光學(xué)邁向新的世紀(jì)

1、光學(xué)邁向新的世紀(jì)光學(xué)邁向新的世紀(jì) -20-20世紀(jì)現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展世紀(jì)現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展 王大珩王大珩 一、引言一、引言二、二、 20世紀(jì)以前的光學(xué)世紀(jì)以前的光學(xué)三、三、20世紀(jì)的光學(xué)發(fā)展史世紀(jì)的光學(xué)發(fā)展史四、四、20世紀(jì)光學(xué)的主要特點(diǎn)世紀(jì)光學(xué)的主要特點(diǎn)五、光學(xué)邁向五、光學(xué)邁向21世紀(jì)世紀(jì)六、邁向新世紀(jì)的光電子產(chǎn)業(yè)六、邁向新世紀(jì)的光電子產(chǎn)業(yè)七、新世紀(jì)現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的發(fā)展展望七、新世紀(jì)現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的發(fā)展展望八、現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)在交叉學(xué)科方向的應(yīng)用前景八、現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)在交叉學(xué)科方向的應(yīng)用前景九、結(jié)束語九、結(jié)束語 一、引言一、引言u(píng)光學(xué)作為一門學(xué)科誕生已近340年，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程u20

2、世紀(jì)以前的光學(xué)主要標(biāo)志是由古典光學(xué)到傳統(tǒng)光學(xué)，為光學(xué)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)；u20世紀(jì)光學(xué)的主要標(biāo)志是傳統(tǒng)光學(xué)傳統(tǒng)光學(xué)大步向現(xiàn)代光學(xué)現(xiàn)代光學(xué)的邁進(jìn)，是大發(fā)展的100年。20世紀(jì)激光、光纖、全息、光存儲(chǔ)、光記錄、激光、光纖、全息、光存儲(chǔ)、光記錄、光顯示光顯示等技術(shù)的出現(xiàn)，給我們帶來了以光通信、因特網(wǎng)為代表的全新的信息化的時(shí)代。 u可以毫不夸張地說，如果沒有20世紀(jì)光學(xué)的巨大進(jìn)步，就沒有今天信息社會(huì)的到來。 u下面簡(jiǎn)要敘述20世紀(jì)光學(xué)的進(jìn)展，并對(duì)新世紀(jì)的光子學(xué)及光電子產(chǎn)業(yè)作一初步的展望 二、二、 20世紀(jì)以前的光學(xué)世紀(jì)以前的光學(xué) 由古典光學(xué)到傳統(tǒng)光學(xué)由古典光學(xué)到傳統(tǒng)光學(xué) 我們可以把到19世紀(jì)末的光

3、學(xué)稱為傳統(tǒng)光學(xué)，它可分為：古典光學(xué)古典光學(xué)：可以按光的波動(dòng)說說明的光學(xué)現(xiàn)象； 經(jīng)典光學(xué)經(jīng)典光學(xué)：可以用光的電磁波理論解釋的光學(xué)現(xiàn)象，主要以電磁輻射本身為研究對(duì)象； 傳統(tǒng)光學(xué)傳統(tǒng)光學(xué)：古典光學(xué)和經(jīng)典光學(xué)的總稱，有時(shí)亦稱應(yīng)用光學(xué)。依靠古典和經(jīng)典理論形成的傳統(tǒng)光學(xué)儀器，通常為光學(xué)機(jī)械儀器。 在古典光學(xué)與經(jīng)典光學(xué)時(shí)期，光學(xué)工程主要是以幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)為理論基礎(chǔ)，以拓寬人的視覺能力為目的。根據(jù)這些定理制作了許多至今仍有重要實(shí)用價(jià)值的光學(xué)儀器，如望望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)鏡對(duì)天文學(xué)，顯微鏡顯微鏡對(duì)生物學(xué)和金相學(xué)，照相和電影照相和電影對(duì)人類文化生活和科學(xué)研究，經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀對(duì)大地測(cè)量，光譜儀光譜儀對(duì)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)分析等等，

4、大大提高了人類的觀察、測(cè)量和分析能力。傳統(tǒng)光學(xué)及其儀器對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界做出了重要貢獻(xiàn)，并初步建立了以上述這些典型產(chǎn)品為代表的光學(xué)儀器工業(yè)，至今仍然發(fā)揮著重要作用。但關(guān)于光的相干和電磁波理論建立，光學(xué)還擺脫不了古典和經(jīng)典理論的束縛；光的應(yīng)用受到很大限制，其發(fā)展速度與其它科學(xué)技術(shù)相比，比較緩慢。 三、三、20世紀(jì)的光學(xué)發(fā)展史世紀(jì)的光學(xué)發(fā)展史 由傳統(tǒng)光學(xué)邁向現(xiàn)代光學(xué)由傳統(tǒng)光學(xué)邁向現(xiàn)代光學(xué) 光學(xué)作為物理學(xué)的主干學(xué)科，到20世紀(jì)，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而曲折的發(fā)展道路，開創(chuàng)了幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)及非線性光幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)及非線性光學(xué)學(xué)，揭示了光的產(chǎn)生和傳播以及光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。l19世紀(jì)末，

5、人們研究光和電子、原子等發(fā)生相互作用所引起的現(xiàn)象，如熱熱輻射、光電效應(yīng)和倫琴射線輻射、光電效應(yīng)和倫琴射線的散射等，發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象是建立在電磁理論上的光的波動(dòng)說光的波動(dòng)說所不能圓滿解釋的。l 1900年，普朗克（MPlank）提出了量子假說量子假說，它與物理學(xué)界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”直接矛盾，連普朗克本人甚至想放棄量子論繼續(xù)用能量的連續(xù)變化來解決輻射問題。但普朗克的量子假設(shè)已經(jīng)為新物理學(xué)特別是量子光學(xué)量子光學(xué)的發(fā)展奠下了第一塊基石。 l1905年，愛因斯坦在光電效應(yīng)光電效應(yīng)的基礎(chǔ)上（即光電子的初速度與所吸收的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)）提出了光子概念光子概念（即光是具有一定能量和動(dòng)量的粒子

6、所組成的光子流），建立了光量子論光量子論。這是在光學(xué)進(jìn)程中人們對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)的又一次新的飛躍。 l愛因斯坦的愛因斯坦的光量子理論光量子理論重新肯定了微粒說和波動(dòng)說對(duì)于描述光的行為的意重新肯定了微粒說和波動(dòng)說對(duì)于描述光的行為的意義，認(rèn)為它們均反映了光的本質(zhì)的一個(gè)側(cè)面：義，認(rèn)為它們均反映了光的本質(zhì)的一個(gè)側(cè)面：光有時(shí)候表現(xiàn)出波動(dòng)性，有光有時(shí)候表現(xiàn)出波動(dòng)性，有時(shí)候表現(xiàn)出粒子性，但它既非經(jīng)典的粒子，也非經(jīng)典的波時(shí)候表現(xiàn)出粒子性，但它既非經(jīng)典的粒子，也非經(jīng)典的波。這就是。這就是光的波光的波粒二象性粒二象性。l1917年愛因斯坦在用統(tǒng)計(jì)平衡的觀點(diǎn)研究黑體輻射的過程中，得出了一年愛因斯坦在用統(tǒng)計(jì)平衡的觀點(diǎn)研究

7、黑體輻射的過程中，得出了一個(gè)重要結(jié)論：個(gè)重要結(jié)論：自然界存在兩種不同的發(fā)光方式自然界存在兩種不同的發(fā)光方式，一種是，一種是自發(fā)輻射自發(fā)輻射，一種是，一種是受激輻射受激輻射。愛因斯坦這一發(fā)現(xiàn)對(duì)后來的。愛因斯坦這一發(fā)現(xiàn)對(duì)后來的激光和現(xiàn)代光學(xué)激光和現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展起了決定性的發(fā)展起了決定性的作用。的作用。 l1925-1926，玻爾、薛定諤、海森堡的量子力學(xué)理論的提出又進(jìn)一步推動(dòng)，玻爾、薛定諤、海森堡的量子力學(xué)理論的提出又進(jìn)一步推動(dòng)了光的發(fā)射和吸收的了光的發(fā)射和吸收的量子光學(xué)量子光學(xué)的進(jìn)展的進(jìn)展 。丹麥的尼爾斯。丹麥的尼爾斯-玻爾的理論貢獻(xiàn)是提玻爾的理論貢獻(xiàn)是提出了氫原子結(jié)構(gòu)的理論并解開了氫光譜之謎，

8、他被認(rèn)為量子電子學(xué)的奠基出了氫原子結(jié)構(gòu)的理論并解開了氫光譜之謎，他被認(rèn)為量子電子學(xué)的奠基人。法國(guó)的路易斯人。法國(guó)的路易斯-德布羅意提出了物質(zhì)的玻粒二象性理論。奧地利的歐德布羅意提出了物質(zhì)的玻粒二象性理論。奧地利的歐文薛定諤提出了描寫粒子運(yùn)動(dòng)的微分方程文薛定諤提出了描寫粒子運(yùn)動(dòng)的微分方程-薛定諤方程。德國(guó)的沃納薛定諤方程。德國(guó)的沃納-海森海森堡提出了量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理。堡提出了量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理。量子論自誕生以來，已將近一個(gè)世紀(jì)，由學(xué)術(shù)走向技術(shù)和應(yīng)用。量子論自誕生以來，已將近一個(gè)世紀(jì)，由學(xué)術(shù)走向技術(shù)和應(yīng)用。原子能、激光、集成電路、電腦、信息技術(shù)等等都同這一理論原子能、激光、集成電路、電腦

9、、信息技術(shù)等等都同這一理論有著密切的關(guān)系。有著密切的關(guān)系。 l 20世紀(jì)50年代以來，由于數(shù)學(xué)、通信理論與光學(xué)的緊密結(jié)合，改變了經(jīng)典光學(xué)的概念，形成了傅立葉光學(xué)傅立葉光學(xué)，為光學(xué)信息處理、相干光理論奠定了基礎(chǔ)，并出現(xiàn)了全息術(shù)全息術(shù)和以傅立葉光學(xué)為基礎(chǔ)的光學(xué)信息處理光學(xué)信息處理的理論和技術(shù)。l 20世紀(jì)60年代初，激光器的發(fā)明激光器的發(fā)明開始了光學(xué)的一場(chǎng)新革命，它是光學(xué)和電子學(xué)的聯(lián)姻。激光（激光器）的誕生標(biāo)志著傳統(tǒng)光學(xué)、近代光學(xué)進(jìn)激光（激光器）的誕生標(biāo)志著傳統(tǒng)光學(xué)、近代光學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)的新世紀(jì)。入現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)的新世紀(jì)。1958年，美國(guó)物理學(xué)家湯斯（Townes）、蘇聯(lián)物理學(xué)家巴索夫

10、（Basov）和普羅霍洛夫（Prokhorov）提出了在電磁輻射場(chǎng)中受激發(fā)射的可能性。他們?nèi)斯餐瑯s獲諾貝爾獎(jiǎng)金諾貝爾獎(jiǎng)金。1960年5月，美國(guó)休斯（Hughes）實(shí)驗(yàn)室的梅曼（Theodore Maiman）制造了世界上第一個(gè)可見光輸出的激光器，它是一個(gè)脈沖管抽運(yùn)紅寶石激光器。 激光器的發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了高亮度和高時(shí)空相干性的光源，從而使光子不僅成為信息的有效載體而且也成為能量的有效載體。 由于激光具有單色性好、亮度高、方向性好和相干性（時(shí)-空相干性）好等獨(dú)特性能，使它廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：激光通訊、激光分離同位素、激光核聚變、激光加工、激光醫(yī)療、激光育種以及國(guó)防上用的激光武器等。在總結(jié)20世紀(jì)的偉

11、大成就時(shí)，激光是被認(rèn)為繼原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)之后激光是被認(rèn)為繼原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)之后的又一重大發(fā)明的又一重大發(fā)明。計(jì)算機(jī)延伸了人的大腦，而激光延伸了人的五官，激光是探索自然奧秘的超級(jí)“探針”。 l在光學(xué)技術(shù)自身發(fā)展的同時(shí)，其它學(xué)科的發(fā)展和向光學(xué)的滲透，也促進(jìn)了傳統(tǒng)光學(xué)向現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展。尤其是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)了光學(xué)儀器的光機(jī)電算一體化和智能化光機(jī)電算一體化和智能化。 l電子學(xué)與光學(xué)的結(jié)合和滲透，是20世紀(jì)光學(xué)的最大特點(diǎn)，產(chǎn)生了光電子學(xué)這個(gè)具有深遠(yuǎn)意義的交叉學(xué)科分支。光電子技術(shù)和光光電子技術(shù)和光電子器件已成為當(dāng)今和未來各種高技術(shù)的基礎(chǔ)電子器件已成為當(dāng)今和未來各種高技術(shù)的

12、基礎(chǔ)，各種類型的高靈敏度、高性能光電子器件的出現(xiàn)，如光電二極管、紅外探測(cè)器、光電傳感器及電荷耦合器件（CCD）、半導(dǎo)體激光器等，推動(dòng)著光學(xué)儀器光電子化，為傳統(tǒng)光學(xué)儀器帶來劃時(shí)代的變化。 l 20世紀(jì)80年代以來，現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)-激光、微光、紅外、激光、微光、紅外、全息、光纖、光纖通信、光存儲(chǔ)、光顯示全息、光纖、光纖通信、光存儲(chǔ)、光顯示的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了當(dāng)代科技、國(guó)防、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)水平的提高。現(xiàn)代社會(huì)如果沒有這些進(jìn)展是不可想象的。 可以把20世紀(jì)的光學(xué)分為：u近代光學(xué)：近代光學(xué)：從量子光學(xué)的研究開始，研究以光的量子性質(zhì)為基礎(chǔ)的光學(xué)現(xiàn)象和理論，例如：光的波粒二象性、原子、分子、凝聚態(tài)光譜

13、學(xué)、光電效應(yīng)、光化學(xué)等。 u現(xiàn)代光學(xué)：現(xiàn)代光學(xué)：從第一臺(tái)激光器誕生開始，研究激光、光電子學(xué)、光學(xué)信息處理為基礎(chǔ)的光學(xué)現(xiàn)象、理論和技術(shù)，它的發(fā)展是以光與物質(zhì)光波中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換作為更重要的研究?jī)?nèi)容。光學(xué)與機(jī)械（包括儀器）、電子、計(jì)算機(jī)、材料及信息等學(xué)科相結(jié)合，加速了傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)向現(xiàn)代光學(xué)-光子學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。 四、四、20世紀(jì)光學(xué)的主要特點(diǎn)世紀(jì)光學(xué)的主要特點(diǎn)1 光學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)展：光學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)展：l波段：波段：由可見光向兩端擴(kuò)展，短波紫外、X射線，長(zhǎng)波近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外，于是產(chǎn)生了紫外光學(xué)、X射線光學(xué)、微光夜視、紅外光學(xué)等；l時(shí)間：時(shí)間：天文時(shí)間原子反應(yīng)時(shí)間10-15秒；研究由

14、靜態(tài)光學(xué)擴(kuò)展到瞬態(tài)光學(xué)，如納秒、皮秒、飛秒等超快速現(xiàn)象；l光強(qiáng)：光強(qiáng)：?jiǎn)喂庾蛹す夤庠葱请H光源；l尺度：尺度：百億光年單原子尺度，介觀尺度與波長(zhǎng)同量級(jí)，研究天文光學(xué)到納米光學(xué)；l作用：作用：宇宙、宏觀、介觀、微觀；研究宏大光學(xué)（天文望遠(yuǎn)鏡）到微小光學(xué)（微透鏡）l波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：?jiǎn)紊约跋喔尚?；研究激光器、激光全息? 使用功能的擴(kuò)展：使用功能的擴(kuò)展：l光學(xué)工程已成為一門綜合技術(shù)的學(xué)科，“光（光學(xué)）、機(jī)（精密機(jī)械）、電（電子）、算（計(jì)算機(jī)）、材（材料）”等高技術(shù)相互融合已成為主要內(nèi)涵。l 現(xiàn)代光學(xué)儀器作為人眼功能的擴(kuò)充，表現(xiàn)在多功能、高效率的光機(jī)電算一體化，技術(shù)手段的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化l 光（光子

15、）已不僅是信息載體，作為信息傳遞的手段幫助人類認(rèn)識(shí)世界；光（光子）也能改變物質(zhì)的形態(tài)，作為能量、加工的手段幫助人類改造世界。3 研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)展：研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)展：今天我們所談的光學(xué)，其內(nèi)容已遠(yuǎn)不止傳統(tǒng)光學(xué)傳統(tǒng)光學(xué)研究的對(duì)象：如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、放大鏡望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、放大鏡等。發(fā)展到今天的現(xiàn)代光學(xué)現(xiàn)代光學(xué)，內(nèi)容擴(kuò)展到全息、激光、微光、紅外熱成像，全息、激光、微光、紅外熱成像，X射線紫外、光纖射線紫外、光纖與光纖通信、光探測(cè)器、光集成、光信息處理、圖像處理、圖與光纖通信、光探測(cè)器、光集成、光信息處理、圖像處理、圖像融合、靈巧結(jié)構(gòu)、機(jī)器人視覺和光計(jì)算等像融合、靈巧結(jié)構(gòu)、機(jī)器人視覺和光計(jì)算等，這些都被認(rèn)為

16、屬于現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的范疇。 4 應(yīng)用范圍的擴(kuò)展：應(yīng)用范圍的擴(kuò)展： 現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)的應(yīng)用已遍及各個(gè)領(lǐng)域，如空間、能源、材料，微電子、生物工程、化學(xué)工程、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)、遙感、遙測(cè)、精密加工、計(jì)量、通信、印刷、能源、生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)、農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)、資源保護(hù)以及軍事等領(lǐng)域。特別在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，不少學(xué)科分支在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，不少學(xué)科分支和方向已經(jīng)形成了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)和方向已經(jīng)形成了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。1995年，全世界光學(xué)和光（電）子學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)700億美元，2000年達(dá)到1030億美元。可以預(yù)期，光學(xué)和光子學(xué)將成為光學(xué)和光子學(xué)將成為21世紀(jì)初的一大骨干產(chǎn)業(yè)世紀(jì)初的一大骨干產(chǎn)業(yè)。u現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)

17、的進(jìn)展，已形成了一系列學(xué)科分支一系列學(xué)科分支，如非線性光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、全息光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、X射線光學(xué)、天文光學(xué)、激光光譜學(xué)、瞬態(tài)光學(xué)、紅外光學(xué)、遙感技術(shù)、聲光學(xué)、成像光學(xué)等等。u現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)的一個(gè)最大特點(diǎn)是對(duì)其它學(xué)科和各個(gè)技對(duì)其它學(xué)科和各個(gè)技術(shù)部門有很強(qiáng)的滲透力術(shù)部門有很強(qiáng)的滲透力。如光學(xué)和光子學(xué)與物理學(xué)結(jié)合，便有了激光物理學(xué)、量子光學(xué)、激光等離子體物理等，與化學(xué)結(jié)合，便有了光化學(xué)、激光誘導(dǎo)熒光光譜學(xué)等，與生物學(xué)結(jié)合，便有了激光生物學(xué)，生理光學(xué)等；與醫(yī)學(xué)結(jié)合，便有了激光醫(yī)學(xué)。 u20世紀(jì)的光學(xué)取得了無比輝煌的成就，但是人們對(duì)于光人們對(duì)于光和光子的認(rèn)識(shí)，只能說剛剛開始，現(xiàn)代光學(xué)與

18、光子學(xué)的發(fā)和光子的認(rèn)識(shí)，只能說剛剛開始，現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的發(fā)展也僅是初露頭角而已展也僅是初露頭角而已。 五、光學(xué)邁向五、光學(xué)邁向21世紀(jì)世紀(jì) 光子時(shí)代的到來光子時(shí)代的到來 隨著21世紀(jì)的到來，人們進(jìn)入了“信息化時(shí)代信息化時(shí)代” ，社會(huì)對(duì)信息量的巨大需求有三個(gè)標(biāo)志（三“T” ）：l信息容量大信息容量大，它以太比特每秒為標(biāo)志(1012)； l處理速度快處理速度快，它以達(dá)到皮秒量級(jí)為標(biāo)志(10-12) ；l存儲(chǔ)密度大存儲(chǔ)密度大，它以達(dá)到太位元量級(jí)位標(biāo)志(1012) 。電子技術(shù)對(duì)20世紀(jì)社會(huì)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，然而電子（或電磁波）技術(shù)受到荷電性、帶寬、互擾荷電性、帶寬、互擾等固有物理特性的限制，沒

19、有新的根本性的突破，已很難滿足三“T”的需求。 光子技術(shù)由此破門而出，它不存在傳輸?shù)钠款i效應(yīng)，帶寬比電子技術(shù)大1000倍，并有高度的抗擾性，因此可以說，光子技術(shù)是對(duì)電子技術(shù)的發(fā)展光子技術(shù)是對(duì)電子技術(shù)的發(fā)展與突破與突破，完全可以滿足三“T”的需求。勿庸置疑，它將成為21世紀(jì)信息化社會(huì)的主要支柱。 光子學(xué)（光子學(xué)（Photonics）：l20世紀(jì)世紀(jì)70年代以后，由于半導(dǎo)體激光器和光導(dǎo)纖維技術(shù)年代以后，由于半導(dǎo)體激光器和光導(dǎo)纖維技術(shù)的重大突破，導(dǎo)致以光纖通信為代表的光信息技術(shù)的蓬勃的重大突破，導(dǎo)致以光纖通信為代表的光信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了相應(yīng)各學(xué)科的發(fā)展和彼此間相互滲透，開始發(fā)展，促進(jìn)了相應(yīng)各

20、學(xué)科的發(fā)展和彼此間相互滲透，開始形成了光子學(xué)這門新型分支學(xué)科。形成了光子學(xué)這門新型分支學(xué)科。l它是研究光波（光子）與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量它是研究光波（光子）與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的學(xué)科，相互轉(zhuǎn)換的學(xué)科，研究光子的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測(cè)，研究光子的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測(cè)，光子存仔信息的變化和處理，光與物質(zhì)的相互作用等問題光子存仔信息的變化和處理，光與物質(zhì)的相互作用等問題，它既是一門新興學(xué)科，又與傳統(tǒng)光學(xué)密切相關(guān)，也與近年它既是一門新興學(xué)科，又與傳統(tǒng)光學(xué)密切相關(guān)，也與近年來飛躍發(fā)展的光電子學(xué)緊密相關(guān)。來飛躍發(fā)展的光電子學(xué)緊密相關(guān)。l l籠統(tǒng)地說，籠統(tǒng)地說，“光子學(xué)光子學(xué)”較

21、為側(cè)重于研究光子的微觀行為規(guī)較為側(cè)重于研究光子的微觀行為規(guī)律，其應(yīng)用范圍從能量發(fā)生到通信與信息處理。律，其應(yīng)用范圍從能量發(fā)生到通信與信息處理。光子與電子的比較：光子與電子的比較：屬性屬性電子（電磁波）電子（電磁波）光子（光波）光子（光波）波長(zhǎng)波長(zhǎng)3cm30cm500nm頻率頻率10MHz10GHz500THz速度速度593km/s3105km/s能量能量40neV40eV2ev傳輸損耗傳輸損耗高（銅線中）高（銅線中）低（光纖中）低（光纖中）粒子相互作用粒子相互作用高高無無 l光的速度最快，因而處理速度快。光子信息回路的運(yùn)行速度至少比電子信息回路快1 000倍。 l光學(xué)所研究的波段波長(zhǎng)短，頻率高

22、，因而分辨率高。光波具有高達(dá)200THz的帶寬，其頻率和帶寬比目前使用的無線電波至少大1 000以上。 l光由于其平行性、串音小、不受干擾以及能在空間互連，在未來高速計(jì)算機(jī)的發(fā)展和光計(jì)算機(jī)的研究中能發(fā)揮重要作用。 l光子載體也可以在系統(tǒng)外部的自由空間中傳播，而電子一般只能在系統(tǒng)的回路中傳輸，因此光子為信息系統(tǒng)的互聯(lián)提供了更大的靈活性和有效性。 信息與光子二者之間的關(guān)系：信息與光子二者之間的關(guān)系：信息化對(duì)技術(shù)基礎(chǔ)的要求可歸結(jié)為兩大方面：信息化對(duì)技術(shù)基礎(chǔ)的要求可歸結(jié)為兩大方面：（1）要求信息密度越來越高要求信息密度越來越高，這促使人們開發(fā)更短波長(zhǎng)的，這促使人們開發(fā)更短波長(zhǎng)的信息載體即光波，而且光波

23、的運(yùn)用由紅外向短波紫外方向發(fā)信息載體即光波，而且光波的運(yùn)用由紅外向短波紫外方向發(fā)展。例如，在展。例如，在DVD光盤中，若以藍(lán)光發(fā)射的激光器代替紅光光盤中，若以藍(lán)光發(fā)射的激光器代替紅光發(fā)射的激光器，其光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量將增加約發(fā)射的激光器，其光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量將增加約2.5倍。倍。（2）數(shù)字化的要求更加迫切數(shù)字化的要求更加迫切，數(shù)字化比模擬量更準(zhǔn)確，容，數(shù)字化比模擬量更準(zhǔn)確，容易合成，容易壓縮。光子技術(shù)在信息的探測(cè)、采集、處理、易合成，容易壓縮。光子技術(shù)在信息的探測(cè)、采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)及顯示等諸多方面都顯現(xiàn)出其突出的優(yōu)點(diǎn)，具有傳輸、存儲(chǔ)及顯示等諸多方面都顯現(xiàn)出其突出的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。很強(qiáng)的競(jìng)

24、爭(zhēng)力?？梢赃@樣說，可以這樣說，信息產(chǎn)業(yè)的需求極大地促進(jìn)了光子技術(shù)的發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)的需求極大地促進(jìn)了光子技術(shù)的發(fā)展，光子學(xué)與光子技術(shù)的發(fā)展以及光子產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)使信息技術(shù)和光子學(xué)與光子技術(shù)的發(fā)展以及光子產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)使信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)革命性的變革。產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)革命性的變革。 光子學(xué)和光子技術(shù)的優(yōu)越性：光子學(xué)和光子技術(shù)的優(yōu)越性：（1）響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快：光子器件及其系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，光開關(guān)器件的響應(yīng)時(shí)間最快可達(dá)10-15秒，即飛秒（fs）量級(jí)，而目前電子器件及其系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最快達(dá)到10-9秒，即納秒（ns）量級(jí)，且?guī)缀醯搅似涔逃袠O限值。前后比后者幾乎高出6個(gè)數(shù)量級(jí)以上。（2）傳輸容量大傳輸容量大：光子信息

25、系統(tǒng)的空間帶寬和頻率帶寬都很大，帶寬和連接性的徹底改善將使系統(tǒng)的信息交換和傳遞更加通暢。這一優(yōu)異特性已在光通信中得以充分體現(xiàn)。光纖通信的容量從原理上講比微波通信大1萬倍到10萬倍以上，一路微波通道可以傳送一路彩色電視或1千多路數(shù)字電話信號(hào)；而一根光纖則可以同時(shí)傳送1干多萬甚至1億路電話。 （3）存儲(chǔ)密度大存儲(chǔ)密度大：光存儲(chǔ)信息容量大，可靠性強(qiáng)，存取速度快，成本低且應(yīng)用范圍廣。光盤、光卡的存儲(chǔ)容量比磁盤、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨損，不受外界磁場(chǎng)、溫度影響，可靠性強(qiáng)。特別要提及的是，利用光子學(xué)方式可以實(shí)現(xiàn)三維立體存儲(chǔ)，其容量之大，令人驚嘆不已。一旦其關(guān)鍵技術(shù)取得突破，其無與倫比的優(yōu)

26、勢(shì)便會(huì)立即顯露出來。（4）處理速度快處理速度快：信息處理是光子技術(shù)最重要的潛在應(yīng)用。在光計(jì)算機(jī)中，同電氣布線相比較，由于光的頻率高，故可高速傳遞信息，而且利用多重波長(zhǎng)，信息二維并列傳送等，使信息傳遞能力大大提高。 （5）微型化、集成化微型化、集成化：微光子技術(shù)與光子集成（PIC）同微電子技術(shù)和集成電路（IC）一樣，將得到大發(fā)展。微光子技術(shù)涉及梯度折射率光學(xué)、衍射光學(xué)、纖維光學(xué)等許多分支。已研制出的許多元器件，包括自聚焦微透鏡陣列、光纖面板與微通道板、軟X線光刻及光互連用微小光學(xué)陣列器件等等 。六、邁向新世紀(jì)的光電子產(chǎn)業(yè)六、邁向新世紀(jì)的光電子產(chǎn)業(yè) 光電子產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，是富國(guó)強(qiáng)民、增前

27、我國(guó)綜合國(guó)力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。其主要的技術(shù)內(nèi)容包括： l作為光子產(chǎn)生、控制的激光技術(shù)及相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)：作為光子產(chǎn)生、控制的激光技術(shù)及相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)：各種激光裝置的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、光放大技術(shù)、光調(diào)制、光開關(guān)、光濾波、光耦合、光穩(wěn)頻、光鎖模、光限模、光調(diào)制與解調(diào)和光互聯(lián)等技術(shù)。 l作為光子傳輸?shù)牟▽?dǎo)技術(shù)：作為光子傳輸?shù)牟▽?dǎo)技術(shù)：光纖制作與應(yīng)用技術(shù)、有源和無源光波導(dǎo)技術(shù)、光纖通信網(wǎng)及相關(guān)的光電器件、光纖傳感技術(shù)、非線性聚合物波導(dǎo)互聯(lián)技術(shù)。 l作為光子探測(cè)和分析的光子檢測(cè)技術(shù)：作為光子探測(cè)和分析的光子檢測(cè)技術(shù)：光電子成像技術(shù)、光譜分析技術(shù)、激光光譜技術(shù)、光計(jì)量技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù) l光計(jì)算與信息處理技術(shù)：光計(jì)

28、算與信息處理技術(shù)：光計(jì)算技術(shù)、光互連、激光雷達(dá)、激光測(cè)距、光制導(dǎo)和光陀螺。 l光子存儲(chǔ)信息的光存儲(chǔ)技術(shù)：光子存儲(chǔ)信息的光存儲(chǔ)技術(shù)：磁光記錄、三維存儲(chǔ)技術(shù)。 l光子顯示技術(shù)：光子顯示技術(shù)：無源液晶顯示、有源液晶顯示、電致發(fā)光，場(chǎng)致發(fā)光、等離子體平面、陰極射線管、發(fā)光二極管、三維全息顯示、激光投影顯示、硅芯片上液晶顯示等 l光子加工與光子生物技術(shù)：光子加工與光子生物技術(shù)：激光材料加工、激光分離同位素、激光熱核聚變、光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)與氣相沉積、激光育種與遺傳變異、激光醫(yī)學(xué)診斷與治療。 七、新世紀(jì)現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的發(fā)展展望七、新世紀(jì)現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的發(fā)展展望 （1）光機(jī)電算高度一體化：）光機(jī)電算高度一體

29、化：o在一個(gè)高度發(fā)達(dá)的信息社會(huì)里，迫切要求對(duì)來自各方面的復(fù)雜信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、高速采集，數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)控制。如對(duì)高速運(yùn)動(dòng)或瞬息短暫過程的觀察、記錄、顯示和儲(chǔ)存；對(duì)復(fù)雜的二維和三維物體的形狀和尺寸的識(shí)別、精確測(cè)量；對(duì)宏觀或超微細(xì)圖形的分析和判讀。特別是對(duì)于太空、深水、高溫、有害氣體、核輻射等人類難以長(zhǎng)期接觸的各種特殊工作環(huán)境，都需要現(xiàn)代光學(xué)與光電子學(xué)來解決。o現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐過程中的自動(dòng)監(jiān)控、圖象分析、精密測(cè)量、信息處理和傳輸、能源利用、微觀探索等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。（2）超快速技術(shù)：）超快速技術(shù)：超快速技術(shù)將取得飛速的進(jìn)展。它可產(chǎn)生一個(gè)在皮秒（10-12 sec）和飛秒(10

30、-15 sec)數(shù)量級(jí)范圍的非常短的激光脈沖。飛秒激光器提供了非常短的時(shí)間間隔內(nèi)的相當(dāng)高能量的脈沖，因此，比起其它技術(shù)來，任何由于熱彌散引起的效應(yīng)以及相關(guān)的損傷能被減小到最小程度。但超快速微加工仍然是一個(gè)相當(dāng)新的領(lǐng)域，僅僅是剛走出實(shí)驗(yàn)室，期待著人們進(jìn)一步開發(fā)。 （3）顯示技術(shù)：）顯示技術(shù)：顯示技術(shù)將有很大的進(jìn)展。除了高分辨率電視（HDTV）外，利用全息技術(shù)的動(dòng)態(tài)圖像的三維顯示，將有可能發(fā)展成三維電影和三維電視。我們知道，雙眼立體視覺是利用左右雙眼分別觀察有視差、觀察圖像時(shí)有立體感的方法。目前在日本已有排列微透鏡板的8 眼式三維電視和用110 英寸反射型微型透鏡屏幕的9 眼式三維電視等。在顯示技

31、術(shù)方面，紅、綠、藍(lán)光輸出的發(fā)光二極管（LED）已經(jīng)在一些全彩色顯示上得到應(yīng)用。而“電子報(bào)紙“（Electronic paper）已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中得到成功，隨著電子顯示器件的進(jìn)展，它可能會(huì)發(fā)展到商業(yè)化，將能提供象報(bào)紙那樣的方便和靈活。 （4）光腦：）光腦：今天我們可以大膽地預(yù)言，在21 世紀(jì)，光腦（光計(jì)算機(jī)）光腦（光計(jì)算機(jī)）將有可能取代電腦，光腦在哪些地方優(yōu)于電腦呢？l光腦的并行處理能力強(qiáng)，具有超高速運(yùn)算速度光腦的并行處理能力強(qiáng)，具有超高速運(yùn)算速度，其運(yùn)算速度比電腦快1000倍。目前，電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的大幅度提高將期望光子互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用。l超高速電腦只能在低溫狀態(tài)工作，而光腦在室溫下即可工作光腦

32、在室溫下即可工作。l光腦利用光子傳遞信息，不需要導(dǎo)線光腦利用光子傳遞信息，不需要導(dǎo)線，即使在光線相交的情況下，它們之間也絲毫不會(huì)相互影響。l一臺(tái)光腦只需要一臺(tái)電腦的很小一部分能量就能驅(qū)動(dòng)，所產(chǎn)生的熱量大大減少。 目前，光腦的許多關(guān)鍵技術(shù)，如光存儲(chǔ)芯片、光子互連技術(shù)、光存儲(chǔ)芯片、光子互連技術(shù)、光電子集成電路等光電子集成電路等正在獲得突破，其難度是相當(dāng)大的。而當(dāng)前迫切的任務(wù)是最大幅度地增加光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，即光開關(guān)的數(shù)量。（5）光纖通信：）光纖通信：以光網(wǎng)絡(luò)為代表的寬帶傳遞與接入技術(shù)，理所當(dāng)然地成為下一代傳送網(wǎng)的基礎(chǔ)。在21 世紀(jì)，光纖通信將以一日千里的速度向前發(fā)展。光纖通信提高容量的措施轉(zhuǎn)到密

33、集波分密集波分復(fù)用（復(fù)用（DWDM），目前可商用的水平，我國(guó)為（32X2.5）Gbps，國(guó)外如朗迅公司為（4010）Gbps。實(shí)驗(yàn)室中的水平則已超過Tbps。 人們?cè)鴺酚^地估計(jì)，隨著密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM）、碼壓縮等技術(shù)的應(yīng)用，一根光纜所荷載的容量就足以滿足一根光纜所荷載的容量就足以滿足全球的話音通信全球的話音通信。 （6）微光學(xué)和衍射光學(xué)：）微光學(xué)和衍射光學(xué)：微光學(xué)和衍射光學(xué)隨著光學(xué)工業(yè)對(duì)微型化的要求和微電子技術(shù)的發(fā)展，將有更大的進(jìn)步。微光學(xué)微光學(xué)是研究微米級(jí)尺寸光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)代光學(xué)分支，衍射光學(xué)衍射光學(xué)是基于光的衍射原理發(fā)展起來的微光學(xué)。微光學(xué)特別是衍射光學(xué)的發(fā)展，使光學(xué)得以創(chuàng)

34、新，使傳統(tǒng)光學(xué)實(shí)現(xiàn)微型化、列陣化微型化、列陣化和集成化和集成化成為可能，使宏觀光學(xué)元件轉(zhuǎn)化為微光學(xué)元件和具有處理功能的集成光學(xué)組件，從而推動(dòng)光學(xué)儀器發(fā)生根本性的變革。 （7）探測(cè)器與成像器件：）探測(cè)器與成像器件：總的說來，未來的探測(cè)器和成像器件向著高增益、高分辨率、低噪聲、寬光譜響應(yīng)、大動(dòng)態(tài)范圍、小型化、固體化以及真空與固體結(jié)合的方向前進(jìn)。各種元器件在性能上將有很大的改進(jìn)，如將會(huì)出現(xiàn)8K8K 高密度的高密度的CCD 面陣面陣；高密度（4K4K）和高位置靈敏度（1um）的紅外焦平面和非致冷探測(cè)器陣列，這一切將使圖像增強(qiáng)、低照度攝像、光子探測(cè)祁紅外熱線像等技術(shù)躍上新的臺(tái)階，其前景將十分輝煌。 （8

35、）集成光學(xué)：）集成光學(xué)：集成光學(xué)是研究以光導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)的光子和光電子系以光導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)的光子和光電子系統(tǒng)統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中傳送信號(hào)的載波是光導(dǎo)波，系統(tǒng)的連接通過光波導(dǎo)和光纖，系統(tǒng)的元件是光波導(dǎo)器件，它如電子器件所經(jīng)歷的發(fā)展階段一樣，由分立向集成演變由分立向集成演變。由于集成光學(xué)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、堅(jiān)固、耐震動(dòng)、不需要機(jī)械對(duì)準(zhǔn)、適于大批量生產(chǎn)、成本低以及寬帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能平行處理、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、數(shù)據(jù)傳輸、光纖陀螺、光信息處理、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)今信息社會(huì)的一個(gè)重要技術(shù)支柱。 八、現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)在交叉學(xué)科方向的應(yīng)用前景八、

36、現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)在交叉學(xué)科方向的應(yīng)用前景 (1) 光子學(xué)與生物學(xué)光子學(xué)與生物學(xué)研究生命科學(xué)研究生命科學(xué)lDNA雙重螺旋結(jié)構(gòu)由被稱為A、G、C、T的4 種堿基組成。堿基有吸收光譜，其熒光壽命小于10 皮秒（10-12秒）。因此需要亞皮秒或飛秒（10-15秒）級(jí)脈沖即研究瞬態(tài)光學(xué)瞬態(tài)光學(xué)來準(zhǔn)確測(cè)量這些堿基的光譜和熒光壽命，這樣我們就能準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)分子 l生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)又是由遺傳因子所決定的?？梢哉f生命是取決于遺傳因子生命是取決于遺傳因子這一物質(zhì)的作用?？茖W(xué)家設(shè)想用光來控制遺傳因子用光來控制遺傳因子，繼而就能控制生命和物質(zhì) (2) 光子學(xué)與化學(xué)光子學(xué)與化學(xué)飛秒化學(xué)飛秒化學(xué)l化學(xué)反應(yīng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的主要形式之一化學(xué)反應(yīng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的主要形式之一。人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從宏觀到微觀的漫長(zhǎng)過程。直到20 世紀(jì)30 年代，人們才在單個(gè)分子反應(yīng)行為的基礎(chǔ)上，提出了化學(xué)反應(yīng)的