圖6-22　LED燈珠陣列動(dòng)態(tài)方向指示

圖6-23　實(shí)物外觀圖

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)到處充滿煙霧，其減光性使環(huán)境昏暗、能見(jiàn)度低，而且煙霧的散射也使常規(guī)光源難以穿透，不能形成良好的照明及指示。以激光為光源的消防應(yīng)急激光導(dǎo)向器是一種新型的應(yīng)急疏散指示標(biāo)志燈。激光具有單色性、指向性、高能量和超高亮度等特性。一般條件下，開(kāi)啟激光后只能看見(jiàn)激光管發(fā)光點(diǎn)和射到障礙物后形成的光斑，這是因?yàn)榭諝廨^為干凈，懸浮顆粒較少的緣故，反之當(dāng)空氣中較臟或有煙霧時(shí)，我們就可以看見(jiàn)一條光束，這是因?yàn)榧す馍溥^(guò)懸浮顆粒時(shí)，顆粒表面反射了激光，可產(chǎn)生理想的局部高照度。憑借激光的單色性，光束能極好地區(qū)別于其他光色；它的指向性使光束準(zhǔn)直，射程極長(zhǎng)；高能量和高亮度使光束能穿透煙霧，非常醒目，使逃生者更容易識(shí)別疏散走道，迅速而安全地找到最終出口。

為此，公安部上海消防研究所研究了基于激光的疏散誘導(dǎo)技術(shù)。其利用了激光在任何情況下仍具有的良好的穿透性能，使激光器件發(fā)出的光透射全息衍射透鏡，在煙霧環(huán)境中形成有指向作用的、醒目的各種消防應(yīng)急標(biāo)志的圖標(biāo)，在事故現(xiàn)場(chǎng)為逃生的人員導(dǎo)引出口或安全的方向，實(shí)現(xiàn)安全、及時(shí)、有效的疏散。

1.激光器選擇

激光器是消防應(yīng)急激光導(dǎo)向器的重要部件，選擇合適的激光模組需要在激光發(fā)射功率、耗電量及安全范圍等方面做均衡。 目前，可供選擇的小功率激光模組很多，功率從2.5～500 mw，其中根據(jù)激光對(duì)人體的危險(xiǎn)度分類(lèi)，Class Ⅲ A級(jí)為可見(jiàn)光的連續(xù)激光，輸出為1～5mW的激光束，Class Ⅲ B級(jí)為5～500 mW的連續(xù)激光，直接在光束內(nèi)觀察對(duì)眼睛有危險(xiǎn)。但皮膚照射最小距離為13 cm，最大照射時(shí)間10 s以下為安全。因此，出于安全方面的考慮，最好應(yīng)選用Class Ⅲ A級(jí)的激光模組（即功率輸出功率1～5 mW）；但由于我們采用的是全息衍射原理，激光在通過(guò)衍射片后會(huì)有很大的衰減，而不是直接全功率輸出，因此可適當(dāng)放寬限制，選用Class Ⅲ B級(jí)的激光器。總的原則是通過(guò)衍射片后的輸出功率應(yīng)控制在5mW以?xún)?nèi)。

激光器按工作介質(zhì)可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器等。綜合考慮各類(lèi)激光器的特點(diǎn)，同時(shí)出于后期產(chǎn)品化時(shí)成本等原因，選用半導(dǎo)體激光器比較合適。根據(jù)《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)》（GB17945—2010）中第5.1.3條規(guī)定：“標(biāo)志燈標(biāo)志的顏色應(yīng)為綠色、紅色、白色與綠色相結(jié)合、白色與紅色組合四種之一。”在半導(dǎo)體激光器中，可供在消防應(yīng)急指示標(biāo)志上使用的顏色應(yīng)為紅色和綠色，因此可選擇波長(zhǎng)為543 nm的綠光激光器件，或波長(zhǎng)為633 nm的紅光激光器件。

2.全息衍射片的設(shè)計(jì)

1）制作激光全息光柵

在制作激光全息光柵時(shí)把激光束分成兩路，一路光經(jīng)反射、擴(kuò)散和準(zhǔn)直等過(guò)程形成一束平行光作為參考光照射到全息干板（一種全息記錄材料）上，另一束光經(jīng)反射擴(kuò)散后照射到帶有“箭頭”形狀的透明標(biāo)志（物體）上，透過(guò)標(biāo)識(shí)的光束作為物光波散射照到全息干板上。物光波帶有“箭頭”標(biāo)志的物體特征信息，參考光波與物光波夾角為30°，并相互干涉，且干涉以后的光波在干板面上的光強(qiáng)分布按余弦規(guī)律變化。

全息記錄介質(zhì)有許多種，此處采用專(zhuān)用的薄形干板作為記錄介質(zhì)。在由分布的光強(qiáng)照射（即曝光）后，全息干板經(jīng)過(guò)特定的顯影等化學(xué)處理，形成透明的位相型透射全系光柵。由于在曝光時(shí)，在鋼板表面上光強(qiáng)按余弦規(guī)律（呈條紋狀）大小變化，使干板上不同部位的曝光強(qiáng)度按同樣規(guī)律變化，經(jīng)顯影等化學(xué)處理后，全息干板上光照強(qiáng)的部位和光照弱的部位的物質(zhì)密度也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致相應(yīng)部位的光學(xué)折射率也發(fā)生變化，最后形成了使折射率按余弦規(guī)律變化的密集條紋型光柵，即全息光柵。

2）全息衍射再現(xiàn)

當(dāng)全息光柵制作完成后，用于原參考光波方向相反的平行光為再現(xiàn)照明光照射光柵時(shí)，全息光柵后的光波包括三部分：第一部分為直接投射光波（即0級(jí)光），沿照明激光方向不變波形不變繼續(xù)前進(jìn)；第二部分為原始象限（即+1級(jí)衍射光波）；第三部分為共軛象限（即-1級(jí)衍射光波）。它們分別位于直射光兩側(cè)，并且與直射光的夾角相等，均為30°，這就是光柵衍射。當(dāng)然實(shí)際記錄的全息光柵不可能是嚴(yán)格的余弦型特性光柵，那么再現(xiàn)時(shí)可能除了上述0級(jí)、±1級(jí)光波外還可能會(huì)有±2級(jí)甚至更多級(jí)但非常弱的衍射光波。

采用-1級(jí)光波，或者叫物體的共軛項(xiàng)的光波，該光波與原來(lái)的物光波波形一樣（即物體與像相同），但傳播方向相反。說(shuō)明這時(shí)應(yīng)該從全息光柵的背后照明，但實(shí)際上光柵厚度極薄，為透明光柵，正反照明的現(xiàn)象基本是一樣的。

圖6-24　激光束照射全息光柵時(shí)呈現(xiàn)的現(xiàn)象

當(dāng)用一激光束照射全息光柵時(shí)，所呈現(xiàn)的現(xiàn)象如圖6-24所示。

其中，-1級(jí)光束采用后，+1級(jí)光的圖形形狀與設(shè)計(jì)要求相反，應(yīng)在光柵附近遮擋住，以免影響正常的光線指示。

如上所述，激光全息制版是衍射器件制作的最關(guān)鍵工藝，全息記錄時(shí)，使用浮雕型感光材料記錄這兩束的干涉條紋，經(jīng)顯影工藝后在感光材料表面記錄有每毫米上前條的浮雕條紋。對(duì)記錄材料進(jìn)行金屬化并電鑄成型，將浮雕條紋轉(zhuǎn)移至金屬表面制得用于批量復(fù)制的模具，然后再利用表面精細(xì)條紋對(duì)入射光產(chǎn)生衍射，產(chǎn)生特殊的衍射指向圖案。

該產(chǎn)品中全息衍射器件在制作技術(shù)上有三大特點(diǎn)：第一，利用特殊的全息記錄手段，衍射光在空間任何位置都能形成清晰的衍射圖案，噪聲小，適合各種天花板高度的安裝，或在墻壁或其他障礙物上形成圖案；第二，衍射圖案由點(diǎn)狀圖案組成，有利于獲得透射和衍射的最佳能量比，兼顧火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)激光的直接透射和圖案衍射的能量要求；第三，精確控制精細(xì)條紋的深度和斷面的形狀，有效提高激光能量利用率，并能直接控制衍射圖案和直接透射激光的能量比。這些都是高新的全息衍射技術(shù)在消防產(chǎn)品中的實(shí)際應(yīng)用。

3）全息衍射圖案

全息衍射圖案如圖6-25所示。

圖6-25　全息衍射圖案

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙霧顏色越深，反差會(huì)使光束越醒目。在激光加裝全息衍射片并在建筑物里間隔安裝后，就能使光束在煙霧里形成連續(xù)有指向作用的光道或圖標(biāo)，降低人們的恐慌心理，主動(dòng)地避開(kāi)煙、霧、火。