起偏器等，其光軸方向與磁場方向須有一定的夾角，如此方能滿足實驗的要求。
實驗時，首先在某一橫向磁場中引入一束線偏振光，激光先經過隔離器到達起偏器，其光軸方向與磁場方向會有一定的夾角，而后會產生一定角度的線偏振光，接著射進光學反射腔，最后又到達檢測區，反射腔位于磁場區中，一旦磁場中形成新的軸子，則反射腔發出光線，其偏振狀態會有一定的改變。實驗對變化的激光偏振方向夾角進行分析，以達到探測軸子的目的。
光首先進入反射腔，射出后又進入法拉第盒，并得到其一定的調制，如此有利于避免不必要的非線性項，隨后射到檢偏器上，需要說明的是，它和起偏器一樣也是偏振晶體，二者的光軸方向是正交的，結果發出的光電信號傳到光電二極管，并在此處被檢測出。我們要想了解該偏振光的橢圓率，可以把一定規格的波片放在法拉第盒的前邊，這樣就可以通過測量偏振方向的變化來得出該橢圓率。
3光子靜止質量為零時的實驗分析
由相關效應知，當線偏振光經過較強磁場時，與磁場正交的分量在與磁場相互作用的過程中形成軸子。有量子動力學理論可知，光子主要來源于激光束，并在強磁場的影響下，形成了軸子。磁場中的場強張量存在于一定區域的總電磁場中，它包括兩部分，一是外部產生的強磁場；二是由激光束產生的電磁場場強。
因為Primakoff效應中的光為外磁場平行的部分時才能形成軸子，但和外磁場正交的部分卻未出現任何改變。二十世紀末期，有一些專家教授根據相關理論和原理，并采用相應的方法來探測軸子。當激光經過一個非縱向的磁場區時，其偏振方向則會與磁場形成一定的角度，約為45度。發出的激光的偏振方向與原方向也會形成相應的角度。
4光子靜止質量不為零時的實驗分析
從一些圖書資料中可以查知，愛因斯坦在狹義相對論中提出了兩個基本假設，即所謂的光速不變和相對性原理，它對現代物理學的發展起了巨大的推動作用。光子靜止質量上述假設中的觀點。物理學是建立在實驗的基礎上的，因此，只有進行科學的實驗才能得出正確的理論。我們可以從電動力學中得出光子靜止質量為零時的電磁場的密度等參數。由此密度推導出電磁場的運動方程。當光子靜止質量為非零時，瑪克斯韋爾電磁場必須把其靜止質量項考慮在內。然后才能對其進行獨立地光子靜止質量研究。實驗中測得的角度與磁場區域長度呈線h生關系，為方便探測，在實驗中安裝了反射鏡，使激光循環反射，從而增強了相應的測量效應。
結束語
軸子是一種假定的粒子，它是為了說明量子色動力學中的強CP問題，人們很青睞這種冷暗物質粒子。軸子一旦被發現，其意義非凡，否則，就不可能存在軸子模型，我們也就找不到解決強CP問題的具體方法，這要求我們另尋其他方式方法。本篇論文簡要介紹了其相關理論和一些模型，還有現在探測軸子的一系列實驗。此外，我們經過一番理論分析后，得出了軸子和光子的相關參數及關系式，從而推導出并得出軸子質量限。
關鍵詞：邁克爾遜干涉儀; 異常現象; 調節.
1.引 言
邁克爾遜干涉儀是光學實驗中的重要儀器，許多現代被廣泛利用的計量儀器，比如泰曼–格林干涉儀、傅里葉變換光譜儀、接觸式干涉儀、干涉顯微鏡、激光測長儀等，都是基于邁爾爾遜干涉儀的基本原理改進制成的，具有結構簡單、精確度高、光路直觀等優點[1]。多年來利用邁克爾遜干涉儀測量激光波長及光源的相干長度是國內理工類高校普遍開設的一個物理實驗。
邁克爾遜干涉儀由一個傾角可調可移動的平面鏡、一個傾角可調的固定平面鏡、一塊底面鍍有半反半透膜的分光板、一塊跟分光板具有相同厚度而沒有鍍膜的補償板、一個觀察屏、底座、主尺、粗調手輪和細調手輪組成。只要有關微小位移、微小角度的測量，原理上都可以用邁克爾遜干涉儀測量完成。實驗室中除了可以測量激光的波長、鈉光燈的相干長度，還可以用來測量透明物體的折射率[2]和細鐵絲的楊氏模量[3]。
在目前報道的文獻中，據我們所知，有關異常現象分析的基本都局限于對現象的報道及有關軟件對干涉現象的模擬[4-6]，而對所形成的物理原因幾乎沒有涉及，本論文首先針對本科生在邁克爾遜干涉儀調節過程中經常出現的平行直線和橢圓干涉條紋這兩種異常干涉現象給予相應的物理解釋，然后指定出一份邁爾爾遜干涉儀的調節細則，有助于本科生在短時間內調出清晰的圓形干涉條紋，極大的提高邁克爾遜干涉儀的教學效率。
2. 異常干涉條紋及相應的物理分析
邁克爾遜干涉儀的兩種常見的異常干涉條紋是“平行”直線條紋和橢圓形條紋，下面我們介紹這兩類異常現象形成的物理原因。
2.1 “平行”直線干涉條紋
在實驗室中，我們常看到一類近乎平行的條形干涉條紋。通常人們認為這是由兩個平面鏡的不垂直而產生的等效楔形平板形成的等厚干涉條紋，而本論文認為實驗所觀測到的平行直條紋仍然是等傾干涉條紋，只是因為邁克爾遜干涉儀的兩個平面鏡稍有不垂直而導致干涉條紋的中心不在觀察屏的中心，再加上兩束光的光程差比較小，故干涉條紋半徑較大，從而使得看到的條紋比較像平行的直條紋。
比較等傾干涉和等厚干涉的實驗原理，不難發現，等厚干涉條紋的形成需要保證到達楔形板前的光是平行關，這樣條紋明暗才能反映出楔形板不同厚度的干涉情況。而對于邁克爾遜干涉儀，我們使用的是半導體光源，其在楔形板前的光波是球面波，因此，實驗中所觀察的“平行”直線干涉條紋本質上仍然是等傾干涉圓條紋，只是該圓條紋的中心偏離觀測屏比較遠而呈現出來的一種干涉現象。
2.2 橢圓干涉條紋
橢圓形條紋形成的原因比較多，下面分別分析其形成原因。
2.2.1 可移動平面鏡垂直于固定平面鏡，但觀測屏與可移動平面鏡不平行
當邁克爾遜干涉儀的兩個平面鏡嚴格垂直，但是觀測屏不平行于可移動平面鏡時，觀測屏上的干涉條紋會變成一個以水平方向為長軸、豎直方向為短軸的橢圓。這是因為由兩個虛光源發出的兩束錐形區域的球面波發生干涉，其干涉區域也應該是一個錐形的區域，所以當觀測屏與可移動平面鏡不平行時，會看到橢圓形的干涉條紋。
2.2.2 觀測屏與可移動平面鏡平行，但可移動平面鏡不垂直于固定平面鏡，
當邁克爾遜干涉儀的觀測屏平行于可移動平面鏡時，但兩個平面鏡不能嚴格垂直時，也會在實驗中觀測到橢圓形的干涉條紋。這是因為激光光源在這兩個平面鏡中所呈現的兩個虛光源的連線不與觀測屏垂直，而是成小于90o的夾角，這樣以來，兩個虛光源所形成的錐形干涉條紋在觀測屏上將呈現出橢圓形狀，該形成原因本質上和2.2.1類似，都是由于觀測屏不與兩個虛光源所形成的干涉區域底面垂直而引起的一種實驗現象。
這里，我們強調造成兩個虛光源的連線與觀測屏不垂直的原因主要有三個，其一，實驗過程中由于調節精度所限，難以使兩個平面鏡的垂直度很高，其二，實驗過程中分光板和平面鏡之間的角度發生了改變，即不是45o的夾角，其三，分光板和補償板不嚴格的平行。
2.2.3 可移動平面鏡和固定平面鏡所形成的兩排光斑錯重合
理論上講，我們應分別選取每排光斑中最亮的光斑，然后使其相互重合，但是在通過肉眼觀測時，往往很難分辨每排光斑中哪個光斑最亮，因此，很容易選錯最亮的光斑而導致錯重合。
3. 邁克爾遜干涉儀實驗調節細則
根據上述異常條紋出現的物理分析，我們制定了一個邁克爾遜干涉儀測量激光波長的實驗流程如下：
(1) 實驗前檢查
(a) 檢查兩個平面鏡的兩個水平和豎直調節螺絲是否可以調節，并將調節旋鈕上黃銅螺帽旋到最外側；
(b) 檢查分光板到可移動平面鏡和分光板到固定平面鏡的距離是否相等，如不相等，請用粗調手輪調至相等位置；
(c) 檢查分光板和補償板是否平行，并檢查者兩塊板有無放反；
(2) 圓形干涉環調出
(a) 使用水平和豎直調節旋鈕調節可移動平面鏡，使其與觀測屏相互平行；
(b) 將激光器的光強調到最弱；
(c) 移開觀測屏，透過分光板向可移動平面鏡方向觀察，會觀察到兩排光點，調節固定平面鏡的水平和豎直調節旋鈕，使得兩排光點上下各自最亮的兩個光點重合；
(d) 放上觀測屏，增加激光器的光強;
(e) 若此時觀察到橢圓的條紋，或者共軛雙曲線條紋、或者條紋不清晰、或者干涉條紋半徑很小，可能原因是最亮的光斑錯了，這時重新回到(b)步驟，換一個光斑進行嘗試。
依上述調節方案，可使本科生在短時間調出清晰的圓形干涉條紋。
4. 總 結
本論文首先分析了邁克爾遜干涉實驗過程中平行直線和橢圓形干涉條紋的形成機制，并制定了一份邁克爾遜干涉儀測定激光波長的調節細則，經過4個班級的實驗證明，此調節細則可極大縮短了本科生調出清晰、易讀的圓形干涉條紋所需時間。
參考文獻
[1] 陳玉林, 徐飛, 丁留貫. 大學物理實驗[M]. 北京: 科學出版社, 2013, 5: 269-275.
[2] 張靜，邁爾爾遜等傾干涉法晶體折射率測量方法研究[D]. 山東: 山東大學, 2009: 12-18.
[3] 閆凱，池紅巖，韓仁學，利用邁克爾遜干涉儀測楊氏彈性模量的方法[J]. 實驗科學與技術, 2014, 12(5): 31-32.
[4] 樊俊義，張麗珠. 邁克爾遜干涉儀調節中的故障處理[J]. 實驗室科學, 2008, 4: 141.
[5] 柯紅衛，張寶穎，楊嘉. 邁克爾遜干涉儀產生特殊干涉條紋的原因[J]. 物理實驗, 2007, 27 (1): 34-35.
