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光学大杂烩

光学老又新,前程端似锦-论光学工程(作者:王大珩)

时间:2014/6/19 9:52:54   作者:小利子   来源:正势利   阅读:770   评论:3
内容摘要:​1、光学的发展及演变谈到光学和光学工程,首先要谈一下光学发展史。光学是一门古老的科学,中国古代的墨子(墨翟)和古希腊的欧几里德、托勒密都对此做出过杰出贡献。光学作为一门科学(也就是有定义、定理、学说等),应该说是从牛顿开始。1664年,牛顿开始研究光学,时年21岁。1671年牛...
1、光学的发展及演变
 
谈到光学和光学工程,首先要谈一下光学发展史。
 
光学是一门古老的科学,中国古代的墨子(墨翟)和古希腊的欧几里德、托勒密都对此做出过杰出贡献。
 
光学作为一门科学(也就是有定义、定理、学说等),应该说是从牛顿开始。1664年,牛顿开始研究光学,时年21岁。1671年牛顿制作勒第二台反射式望远镜(长1.2m,直径2m);1672年发表了“光和色的新理论”;1704年发表了“光学——关于光的反射、折射、弯曲和颜色”的论文,叙述了几何光学的基本原理。此外,牛顿的分光实验以及牛顿环的发现,使光学由几何光学进入了物理光学领域。因此,我们通常说,光学自牛顿开始,迄今已有300多年的历史了。
 
在光学发展的300多年的历史中,牛顿的光微粒说统治达100年之久,但也不断持有波动说主张者加以反驳。19世纪初,菲涅耳以大量的实验证据,使光的波动理论得以确立。在后来的发展中,对光认识具有根本性变革的是麦克斯韦关于光的电磁波理论。1900年,普朗克提出了量子假说,他是为解决当时所谓“紫外灾难”而提出黑体辐射的能量分布公式,但需假定物体的辐射能不是连续变化,而是以一定整数倍跳跃式变化,才能对他(普朗克)的黑体辐射公式作出合理的解释。这个最小的不可再分的能量单元称为“能量子”或“量子”。当时的物理学家认为:量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”理念相矛盾,普朗克本人甚至也放弃量子论继续用能量的连续变化的概念来研究辐射问题。
 
第一个意识到量子概念的普遍意义并将其运用到其他问题的是爱因斯坦。他提出了光子的概念,建立了光量子论以解释光电效应中的新现象。光量子论的提出使光的本性历史争论进入了一个新的阶段。自牛顿以来,光的微粒说和波动说此起彼伏,争论不已。爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说描述光的行为的意义,它们均反映了光的本质的一个侧面:光有时候表现出波动性,有时候表现出粒子性,但它既非经典的粒子,也非经典的波。这就是光的波粒二象性。此后,玻尔、薛定谔、海森伯的量子力学理论的提出又进一步推动了光的发射和吸收的量子光学的进展,从此光学理论的发展在近一个世纪中便同量子物理的发展联系起来了。
 
光学史上最重要的转折性阶段是与惠更斯、牛顿、菲涅耳、基尔霍夫、麦克斯韦、普朗克、玻尔、爱因斯坦、薛定谔、海森伯的名字联在一起的。
 
光学的发展历史表明,人们对于光的认识经历了多么复杂的演变过程,时至今日,尚未结束。
 
2、现代光学的发展简况
 
自牛顿以来,以几何光学和物理光学为基础,形成了各种光学仪器和设备,对人类认识世界产生了重大影响。如望远镜对天文学,显微镜对生物学和金相学,照相和电影对人类文化生活,经纬仪对大地测量,光谱仪对物质成分和结构分析等等。经典光学主要是以电磁辐射本身为研究对象;而近代光学的发展则是以光与物质的相互作用为重要的研究内容。
 
光学经过20世纪初期量子理论的发展,到了60年代,首先是激光的出现,即激光器。同步辐射器这些新型光源的出现,强激光与物质相互作用产生了一系列非线性效应,使光学研究领域焕然一新。激光的卓越特性推进了物理学、化学、生物学的研究,加深了对物质及其运动规律的认识,已经形成和正在形成一些新的学科分支,如量子光学、激光物理学、激光化学、激光生物学等。特别是70年代以后,由于半导体激光器和光导纤维技术的重大突破,导致了以光纤通信为代表的光信息技术的蓬勃发展,促进了相应各学科的发展和彼此间的相互渗透,形成了光子学(光电子学)。这门新兴的分支学科是研究光波(光子)与物质中的电子相互作用及其能量的相互转换。现代光学与光子学——激光、微光、红外、光纤、光纤通信、光存储、光显示的进展促进了当代科技、国防、经济的发展,现代社会如果没有这些进展是不可想象的。其主要特点有:
 
(1)“光、机、电、算”已成为现代工程与技术的主要内涵。光的含义也已远远超出传统意义上的望远镜、显微镜等光学仪器。当前的光学仪器(其中大部分指测试计量仪器)已进入光(光学)、机(精密机械)、电(电子)、算(计算机)相结合的光电子技术的新时代。它表现在多功能、高效率的光机电算一体化,技术手段的自动化、智能化、数字化、获取数据从静态转向动态,从有感信息到无感信息。
 
(2)光学的研究从可见光扩展到X射线、紫外、近红外、中红外、直到远红外等不可见的电子波谱段,如微光夜视、热成像、天文成像等;从静态光学到瞬态光学,如研究纳秒、皮秒、飞秒等超快速现象;从宏大光学(天文望远镜)到微小光学(微透镜)等。
 
(3)光(光子)已不仅是信息载体,作为信息传递的手段用于了解和认识世界;光(光子)也能改变物质的形态,作为能量、加工的手段改造世界。
 
(4)新兴的全息、激光、微光、红外热成像、光纤与光纤通信、光探测器、光集成、光信息处理、图像处理、图像融合和光计算等都被认为属于现代光学与光子学的范畴。
 
(5)光学与光子学的最大特点是应用范围非常广泛,基础理论学与工程技术之间紧密联系。今天,光学和光子学的应用已遍及各个领域,如空间、能源、材料、微电子、生命科学、生物工程、化学工程、微观化学动力学、医疗、环境保护、遥感、遥测、精密加工、计量、通信、印刷以及军事等领域。特别在信息领域的应用,不少学科分支和方向已经形成大规模的产业。1995年,全世界光学和光(电)子学技术产业规模已达700亿美元,2000年达1030亿美元。可以预期,光学和光子学将成为21世纪初的一个骨干产业。
 
3、光学工程的研究对象和内容
 
光学既是一门基础科学,又是一门技术科学。作为基础科学,主要研究光的产生、光的本性以及光和物质的相互作用。作为技术科学,是把光的现象和规律应用于人类的生产活动中而形成的一门技术科学,如将光作为信息传递的手段,便发展出各种光学仪器和设备,藉以扩展人们的视觉功能(观察)、听觉功能(通信)、触觉功能(测量)等(众所周知,视觉和听觉占人的感觉知觉的90%);又如光作为能量的形式,利用光对物质产生的物理化学反应来改变物质的形态和属性,如激光核聚变,各种光源,光合作用等;再如光作为加工处理的手段,如激光进行材料加工,表面改性和医疗手术等。
 
光学工程主要研究:
 
(1)以光作为信息传递的媒介,进行对客观事物的认知与了解,特别是作为视觉及其他人身感官的延伸,包括图像及多维时空信息的传输、存储、处理、显示等。
 
(2)光的产生,如激光、发光光源等。
 
(3)光对物质相互作用的应用,如光敏探测器件、光刻蚀、光化学等、或以光能量作为加工手段,如激光加工、激光核聚变、光能应用等。
 
(4)利用光学等原理进行图像及多维时空结构的观察及处理,如微光夜视技术、变像管高速摄影等。
 
 
 
基于光学现象的新发展,以及光学原理与其他学科的综合应用(工程学科,一般都有多种基础学科应用的综合性,但以其核心技术的不同而成为不同的工程学科),光学对经济活动诸方面的作用,早已超出作为物理学学科分支的传统概念,或如20世纪30年代作为应用光学领域的光学仪器所能概括的。正如物理学中的力学发展成为机械工程,电磁学发展成为电气工程,热力学发展成为动力工程一样,光学也当之无愧地以其广阔的应用领域而形成光学工程,也理应与机械工程、电气工程、动力工程一样。并列为一级学科。
 
总地说来,学科的设立及其划分层次至关重要,特别是它作为高层次人才培养的指南,必须顺应时代发展的趋势。一级学科设立不当,将会影响培养具有整体知识的学科带头人。此外,学科的设立及其划分层次将会涉及对该学科的支持与发展,并对社会分工及技术体制产生影响。不适当的划分层次不利于人才的培养。因此,必须全面地考虑学科层次安排,并应向前看,而不能仅满足于过去已有的学科内容及排序。
 
 
 
关于光学工程作为一级学科的建议:
 
一级学科:光学工程
 
二级学科:
 
(1)光学仪器(作为认识世界的工具)。
 
(2)激光与光子学技术(现在全世界都承认光子学这个学名)。
 
(3)信息光学技术。
 
(4)光学技术及工程(作为改造世界的手段)。
 
光学工程的二级学科内容示例:
 
(1) 光学仪器
 
作为视觉功能延伸(图像视觉的延伸)的工具,包括光学仪器的结构设计、光学镜头与系统设计及其工艺等,和各种专用光学仪器,如军用光学仪器、测量光学仪器、天文光学仪器、物理光学仪器等。
 
(2)激光与光子学技术
 
利用光子原理或光电相互作用原理的器件,包括各种激光器、光敏器件及红外探测器、光电成像器件、红外及夜视技术、超高速摄影、光阀、光源、短波及X射线光学等。
 
(3)信息光学技术
 
主要研究光信息的产生、传输、处理及图像显示技术,包括光信息及图像处理技术、图像模式识别、全息术、自适应光学技术、光传输及通信技术、光学遥感技术、目标及传输特征数据库及光计算技术等。
 
(4)光学技术及工程
 
主要研究光能应用、光加工及有关工程,包括光武器工程,激光加工(工业),激光核聚变,照明工程,光学材料、工艺、特殊光器件,光刻技术(用于微电子技术),微机械中的微光学技术等。
 
光子学(Photonics)这个名词目前在国际光学界,已逐步取代Photoelectronics和Optoelectronics(这两个字的中文都译为光电子学),也取代了20世纪70年代常用的电光学。光子学与光电子学,据学术界的认识,主流内容上无甚差异,其含义均是以光子作为信息载体。不过,在当前信息时代,研究光子作为信息载体与物质(主要是电子)的相互作用,越来越趋向光子学这个名词。
 
可以预期,光子学与光子技术将与电子学和电子技术一样作为信息载体或作为控制手段在应用技术和工程方面发挥越来越重要的作用。世界正从工业化时代进入信息时代,特征是由于电子技术和电子计算机等新技术的发展,过去靠人的监控来完成的生产过程或过去无法做到的事现在可以用物化的智能系统实现监控并作为人的脑力劳动的扩充来完成。过去工业化把眼光主要放在机械设备上,而今天已走出机械化的过程,主要把眼光放在生产过程的信息化程度上。这就是说,整个生产机制有了拟人的概念。在人的感官活动中,眼睛的作用占70%~80%,这说明眼睛在整体活动中的重要意义。眼睛的作用在于能输入图像,感受周围的系统环境的信息并以图像的形式做出表述,即光电过程和光子技术,能与人眼起到一样得作用。在整个信息技术的体系中,没有光子学和光子技术是不完备的。因此,发展光子学和光子技术,是信息科学技术发展的需要和必然,也是时代的需要。何况光子学与光子技术已进入当代信息技术最重要的一个领域:光纤通信,以光子技术来补充电子技术的不足。
 
4、国际光学工程的发展
 
国际上特别是技术发达的国家对光学与光子学的发展十分重视,都建立了相应的学术机构和从事教学和科研的院校和研究所。1995年,据美国出版的Optics Education报道,有112所院校设有专门的系或研究所,从事光学和光子学的教学和科学研究。现简要介绍总部设在美国的国际光学工程学会(SPIE——The International Society for Optical Engineering)。
 
SPIE(国际光学工程学会)是当今世界上最大的光学学术组织。每年在美国和世界各地(包括中国)召开有关光学与光子学的各种学术会议。到1996年,已出版了2800卷会议论文集,发表了90000篇学术论文。以1994年~1995年为例,分别出版了279和288卷会议论文集,共发表了24200篇学术论文。SPIE会议论文集以最快速度报道光学和光子学的最新进展,是从事光学与光子学的科技工作者的主要参考文献。
 
SPIE专业组名称:
 
自适应光学【信息】
 
生物及医学光学【工程】
 
电子成像【光子学】
 
纤维光学【信息】
 
与健康有关的光学【工程】
 
高速摄影、图像显示术与光子学【仪器】【光子学】
 
全息术【信息】
 
激光通信【信息】
 
镜头设计【仪器】
 
无损检验(光学)【仪器】
 
光学(图像)处理及光计算【信息】
 
光学材料【工程】
 
光电子学(包括激光)【光子学】
 
光电与精密仪器设计【光子学】【仪器】
 
可穿透辐射【光子学】
 
光刻技术【工程】
 
光掩模技术【工程】
 
机器人与机器视觉【工程】【信息】
 
灵巧结构与材料(光学部分)【仪器】【工程】
 
热敏感(热图)【光子学】
 
X射线 / 紫外光学【光子学】
 
括号【】内表示所属的是二级学科。此外,国际上另有规模很大,历史悠久的国际照明学会。
 
SPIE的出版物主要有:
 
(1)Optical Engineering(光学工程)
 
主要报道光学科学与工程的最新进展,例如:
 
电子全息(Electronic Holography)
 
光学中神经网络的应用(Applications of Neural Networks in Optics)
 
光学安全(Optical Security)
 
光学系统中的光学材料(Optical Materials for Optical Systems)
 
光声与光热的科学与工程(Photoacoustic and Photothermal Science and Engineering)
 
微光电机系统(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)
 
(2)Journal of Electronic Imaging(电子成像杂志)
 
这是SPIE和IS&T(The Society for Imaging Science and Technology——成像科学与技术学会)合作的刊物,主要报道成像技术的进展。如:
 
图像获取(Image Acquisition)
 
图像数据存贮(Image Data Storage)
 
图像数据显示(Display of Image Data)
 
图像数据形象化(Image Visualization)
 
图像处理(Image Processing)
 
图像数据通信(Image Data Communication)
 
硬拷贝输出(Hard Copy Output)
 
多媒体系统(Multimedia Systems)
 
(3)Journal of Biomedical Optics(生物医学的光学杂志)
 
主要报道在生物医学研究、诊断与处理过程中光学技术的应用。主要有:激光、光电子器件、医学和生物学成像、物理和化学传感器以及纤维光学等。
 
目前SPIE出版关于光学、成像和光子学领域的重点刊物有:
 
(1)航天与天文学,(2)自动化与生产工程,(3)电子成像(包括医用成像),(4)激光器及光源,(5)微电子学和光电子学及其器件,(6)光学科学与工程,(7)信号与图像处理。此外,还有生物医学光学、纤维光学、光学物理、光化学和光生物学等。
 
 
 
5、中国的光学与光学工程的发展以及中国光学学会
 
5.1中国的光学与光学工程的发展
 
由于国民经济和国防建设的需要,20世纪50年代我国开创了光学工程。50年代初,中国科学院成立了第一个光学科研机构——中国长春光学精密机械研究所。1952年和1953年浙江大学和北京工业学院等高等院校开始设置光学仪器专业,继之长春光学精密机械学院、清华大学等院校也设立了光学专业。中科院和工业部门的研究所和光学工厂也陆续兴起光学工程的研究和光学仪器的制造,主要是一些生产量大、应用面广的通用型中低档光学仪器。这一时期的主要工作是建立我国的光学技术基础。
 
20世纪60年代初,光学研究迅速发展,特别是激光、微光、红外等技术的出现,其研究领域不断扩大,光子学也应运而生。继上海光机所成立后,又成立了西安光机所,上海技术物理所、安徽光机所、成都光电所、西南技术物理所、昆明物理所、西安应用光学研究所等。进入80年代,由于高技术发展的需要,光学和光子学在整个科技领域的地位日益突出,科研工作也随之进入了一个新的阶段。
 
目前,我国的光学与光子学的研究与制造工业已有一支庞大的队伍,有了较好的基础。据1991年统计,我国有大、中型研究所和企业近300家,从业人员15.5万人,分布在中国科学院、国家教委、机械工业部、电子工业部、兵器工业部、航空航天工业部等18个部委归口管理。全国有85所高校设立光学、光电及激光专业。1979年,成立了中国光学学会,下设15个专业委员会。
 
近半个世纪来,我国的光学与光子学的科研工作取得了较大的进展。在基础研究方面,不少分支学科取得了具有国际先进水平的科研成果,在光学领域的高技术方面建立了相应的技术基础,并开展了跟踪和开发研究,为国民经济、国防建设解决有关科学技术问题提供了科学试验装备,做出了积极的贡献。
 
我国在光学和光子学方面的研究,在若干分支领域已在国际上占有一席之地。如量子光学、非线性光学、激光光谱学、红外光电子学、光学材料等分支学科的基础研究,均做出了具有特色的工作。在激光研究方面,我国的“神光”装置(10W级)是国际上知名的高效率激光装置。在光学工程方面,为发展我国导弹和远程运载火箭需要所研制的陆地靶场和海上靶场测量船用的各种型号的光学跟踪测量设备。包括有红外、电视及激光三种自动跟踪测量及激光测距设备。在我国向太平洋发射运载火箭试验中,出色地完成了火箭地跟踪测量任务。仅就光学测量仪器而论,已形成了不同性能的系列。这些产品为配合我国“两弹一星”的研制,解决了多种飞行体轨迹及落点的测量问题,观测记录了飞行体与目标遭遇过程以及雷达测量精度的标定等问题,达到了国际同类仪器的先进水平。在光学材料方面,我国的非线性硼酸盐晶体KTP、KDP和某些声光、电光晶体的生产居国际领先地位。
 
应该指出,我国的光学与光子学研究的总体水平还明显落后于国际水平,我国的基础研究达到国际水平的只在少数学科上。在高技术和应用研究方面,技术基础比较薄弱,元器件研制水平低;在光学和光(电)子学的产业方面,产品质量和性能价格比差。改革开放以来,像其他学科一样,光学与光学工程得到了较大的发展。国际自然科学基金的设立,促进了光学和光子学的基础研究和部分应用研究的发展。国家自然科学基金的设立,使光学工程的科学研究的实验条件有了改善。目前已经建成或开放的有关光学的国家重点实验室有:超快激光光谱学实验室(中山大学),晶体材料实验室(山东大学),激光技术实验室(华中理工大学),应用光学实验室(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),集成光电子学实验室(清华大学、吉林大学、中国科学院半导体研究所),红外物理实验室(中国科学院上海技术物理研究所)等。此外,中国科学院的开放研究实验室有:视觉信息加工实验室(生物物理研究所),激光光谱学实验室(安徽光学精密机械研究所),高功率激光物理实验室(上海光学精密机械研究所),量子光学实验室(上海光学精密机械研究所),瞬态光学技术实验室(西安光学精密机械研究所),光学与精密机械新技术实验室(光电技术研究所)等。高等院校和各部委还有若干个光学与光电子学方面的开放研究实验室和专业实验室。所有这些都为加强光学与光子学的基础研究和应用基础研究,促进光学工程学科的发展,开展学术交流和合作研究创造了良好的条件。
 
5.2中国光学学会的专业委员会
 
中国光学学会现有如下15个专业委员会:
 
基础光学 )
 
工程光学【仪器】【工程】
 
光学材料【工程】
 
红外光电(红外光学及光电器件)【光子学】
 
激光【光子学】
 
高速摄影与光子学【光子学】【仪器】
 
光谱学与光谱分析【仪器】
 
薄膜光学【工程】
 
光学检验【工程】
 
光学加工工艺【工程】
 
医用光学【仪器】【工程】
 
光学信息处理与全息术、光机算【信息】
 
光纤光学与集成光学【信息】
 
光电技术【光子学】
 
光学情报
 
以上各专业委员会除第一项为基础科学,第15项为情报机构外,其余都与光学工程有关。
 
6、面向21世纪光学工程的战略地位
 
20世纪30年代以来,电子学得到了极大的发展。电子学是研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以应用的科学,设计电磁波的振荡、传播、电信号的放大、变换、频率的稳定、混合与检波等等。60年代以来,半导体微电子学、大规模集成电路等技术极大地推动了电子学的发展,建立了以电子计算机为代表的微电子产业。光纤通信出现,加速了人类进入信息社会的历程。
 
从波动的物理本质来看,光学与电子学所要处理的问题是相同的,只是涉及的电磁波频率范围不同而已。光学的频谱范围由X射线、紫外、可见光、直到红外等波段;而电子学研究的频谱范围则在射频以下,包括微波、无线电波、长波振荡等。二者之间的毫米波似乎是光学和电子学双方争夺的波段。光学和电子学中有许多概念,理论和器件原理是相互渗透、相互借鉴的。近代光学为电子学,特别是半导体电子学的研究和工艺技术提供了诸多的新方法。激光的问世,以及非线性光学所涉及的和频、差频、倍频等参量则又是随着电子学发展来实现的。这两个学科在发展过程中相互促进又相互融合,形成了多门分支和交叉学科,如光电技术、光电探测技术、光电子成像技术、光纤通信、光电子学等。光电子学实际是光学与电子学两大学科的结合。关于光电子学现今称为光子学的问题,主要是从本质上说,光子是起主导作用的(如激光、光电器件等)。
 
与无线电频谱波段相比较,光学波段(例如微光和红外)的最大优点是它的抗干扰能力强。按现代战争的观点来看,整个无线电频谱充斥着无线电侦察、干扰和反干扰,交战中任一方的应用都不可能不被对方发现。但是,在微光和红外波段,因为它可以在被动状态下侦察和识别目标,特别是红外波段,它可以在战场强光干扰下工作,甚至可以透过树叶、伪装网和迷彩等屏障观察目标,因此,它们是最有前景的。另外光波波长短,因而分辨率高;光速快,因而处理速度快;光由于其平行性、串音小、不受干扰能在空间互连,在未来高速计算机的发展和光机算机的研究中将发挥重要作用。无可争议的是,这些特点使光学和光子学在21世纪将会得到更大的发展。
 
20世纪60年代激光的出现,使光学迈入光子学新阶段,向更深层次发展。在激光领域,由于激光具有很高的单色亮度,从而产生种种非线性光学现象和非线性光谱方法。由于激光可以形成极高的功率密度或强电磁场,以致超过原子内部场强,从而发生种种多光子激发和电离,可借以研究原子在磁场中的行为以及高温高密度等离子体的行为。激光诱导荧光和光致电离的检测灵敏度可测得单原子(分子)的存在。用激光进行材料加工(切割、打孔、表面热处理和改性等)或医疗手术,已是十分成功的应用。激光若能在远距离形成高功率密度,就可作为一种定向能武器。目前虽然激光亮度远远达不到所需要的要求,但用激光使仪器致盲,用脉冲激光测定远距离目标,用激光引导导弹、炸弹、炮弹等战术武器多数已很成功。在成像和探测领域,光电子成像器件使不可见光的观测成为可能,使弱光信号能被探测。光纤通信以低损耗石英光纤和半导体激光器为基础,已经形成重要支柱产业。光盘存储的基础是光记录介质和精密伺服系统,进一步发展方向是更高的存储密度和更高的信息率(存入、取出),其前景不可估量。在图像显示和图像复制设备领域。在显示技术方面,液晶大屏幕显示也许会成为下一代电视的主流。光在信息领域中的最重要的潜在应用是用光纤方法处理信息。光纤方法可以同时并行处理二维信息,容易以模拟计算机方法实现积分变换之类的运算;用光学方法可演示神经网络的图像识别和复原的功能,已经提出过光学数字计算的多种结构和算法等。此外,生理光学以人类的视觉作为研究的对象,对视觉的机制和结构的了解,将有助于机器人视觉、图像识别、神经网络等研究。
 
现代光学和光子学的进展,已形成了一系列学科分支,如非线性光学、波导光学、强光光学、全息光学、自适应光学、X射线光学、天文光学、激光光谱学、瞬态光学、红外光学、遥感技术、声光学、成像光学等等。现代光学和光子学的一个最大特点是对其他学科和各个技术部门有很强的渗透力。如光学和光子学与物理学结合,便有激光物理学、量子光学、激光等离子体物理等;与化学结合,便有光化学、激光诱导荧光光谱学等;与生物学结合,便有激光生物学、生物光学等;与医学结合,便有激光医学。在当代,可以这样说,没有一个技术部门不与光学和光子学有联系。仅以兵器的应用为例,光学装备便是发现敌人、瞄准敌人的高级传感器系统,是武器的眼睛,它完成对敌方的侦察、监视、预警、瞄准以及通讯等任务。于是有微光夜视技术、红外热成像技术、光电火控技术、光电对抗技术、坦克光电系统及技术、野战信息数字化光电子技术、精确制导技术、以及激光武器、激光测距、激光制导、激光雷达、激光引信等等。如表1所示。
 
表1光学与光电子学的技术应用
 
7、关于光学和光子学主要分支学科的发展战略
 
1988年,国家自然科学基金委员会对所资助的56个学科提出进行发展战略研究。以王之江研究员为首的14位专家组成了光学与光电子学发展战略研究组,于1991年完成了发展战略研究报告。我被邀主持了这一项目的评审工作。现概略叙述该报告中关于光学和光电子学的主要分支学科的发展战略。
 
(1)量子光学
 
量子光学是研究广场的量子性质和光与物质相互作用中的量子现象。它的研究成果深刻地影响着光学和光电子学以及原子分子物理、量子统计物理等学科的发展。
 
量子光学应着重开展以下两方面的研究工作:
 
非经典光场研究,
 
光子动量传递研究(光的力学效应)。
 
(2)激光光谱学
 
激光光谱学的发展,把光谱分辨率、灵敏度、精确度以及时间分辨率推进到新的高度,不仅进一步丰富了原有原子、分子以及固体的光谱数据,而且开拓了很多新的研究领域,成为物理学、生物学、固体材料、表面科学等研究的强有力的手段。
 
激光光谱学的发展方向主要有以下方面:
 
超精密激光光谱测量技术,
 
超高灵敏度光谱技术,
 
超高分辨率的激光光谱,
 
相干喇曼光谱,
 
相干瞬态光学现象,
 
超快激光光谱。
 
(3)非线性光学
 
非线性光学是研究相干光与物质相互作用出现的各种非线性光学效应及其产生机制与应用途径。它在激光技术、信息和图像的处理与存储、光计算、光通信等方面有着重要的应用。
 
非线性光学应优先发展具有较强应用背景的研究,如:
 
光学双稳、非稳和混沌的研究,
 
光波耦合与光学相位共轭中新效应和新机制的研究,
 
(4)超短脉冲激光与超快现象
 
超短脉冲激光指脉宽在皮秒到飞秒范围的激光。超快现象就是用这样的光脉冲与物质相互作用产生的内在的瞬态现象。飞秒脉冲激光的产生为激光在各个领域中的应用产生时域上的飞跃,它将为物理、化学、生物、材料科学等各个领域的物质内部微观动力学的研究提供优异的工具。
 
主要发展方向有:
 
超短脉冲产生的机制与技术研究,
 
飞秒脉冲放大研究,
 
超短脉冲的非线性光学,
 
超快速光电子学,
 
超快诊断技术,
 
超短脉冲在光纤中传输的非线性效应,孤子激光器,
 
超短脉冲与物质相互作用。
 
(5)激光化学、激光生物学与激光医学
 
激光在化学中的应用发展了化学反应动力学,光物理和光化学,并越来越多地应用于燃烧、等离子体诊断、环境检测、化学合成和裂解,以及发展新的激光体系等。
 
激光化学的发展方向:
 
分子的电子结构和分子光谱学,
 
分子的光离化、分子自离化动力学、分子场中的形态共振、共振多光子电离,
 
电子-分子碰撞,
 
分子反应动力学,
 
原子簇(多聚物)的获得及光谱测量,
 
结构对表面的研究。
 
激光与生物组织的相互作用的研究已深入到分子生物学、细胞学、遗传学、生物化学、生物物理学、生态学,以及光合作用等研究。激光技术已在基因工程、细胞工程、基因移植等生物技术中以及医学临床诊断与治疗、农业育种等方面发挥有效作用。
 
近期内应优先开展的课题有:
 
生物组织的结构光谱诊断及活细胞内生物分子的光谱研究,
 
激光用于细胞生物学的研究,
 
低功率激光与生物组织相互作用(生物刺激)的分子机理,
 
激光消融生物组织的热效应(物理过程)及光化学效应,
 
脉冲激光与生物组织“非线性”相互作用的时间特性研究。
 
(6)生理光学
 
生理光学是研究生物视觉系统与环境的相互作用,以及具有智能的知觉系统对外界光信息进行加工的科学。具有重大理论意义和应用前景的前沿课题有:
 
人和动物视觉系统的智能光学信息加工研究,
 
环境以及物理因素与视觉的相互作用的研究。
 
(7)光信息处理
 
光学由于其并行、高速和可交叉互联等特性,在信息处理中与计算机图像处理互为补充,甚至在某些处理中,由于其具有独特的优越性,受到人们的极大重视。
 
这一领域的前沿课题有:
 
模拟光学处理系统
 
克服空间畸变的光学相关系统,
 
可编程的光电混合的实时光学处理系统,
 
光学神经网络。
 
数字光学计算
 
双稳和光学逻辑元件,
 
结构与算法。
 
光互联
 
二维光计算的基础功能器件的研究,
 
用于模式识别新型滤波器的研究,
 
晶体体全息术及计算机全息术的研究,
 
光学神经网络的研究。
 
(8)导波光学
 
导波光学主要研究光在波导中传输、耦合及外场相互作用引起的各种物理现象和以此为基础的光波导器件。它时集成光路、光纤、光波导传感器等设计和制造的基础。
 
这一领域可开展如下几方面的工作:
 
光波导传输理论与互联耦合,
 
波导电光、声光、磁光和热光效应,
 
光波导传感技术与器件,
 
半导体导波器件物理及集成化关键技术,
 
非线性导波光学,
 
光纤非线性基础研究。
 
(9)光电子器件
 
光电子器件是以光电转换为主要形式完成信息或能量转换的功能性器件。主要研究内容有:
 
光源器件,
 
光电子控制器件,
 
光电子成像器件,
 
光电子探测器件,
 
光电子显示器件,
 
光电子集成器件。
 
(10)新型激光器
 
CO2,Nd:YAG,Cu,XeCl,KrF等激光器应用广泛,是由于它们在该波段具有最高效率而且能获得高平均功率,这两点对实用是最重要的性能。寻找优于它们的激光器是十分有意义的。材料加工或激光对抗之类应用都要求将平均功率做到千瓦以上。
 
这一领域开展的前沿课题有:
 
固体可调谐激光器,
 
自由电子激光器,
 
XUV和X波段激光器,
 
高平均功率激光器,
 
全固体化激光器。
 
(11)技术光学
 
技术光学的内容十分广泛。它包括光学工艺与检测、薄膜光学、工程光学、X射线光学技术等。各领域重点支持的研究项目如下:
 
光学工艺与检测
 
建立高精度(精度在1/200波长以上)的光学平面基准以及一套有效的加工工艺过程及检验方法与设备,
 
计算机辅助抛光技术,
 
高次非球面及各种特殊形状非球面的加工与检验,
 
光学检验数据处理软件包的建立。
 
薄膜光学
 
光学薄膜淀积的离子束技术,
 
光学薄膜的成核、生长核微结构的模型,
 
薄膜特性的检测核微结构分析。
 
工程光学
 
人工智能解决计算机辅助透镜设计,
 
大型光电工程,如用于定向能武器的光学发射系统,
 
微电子光刻设备,
 
精密跟踪定位技术。
 
X射线光学技术
 
多层膜X射线光学元件研究,
 
X射线超光滑光学表面加工与检测,
 
X射线波段物质光学常数(n,k)及光学元件反射率、透过率、偏振度等的测量,
 
同步辐射X射线计量标准和传递标准的建立,
 
X射线光源及探测器研究。
 
(12)光学材料与光功能材料
 
光学材料与光功能材料研究的内容是:研究在特定波段内具有良好透过、反射、吸收、传输特性以及具有发光、激光、光电、光磁、光存储及其它光功能特性的新系统、新材料、新工艺。研究上述材料的组成、结构、性质变化规律,改进现有材料性能,开拓新型光学与光电子学用的玻璃、晶体和功能材料。
 
光学和光功能材料、激光材料、非线性材料应优先开展的课题有:
 
光学和光功能材料
 
光谱极限吸收与色散,
 
二次色散与组分关系,
 
稀土和稀有元素的光学性质,
 
低热光系数、声光、磁光材料研制,
 
光功能材料的能量转换及失效机理,
 
光计算、集成光学、光电功能转换元件的非晶格及超晶格材料研究。
 
激光材料
 
激光参数与材料基质基结构的基础研究,
 
材料破坏及失效过程机理,金属和有害杂质消除方法等研究,
 
能量传递过程及敏化机理研究,
 
新型高功率材料,可调谐材料的研制,
 
建立光功能材料数据库。
 
非线性材料
 
非线性与材料的化学组成及结构关系,
 
扩展调谐波长范围(特别是短波长区)的低阈值材料并发展有机及非氧化物材料,
 
提高材料对高平均功率激光的破坏强度,解决大尺寸晶体生长技术,
 
合成多层电解质膜及有机薄膜非线性材料,
 
根据分子模型、计算方法及非对成中心取向排列等理论,开展材料普查与测试。
 
8、结束语
 
关于光学与光学工程的重要性,我在北京理工大学成立光电子中心时讲了如下一段话:“中国自称是龙的国家,我们是龙的传人。我们中国常把事业的兴盛发达比作龙的腾飞。龙要腾飞,就要靠龙头,因为它是神经指挥系统。神经指挥系统要靠眼睛——信息获得系统来认识世界,即所谓的“画龙点睛”之说。有了眼睛,龙头使脊梁动作,龙才能腾飞,由此可见眼睛的重要。眼睛是什么?就是光学、光子学。”“20世界是电子的世纪,21世纪将是光子的世纪”,这绝非夸大之辞。光学工程正在对高科技、国防建设、国民经济与人民生活产生巨大的影响。可以预期,光子技术在21世纪将会像20世纪电子技术那样大有发展。
 
我们从事现代光学科技的工作者,应为有这样的发展机遇而感到鼓舞。机不可失,大有可为。让我们一起为创造现代龙睛(指世界意义的龙信息时代,而不只是把中国看作龙)而努力吧!
 
参考文献
 
1 王之江,陈星旦.光学与光电子学的发展【A】.庆祝王大珩教授从事科研活动55周年学术论文集【C】.吉林:吉林科学技术出版社,1992.72-76.
 
2 王大珩.我国独立自主地从事国防光学工程的历史【A】.庆祝王大珩教授从事科研活动55周年学术论文集【C】.吉林:吉林科学技术出版社,1992.63-66
 
3 王大珩,等.中国的光学近况【J】.光学学报,1985,5(1):1-10
 
4 母国光.中国光学【A】.庆祝王大珩教授从事科研活动55周年学术论文集【C】.吉林:吉林科学技术出版社,1992.67-71.











 




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