光学工程学科导论.docx

理学院光学工程学科导论学 号：专 业：光学工程学生姓名：指导教师： 2017年9月 光学工程学科导论1. 前言光学工程是一门历史悠久而又年轻的学科。它的发展表征着人类文明的进程。它的理论基础光学，作为物理学的主干学科经历了漫长而曲折的发展道路，铸造了几何光学、波动光学、量子光学及非线性光学，揭示了光的产生和传播的规律和与物质相互作用的关系。1997年，在我国光学界泰斗王大珩院士的建议下，国务院学位委员会同意将光学工程列为工学一级学科。作为一门理工交叉的学科，光学工程学科的理论体系得到了不断地完善与发展，如今光学工程已发展为以光学为主，并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。它包含了许多重要的新兴学科分支，如激光技术、光纤通信、光存储与记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像、薄膜和集成光学、光学与光纤传感、光探测、激光材料处理和加工、弱光与红外热成像、光电测量、现代光学和光电子仪器及器件、光学遥感技术以及综合光学工程技术等。这些分支不仅使光学工程学科产生了质的飞跃，而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有的现代光学和光电子产业。在早期，主要是基于几何光学和波动光学拓宽人的视觉能力，建立了以望远镜、显微镜、照相机、光谱仪和干涉仪等为典型产品的光学仪器工业。这些技术和工业至今仍然发挥着重要作用。20世纪中叶，产生了全息术和以傅里叶光学为基础的光学信息处理的理论和技术。特别是六十年代初第一台激光器的问世，实现了高亮度和高时空相干度的光源，使光子不仅成为了信息的相干载体而且成为了能量的有效载体，随着激光技术和光电子技术的崛起，光学工程已发展为光学为主的，并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。它包含了许多重要的新兴学科分支，如激光技术、光通信、光存储与记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像薄膜和集成光学、光电子和光子技术、激光材料处理和加工、弱光与红外热成像技术、光电测量、光纤光学、现代光学和光电子仪器及器件、光学遥感技术以及综合光学工程技术等。2. 主要研究内容（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。3. 学科发展方向近些年来，在一些重要的领域，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使现代光学产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。这些产业一般具有数字化、集成化和微结构化等技术特征。在传统的光学系统经不断地智能化和自动化，从而仍然能够发挥重要作用的同时，对集传感、处理和执行功能于一体的微光学系统的研究和开拓光子在信息科学中作用的研究，将成为今后光学工程学科的重要发展方向。（1）平板显示技术与器件平板显示（FPD）是采用平板显示器件辅以逻辑电路来实现显示的。由于其电压低、重量轻、体积小、显示质量优异，无论在民用领域还是在军用领域都将获得广泛应用。该方向主要从事发光与信息显示前沿科学问题。既包括发光显示材料（有机材料、无机材料及其相关复合等材料），又包括诸多（场发射、等离子体、发光二极管、液晶及电致发光等）显示器件等方面的研究。LCD、PDP、OLED是现在和未来发展的三大主流FPD技术。LCD是一种被动发光器件，具有低功耗、高分辨率、薄型化、长寿命、尺寸变化灵活等优点。LCD技术相当成熟，是目前和将来相当长时间的最主要的平板显示器件，但LCD存在视角窄、响应慢、制造工艺复杂、成本高等问题，从长远看，不是一种最理想的大尺寸FPD器件。PDP是一种主动发光器件，具有视角宽、响应快、高对比度、工艺比较简单、易于实现大尺寸显示等优点，是将来大尺寸显示的主流产品，但PDP存在发光效率低、驱动电压高、功耗大、分辨率低等缺点，不适宜用于制造40英寸以下的FPD器件。OLED也是一种主动发光显示器件，具有低功耗、高亮度、高对比度、高分辨率、宽视角、快响应、宽温度范围、可以实现柔软显示及工艺简单等优点，从长远来看，是一种极为理想的显示器件，目前OLED技术还不是很成熟，材料的发光效率、寿命、色纯度还不高，器件制造工艺技术，特别是LTPSTFT驱动技术、喷墨打印技术、彩色化技术还在进一步开发中，设备还需要进一步改进。（2）全光信号处理及网络应用技术主要研究光通信网络、光纤传感及生物医学光子学领域的前沿课题光分组交换全光网的网络技术及支撑光分组交换的全光信号处理技术，如光弹性分组环光纤通信网、全光缓存技术、光开关、光逻辑、光信头识别、分布式光纤传感系统、光纤性能在线检测、光纤技术在生物医学光子学中的应用等。全光信号处理是利用全光的方法对光信号进行处理，包括功率放大、光束变换、信息提取、信息运算等，其特征是用光来控制光，避免光-电和电-光转换，对光载波上携带的信息进行处理，通常用光学方法对另一个光信号的振幅、相位或频谱信息进行变换和控制。目前涉及的关键技术有全光波长转换、全光3R再生（包括时钟提取）、全光逻辑及其运算、全光缓存、全光采样、全光解复用/全光分插复用、全光时域信号/空域信号转换、全光模拟信号/数字信号转换、全光 OTDM信号/DWDM信号转换等等。（3）光电检测技术在当前信息化社会中，光电技术已成为获取光学信息或提取他信息的手段。它是人类能更有效地扩展自身能力，使视觉的长波延长到亚毫米波，短波延伸至X射线、射线，乃至高能粒子。并且可以在飞秒级记录超快速现象，如核反应、航空器发射等的变化过程。而且光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，是光电技术的核心和重要组成部分。通过光电检测器件对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，并转换为电信号，经检测电路、A/D变换接口输入微型计算机进行运算、处理，最后得出所需检测物的几何量或物理量等参数。因此，光电检测技术是现代检测技术的重要手段和方法，是计量技术的一个重要发展方向。主要研究先进制造技术、轨道交通等工程领域内各种几何及物理量的光电检测机理、方法、技术与实现途径，并采用各种信息与信号处理方法与技术来获得各种评价参数，最终实现对重要零部件与设备关键参数及缺陷的实时检测与故障诊断，确保其运行安全。（4）生物分子光探测技术采用先进光电子学技术，以朊病毒、HIV等重要病毒为模型，开展病毒与细胞的相互作用机制、免疫保护机制研究，开展生物大分子的探测、分子相互作用识别等先进技术研究，发展快速检测技术。开展新型病毒载体、真核表达载体技术的研究。开发新型疫苗和药物。近 20年来，光学探测方法有了长足的进步。在80年代出现并逐渐成熟起来的近场显微术为超衍射极限分辨成像提供了基本手段，同时也使光学显微术进入了纳米科学的领域。而共焦显微术不仅突破传统光学的衍射极限，而且为光学探测引入了第三维空间信息，使光学探测具有了层析能力，实现了真正的空间三维成像。超短脉冲激光技术直接导致了多光子荧光显微术的成功。尤其是飞秒激光激发的荧光显微术，对于提取时间分辨的信息是有力的工具。这种荧光单分子探测(SMD-single molecules detection)及单分子光谱探测(SMS-single-molecules spectroscopy)与其数据处理方法的组合，形成了荧光共振能量转移(FRET-Fluorescent resonance energy transfer)的探测方法。通过该方法可以获得2纳米8纳米的空间分辨率的构像信息，达到光学方法上最高的分辨率。以上近场、共焦、荧光显微术和荧光共振能量转移四种基本技术构成了目前活跃的生物单分子探测的光学平台。（5）光电子材料与器件光电子材料是指在光电子技术领域应用的以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的特种材料。目前已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料（如电致发光材料、液晶显示材料）和光电集成材料等，它们被广泛应用于高科技领域。信息时代的“信息爆炸”要求计算机有更快的处理速度和更大的信息存储量，这些问题都可以用新型的光电材料芯片和光存储材料来解决。再如能源危机促使人民越来越注重对更干净、更环保的太阳能和氢能开发上，而新兴的光电转换材料和储氢材料的开发将使这些