浙江省骨干教师培训课程

光电子学：新世纪的高技术基础

---兼谈光通信的前世、今生于未来

周骏

宁波大学

2013-03-15

第一部分近代科技发展史回顾第二部分现代科学技术的发展第三部分科技进步推动经济变革第四部分光通信的前世、今生与未来内容提要第一部分

近代科技发展史回顾一、科学的苏醒，经典科学和机械的时代（16世纪——18世纪）1543年，哥白尼“天体演化论”——太阳中心说，科学和神学的决裂；1687年，牛顿“自然哲学与数学原理”，奠定经典力学的基础；1750年，蒸汽机、纺织机械发明。1795年，蒸汽火车出现在欧洲大陆。——工业革命,动力革命,规模生产和铁路使市场形成。二、近代科学和电的时代

（19世纪）

1831年，法拉第“电磁感应”奠定了机械能转化为

电能的基础；

1840年，焦耳“能量守恒定律”；

1864年，马克斯韦尔“电磁光统一数学模型”建立；

1859年，达尔文“物种起源”——进化论;

1865年，孟德尔“遗传理论”——遗传单元学说。

——规模生产，工业资本扩张，自动化和效率化管理的萌芽。三、现代科学和原子能时代

（20世纪上半叶）

1895年，贝克内尔发现放射性；

1898年，居里及居里夫人发现镭，制备和应用；

1900年，普朗克提出量子论；

1900年，德符里斯提出“细胞核/染色体/DNA”体系；

1905年，爱因斯坦“质量和能量的转化关系”，相对论

力学，十年后提出“广义相对论”；

1944年，原子弹试验成功；

1948年，维那、香农“信息论、控制论、系统论”。

——核武器、核发电，信息科学和自动化理论和应用，成熟工业化。

四、当代科学和电子和信息技术奠基时代

（20世纪下半叶）

1946年，电子管计算机ENIAC诞生，数字技术出现；1948年，BellLab发明了二极管;

1953年，沃森、克里克提出DNA分子双螺旋结构；

1958年，第一块集成电路出现；

1978年，微计算机8086出现；

1990年，人类基因组计划启动；

1995年，Internet开通。

———信息技术50年漫长的助跑，进入高增长，高技术兴起，知识经济和经济全球化初见端倪。世界人均GDP的爬坡康德拉捷也夫—曼德林（1920）

“长周期理论”——

经济长波周期：振兴、繁荣、衰退、萧条

大约50—55年一个周期

机理：

——科学发现、技术发明（原始创新）

——新技术体系、技术群成批出现

——产业换代、经济向上

——技术稳定、潜力渐尽

——经济增长乏力、资本寻求新的机遇

数字化与生物技术？

电子信息

电力

铁路

机械

17701830188019301990罗默（1986）技术收益递增型增长模型企业收益=f(企业物质资本，企业劳动，社会平均知识水平，特定企业生产某产品的专业知识)新的现象：研究和开发产生垄断利润，克服了资本边界效应递减；技术引进推动资本积累；人才资本是经济增长的内生变量。f是什么？管理——企业资源和环境优化调度。

展望新世纪的科学前景，高新技术为代表的当代科技推动经济发生着巨大的变革，构成第一生产力中最活跃的因素，带动着知识产业的形成。

生产力高速发展也使人们面临资源、环境、生态方面越来越大的矛盾，知识经济作为一种新的经济形态在解决这个矛盾方面给我们带来了新的希望。第二部分

现代科学技术的发展

生物、信息、材料、航天……一.生命科学和生物技术生物技术被认为是21世纪技术的突破点。1900年，德符里斯提出了“细胞核/染色体/DNA”的学说；

1953年，沃森（遗传学家）、克里克（物理学家），提出生理过程的化学规律，DNA“双螺旋结构”;1990年，“人类基因组”计划启动；

1997年，Clone克隆技术。

生物技术的最大突破是人们已经有手段对生物的遗传基因进行破译。破译的结果是基因结构的全顺序，是人类认识生物的基本“字典”。代表作——“人类基因组计划”人体细胞中有31.746亿组分子密码组成的碱基对，有3.5—4万组遗传基因；包含生命的全部空间结构信息和与生命过程相关控制信息；其复制过程保证生物遗传、稳定和生命时钟进程；对进化保守区和活跃区的研究，可以认识生命系统的多态性，揭示人类繁衍的历史和体系结构；现代人20万年前发端非洲，13万年前走向世界各大陆。DNADNA复制个体的生长，群体的繁衍，都是依赖这个最原始的过程。

2000年6月26日“人类基因组计划”成员国美、英、法、德、日、中宣布人类基因组草图；

2001年2月12日公布基因图谱及分析结果。测序完成以后，2003年前将完成：

碱基对如何组成基因；每个基因的位置、结构、功能；

DNA（密码）——RNA（信使?）——蛋白组学。“后基因组计划”：

药物基因组学；环境基因组学；基因组信息学。意义通过对人类基因组的研究，发现人类5000种疾病是显性遗传疾病，单基因遗传病1500种。发现基因缺陷，进行健康基因导入和缺陷修复，生物工程方法研制新药，是未来医药学突破口。中国的大家庭优势、隔离区优势、多民族优势是重要的遗传信息资源，也是需要保护的重要经济技术资源。中国1%，生命信息权益。反向思维：

医学伦理问题，对物种多样化的破坏，转基因食物安全，DNA中的危险因素。

——基因工程向深度和广度前进我国科学家完成了对水稻基因破译。解释水稻所有的特征和多态性。对基因复制的原理进行研究，优势基因筛选、评价、裁剪。新物种的培育，产生优质、高产、抗病、抗碱、抗寒的农作物。异种基因导入，抗虫棉，含人的凝血因子、血液蛋白的转基因羊——活的制药厂。高等生命产生的新形式

——Clone克隆

多代克隆，异种受体克隆相继成功。克隆熊猫问世？

Clone技术有巨大的科学价值，在未来市场上的价值上更是空前的。科学意义：生命过程，生命演化，遗传的稳定性、多态性和遗传突变。经济意义：植物细胞培养技术，动物胚胎和细胞培养技术，优势种质资源保存和扩大，大规模工业化生产方式推动农业的产业化。特殊社会价值：干细胞技术（StemCell），用于人体器官移植的人工器官克隆（肌肉、皮肤、心肌?…），濒危动物的恢复性培育。

——生命科学技术走向本世纪的辉煌2008年1月17日，英国人工授精与胚胎学管理局正式批准两个研究小组各获得为期一年的研究许可，从现在起进行人兽混合胚胎培育工作。管理局强调，研究小组培育的人兽胚胎只能用于研究，不可用于临床治疗或植入人体，胚胎只能维持在初期水平，发育时间不得超过两周。伦敦大学国王学院的研究小组培育混合胚胎，用于已知的因遗传因素导致的疾病如老年痴呆症、脊椎肌萎缩、帕金森氏症等多种疑难疾病的病理研究；纽卡斯尔大学的研究小组希望用这种人兽混合胚胎培育技术，进一步了解干细胞在体内如何发展成各种组织英国正式批准人兽混合胚胎研究Chimera（客迈拉）：人兽杂交Chimera是希腊神话中一只有狮头、羊身和蛇尾的吐火怪兽，是百头怪兽提丰(父亲)和厄喀德那(母亲)杂交的后代。科学家已经成功把人类基因克隆到细菌和动物身上。2003年，上海第二医科大学将人类皮肤细胞与兔子卵细胞融合，培植出人类胚胎干细胞。该研究胚胎被体视为首例制造出来的人兽杂交“客迈拉”。2004年，美国明尼苏达州马约医学中心将人类干细胞移入猪的胚胎，制造出流着人血的“客迈拉猪”。2005年，美国内华达大学将人类干细胞移入绵羊胚胎，制造出“客迈拉羊”。“羊”的肝脏中约80%的细胞是人类干细胞。二、电子信息技术——计算机技术

1944年冯.诺依曼提出程序存储和顺序计算的概念；

1946年第一台电子计算机ENIAC诞生；

1948年BellLab发明了二极管；

1954年年第一台晶体管计算机诞生；

1958年仙童公司诺宜斯发明了第一块集成电路IC；

1968年摩尔、诺宜斯和管理能手格罗夫创立Intel公司，Intel成为现代计算机的主流。

时间机型集成度(线宽—微米)典型速度1971年40040.2万门0.1Mips1978年80862.9万门<1Mips1982年28613万门1.51985年38627.5万门31989年486110万门101993年586Pentium300万门(.35)1001996年Pentium(II)500万门(.25)4501999年3月Pentium(III)2800万元件(.18)8502000年6月Pentium(IV)4200万元件(.13)2200

2002年4月Itanium(II)2.2亿元件(.18)25002003年*月Itanium(III)5.0亿元件(.13)?AMDAthlon-xp用户任务程序存储顺序计算用户结果冯•诺依曼机在Wintel架构的实现高端计算平台

Highendcomputing或者Networkedhighendcomputing——每秒1000亿次以上计算机系统，目前国际上共500多台。

意义：

国防、核爆模拟、动态系统工程、基因破译、药物设计、大规模网络主机。

核心技术问题：

大规模并行结构；

并行操作系统。

目前最好的高端计算机ASCIBlueMountain其峰值速度为3.072万亿次（12.3万亿次——2000）中国曙光3000为4032亿次——1/32的功能可支持每天7000万个电子邮件，1/16的功能支持80亿次网络访问访问，用1.5小时完成月天气预报。曙光3000：共有280个接点处理机、通信处理机、输入、输出处理机。可用于计算、网络、信息、清算、结算、交换中心。完成大型分析、模拟、图象、事务处理。世界有能力制造仅有6个国家，世界80名。国家7个高性能计算中心的主机。

2002年8月29日，联想深腾180为1.027万亿次，526个Xeon处理机，世界24位(前23位均美、日)。

油田模拟、材料、气象领域。——通信技术

1837年莫尔斯发明电报；

1876年贝尔发明电话,通信的企业巨人诞生；

1948年维纳、香农提出信息论、控制论、系统论，出现了宽频带大容量时分、频分概念，微波多路通信成为50年代主体通信技术；

1965年微波卫星通信；

80年代后期集成电路出

现，微波数字通信成为通

讯形式的主流。频率也是资源，光通讯崛起！

由于激光技术和激光器件的发展,光导纤维材料的进步，光通信以其高于电磁波10000倍的频率带来：大容量带宽、低成本、抗干扰成为通信介质的主流。1.3微米的低色散窗和1.55微米的低损耗窗成为通信的主要窗口。

中美海底直通光缆设9个信号校正点，4对光缆通信容量80Gb，可传送400万路电话。光通信已成为信息社会支撑技术。光缆除了通讯，还用于网络、医学，化学分析、测量等领域。

系统结构：计算机集群系统局域网（Intranet）广域网（Internet）多媒体综合信息网核心技术：UNIX(Linux)WindowsTCP/IP标准，速度、效率综合布线技术C/S、B/S、服务平台技术——计算机网络计算机和通信技术的结合。

1968年建立了ARPAnet;1969年9月第一台路由器制成，实现了计算机网互连;

1995年4月，ARPAnet完成向Internet转化。信息技术进入新的时代。

1995年4月，是人类进入知识经济时代的标志。

新一代计算机网络

Internet正如日中天，但Internet有标准、无规划，是自生长网络，能迅速蔓延生长，网上阻塞、安全、扩充、迂回、资源浪费问题日趋严重。影响长远生命。未来网络的特点？(技术&应用)网络协调控制技术，流量控制、优化路径控制；网络安全技术，新方法结构，加密新理论和算法；大规模网络结构的智能化——自组织系统、智能群体的合作；光交换IP宽带网，海量传输、海量信息库；网格系统Grid——海量数据节点、超级计算节点，资源管理和任务调度，可视资源共享应用(织女星网格)。·未来大规模知识网络，知识表达、存储和更新、知识过程的可视化、在线翻译、多平台应用；

·网上商业经营是主角:B2B(BusinesstoBusiness)、

B2C(BusinesstoCustomer)；·实时点播电视、国际会议、数字图书馆、网上虚拟现实，将成为生活的一部分。网络发展趋势：信息获取——双向互动交易——知识共享和网上服务。网络在中国：网上经营型——中国网络生命力的门槛。社会生产代谢的新机遇。地理中心——信息中心——信息技术的后台：微电子技术

1958年第一次将四个晶体管制作在一个硅片上，开创了集成电路IC的历史。

关键技术：光刻是电路微型化的基础，目前线条工业标准达到0.13/0.09微米。

摩尔定律：由于光刻技术进步，集成度和性能基本上按照工艺更新周期——18个月翻一翻的速度前进，促成电子信息技术高速发展。

下一代电子材料

电子材料应用已达物理极限，解决原子条件下载流子运动规律、量子效应、热障、微缺陷、结构问题。

DNA为微电子材料新结构提供了希望。

新材料的探索，砷化镓….

新加工方法，微重力加工技术…..

DNA中包含了大量的信息。是生命信息的ROM、RAM和CPU。将DNA片段固化在硅片上，就成为——DNA芯片核心。

应用领域：生命信息破译、疾病基因识别，基因药物研制；植物和动物特异基因定位，品种快速培育；具有成批信息处理功能的新型计算机——生物分子计算机（2001.11以色列、10亿次）。——数字技术：信号的数字表达与LSI结合

信号的数字表达；理论上无失真的进行信号复制、传输、处理、压缩、加密；

数字电路结构相似性，特别适合大规模集成工艺。

大规模存储/远程无失真传送/高质量处理

数字计算机、数字通信、

网络技术、多媒体技术、数

字电视、HDTV、信息管理、

数字控制、智能电器，前景

将会无穷期……………——信息系统工程的新领域

★虚拟现实技术：

•虚拟结构功能设计；

•虚拟教学环境，交互式教育训练；

•虚拟人体，知觉、机能，虚拟手术；

•虚拟环境生态演化、灾情；

•虚拟战场，军事指挥与对抗。

★新控制算法——智能化控制方法是方向

★嵌入式系统将无处不在

★CAD、CAM、FMS、ERP、CIMS、CRM

——数字企业应用将进入大中型企业，并将改造现行的管理制度·规划、决策CIMS——MIS——ERP技术创新能源环境计划、控制资金流人力资源管理管理

产品开发热能转换多层协调物流人力政策（CAD）质量控制节能燃烧技术控制供应链培训计划

（DDC）

（FMS)在线监测过程控制销售流预报（CAM/DCS）(CRM)

数据采集虚拟企业

仪表(PC)——数字平台：数字地球、数字生态地理信息GIS(时、空);

地质信息；气象、环境、生态信息;经济信息；城市规划信息；模型、分析、决策支持。澳门

网络、数据库、多媒体、多文种信息技术、虚拟现实世界的数字世界将进一步融合。

全球信息的不对称,带来事实上的不平等和挑战,使加快信息化建设更为迫切。三、材料科学技术

材料科学发展的最显著的特征是：从微结构和分子设计的角度提高材料品质性能。

结构材料:纳米级韧性陶瓷材料、高比强度化合物合金材料、金属陶瓷纤维复合材料、结晶态可控高分子材料、表面涂层和改进材料等。

信息材料:硅、砷化镓半导体材料、磁性膜金属膜和磁光膜存储材料,低耗损光纤材料、陶瓷为基础的敏感材料。

能源功能材料:高温超导材料、高磁场强度的永磁材料、低成本高效率的太阳能电池材料、有机分离膜材料、燃料电池材料等。

生物和智能材料:组织亲和的人造器官材料，有自诊断功能、自组织功能、自愈合功能的仿生材料。纳米材料科学——Nanometer(百万分之一毫米）

研究材料在纳米尺寸，可和分子原子尺度比拟下性质和特性的科学。分子级和原子级的材料观察和分析手段STM、AFM出现，推动纳米科学技术发展。

碳60被发现，球型分子结构和高分子量，使得它有奇特的物理和化学性质，在固体润滑、携带材料、高能燃料方面可能有重要的应用前景。碳纳米管是由碳原子层卷曲而成，直径为0.4纳米的理论值到几十个纳米，长度为几个厘米。将是自然界最细的纤维：钢的1/6密度，钢的100倍强度。发射电压低的电学特性，可望用于平面显示、微电子、超导领域。纳米科学：纳米结构和特性；纳米材料工程：原子和分子设计，原子分子操作、表征和计算机仿真技术，自组织和自修复结构，合成技术；纳米器件和系统：应用于计算机、通信的高容量、高速器件，生物传感器，高效光电池，污染清除材料；新的应用领域开发。从NII(国家信息基础工程/信息高速公路)到——NNI（国家纳米技术计划）微机械和微电子技术结合，功能集成的方向将取代规模集成。

微小卫星技术将是微系统技术的最先实现的对象。——微系统技术四、航天、激光、天体科学神州一号——1992年开始的由邓小平亲自批准的921工程，分为运载子系统、飞船子系统、测控子系统、生命保障子系统、应用子系统。飞船工程和应用的科学意义微重力材料科学微重力生命科学宇宙射线观测微重力流体物理空间生理流体管理燃烧和防火空间医学生命保障多相流传热人类对月球的探索与嫦娥工程

1959年9月，前苏联发射“月球2号”，命中月球上名为“澄海”的东方地区。同年10月，“月球3号”成功绕到月球背面，拍摄了平时无法看到的月球另一面照片。美国从1961年起先后执行了“徘徊者”计划、“勘探者”计划和“月球轨道环行器”计划。使一些无人探测器环绕月球飞行，并把一些探测器送上月球，对月球进行了详细、周密的探测。为什么要去月球？月球是地球唯一的天然卫星，在人的肉眼里，天空中除了太阳以外，最亮的就数月亮。古今中外数不清的文人黑客把月亮描绘得美不胜数。中国“嫦娥奔月”就是一个最古老的、流传很广的神话故事。那么月亮究竟是什么样的呢？那里真的有庄严的广寒宫、高大的桂树和神仙吗？当然没有，实际上月球表面是一片没有生命的不毛之地。是不毛之地吗？月亮是离地球最近的天体（距地球平均距离是3.84×105千米），比较容易探测。资源：月球上具有可供人类开发利用的各种资源（已知有100多种矿物，其中五种是地球上没有的）。能源：月壤中蕴藏着100万吨以上的氦—3，它是可控制核聚变的主要原料。应用月球上氦—3安全发电，能满足世界至少几百年的能源需要。特殊环境：月球是许多基础科学开展观察和研究的理想场所；是研制和生产特殊材料及生物制品的理想场所；也是人类向外空发展的理想基地和前哨站。我们可以将月球看作是一座天然的空间站。中国的嫦娥奔月计划

嫦娥工程的“三步走”战略一期工程----“绕月”：发射一颗月球卫星，在距离月球表面200千米的高度绕月飞行，边绕边看，进行月球全球探测。最近发射的月球探测器“嫦娥一号”，对月球表面环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。嫦娥工程第一期“绕”二期工程----“落月”：2007年至2010年，目标是研制和发射航天器，以软着陆的方式降落在月球上。

也就是发射月球软着陆器，降落月球表面，释放一个月球车，在月球上边走边看，进行着陆区附近局部详细探测。着陆器还将携带天文望远镜，从月亮上观测星空。三期工程----“回地”：2011至2020年，目标是月面巡视勘察与采样返回。发射自动采样返回器，降落到月球表面后，机械手采集月球土壤和岩石样品到返回器，返回器再将月球样本带回地球，开展相关研究。世界各国的月球探测日本：将于2025年在月球建立基地，让机器人做月球的“拓荒者”。

印度：计划在2008年发射第一艘无人登月飞船“月球飞船－Ⅰ号”。

俄罗斯：新式登月飞船将在今年夏天首次试飞。

美国：再度登月的时间定在2015年，最迟不超过2020年，并且要在月球建设“多国太空站”。核聚变与可控热核反应利用磁场约束实现核聚变。利用等离子体带电的性质，用强磁场将其约束在一定的区域内，并保持一段时间。此类装置中以“环流磁真空室”即托卡马克最有成效，在技术上有望突破。它的中央是一个半径2～3米的不锈钢环形真空室。惯性约束核聚变制成直径几毫米的“靶丸”，利用强激光从许多方向上对其同时照射，靶丸具有惯性，再加上激光的光压力，使内层氘和氚混合物的密度急速增加，直径急剧缩小，温度可达数千万度，高温高压最终可使聚变反应发生。

1991年11月9日，欧洲JET，温度3亿开，约束时间1.8秒，脉冲功率1.7兆瓦。第三部分

科技进步推动经济变革★科学的跨越阶段，总会带来了一次具有明显特色的工业革命，促进生产力有大的跨越；★先进技术不仅是经济发展的推动力，而且具有开拓市场，开辟新的生产力领域的能力：★当代科学技术的成就使得全球经济持续发展，也给发展中国家提供了一种跳跃式发展的机遇；★科学技术推动思想解放、观念更新，甚至对社会意识也将起到更新的作用。

“科学技术是历史的有力杠杆，是推动人类社会前进最高意义上的革命力量”。——马克思一、知识经济的来源和起点人类面临的问题：“增长的极限”?“可持续发展”?UN1984—“21世纪议程”——知识经济概念：

“人类正在步入一个以智力资源的占有、配置，知识的生产、分配、使用（消费）为重要因素的经济时代。”简而言之，“知识经济”就是以知识为基础的经济。

Internet的诞生，1995年4月30日——“知识经济”起点。“知识经济”的特征和内涵：◆知识已成为社会生产力的最活跃的新要素；◆知识产权的地位和价值得到充分认识；◆知识经济以高技术为支柱产业，智力资源为依托，具有不或少消耗短缺资源、可持续发展、人和自然的协调、全球化的特征,知识经济已经成为社会生产的重要组成部分；◆知识经济以知识决策作为管理决策的依据，具有先进和先导产业特征；◆以特定目标的知识创新，是知识产权的摇篮。

——创新的意义、目的、重点。

“创新是一个民族进步的灵魂，是国家发达的不竭动力”；

“要依靠科技创新，实现生产力发展的跨越”；

“要鼓励原始性创新，努力攀登世界科学技术高峰”。

二、知识经济成为现实，并带动其他经济结构

知识经济代表性的产业是信息产业。微电子、计算机、网络、信息高速公路构成庞大的信息产业群。

生物技术与信息技术配合，产生了新生命科学、基于基因工程的新遗传工程、新药革命。

在材料科学领域，碳纤维、C60成为自然界从未有过的高性能材料形态。这些都是知识经济的代表作。知识经济影响下的经济—技术价值链知识经济不能代替大规模基础物质生产，但可以大大提高物质资源开发的深度和广度，促进物质生产走向节约、高效、洁净、可重复利用的新生产方式。技术创新产品开发科学发现知识创新生产组织销售服务国家、地方、行业实力(公共财政)企业实力人民生活分清政府、企业、科研单位的位置、责任。建立应有的链接，以及增值循环。经济———技术价值链

三、人才资源和技术是生产资本，

是知识经济原动力

知识经济最大特点：知识和掌握相关知识的人才是生产力一部分。1948AT&T肖克利晶体管1955肖克利实验室平面晶体管1957仙童公司摩尔—诺宜斯集成电路、英特尔格罗夫—摩尔—诺宜斯

4004—P4CPUAMD先进微器件Athlon-XP技术和产品的进步是人才的转移,

以人为本，尊重知识，尊重人才。AT&TUNIXCPL/1BASICMicrosoftMS-DOSAPPLEMacintochMicrosoftWindowsLinuxLindows四、科技发展带动现代管理，竞争力重要表现

用系统工程方法来组合各种类型技术和子系统——技术集成，从而发挥最大效率就是技术集成成功特例。

引申到管理领域：技术、市场、人才、机制、资本运作、全球经济和发展环境的优化集成是现代管理的特征——必须以专业化的管理取代经验管理。

现代企业管理是管理革命的先锋——现代企业的阶梯——

行业标准价值链控制竞争力综合市场份额

CRM

品牌技术领先2年成本规模效益竞争层次产品特征——没特点别干，干小是白干，带头才是好汉。五、知识经济的成就使得经济发展的全球化趋势加速，加入国际竞争、开展国际合作、遵守国际标准已成为共识。

——经济的全球化推动着新经济正在向我们走来。

从软件标准开始，计算机有了共同语言；为使计算机互连，出现了“开放系统互连标准”的“七层协议”，才出现了全球性的“英特网——Internet”；“国际标准”成为发展经济交流的共同语言。区域经济—>

网络经济、

知识经济、

经济全球化。

生产要素在全球流动，实现资源的在全球范围的优化配置。是机遇也是更大的挑战。

——新经济概念六、知识经济也和每个人息息相关

——现代信息化生存和知识经济影响下的新生活将走向我们数字网关ISDN、宽带10M↑

数字影象

数字计算

自动驾驶数字电视数字家电数字健康——我们将面临更多新事物、新要求网络生活、文化、商务跨地域远程工作在线翻译新材料带来的清洁健康产品和生活方式生物技术产品将最大限度取代化学产品及能源转基因食物基因工程药品将用人工器官实现无排斥的器官移植工作生活更多地和现代手段结合，必须适应现代文化、现代生活管理者将面临专业化的更高要求交叉学科将成为强者，传统学科—新兴科学，知识理论—现代工具，科学技术—人文精神。科学技术和迷信愚昧的斗争会更激烈，普及和宣传科学更重要

1972年，UNESC组织大会：“学会生存——教育的今天和明天”，提出了终身学习的概念:“Life-Longlearning”。

用年轻的心态坚持终身学习成为适者生存的新规律第四部分

光通信的前世、今生与未来一、光学的发展

光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。▲研究内容1、光的发射、传播和吸收的规律。２、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光的生理效应等。３、光的本质的研究。光的传播-----反射、折射、衍射、干涉、偏振等；与物质的相互作用-----色散、散射等其它光的作用；量子光学电磁光学波动光学几何光学非线性光学内容可分为几何光学、波动光学、量子光学、现代光学。♣几何光学、波动光学------研究光的传播；♣非线性光学-------研究光与物质作用理论；♣电磁光学-------基于Maxwell方程的研究理论；♣量子光学-------基于量子论的理论；♣非线性光学--------光在非线性材料中的传播、强光与材料的相互作用

▲光学简史☞周朝的金燧取火（公元前1000年）☞古埃及金字塔出土的平面镜（公元前1000年）；☞《墨经》中的光线传播，平面镜、凹面镜、凸面镜的成像（公元前400年）；☞

Euclid的《反射光学》（公元前400年）；☞南宋沈括《梦溪笔谈》中，针孔成像、球面镜成像、虹霓、月蚀现象的描述。1.古代光学 公元前------16世纪宏观光学现象的直观认识2.经典光学 17世纪------19世纪

Galilei

望远镜(1610年)，发现土星光环；

Kepler望远镜用于天体观测(1611)，Kepler三定律；

Snell的折射定律（1621年）；

Fermat原理:自然界以时间最短作为行为准则(1657);Newton的微粒学说、色散实验（1666年）;

Romer根据木星的月蚀测出光速有限≈214000km/s,(1676）；

Huggens的波动学说（1678）；

Young的干涉实验（1801）；

Fresnel的波动理论（1814）、反射折射定律（1832）；

Fizeau用旋转齿轮测光速（≈315300km/s）（1849）；

Foucault测出水中光速比空气中光速小（1850），与微粒学说矛盾，与波动说吻合；

Maxwell的电磁波理论(1873)、光速

Michelson&Morley的干涉实验（1887）；19世纪末确立了光的波动理论的统治地位。

3.近现代光学 1900-----量子论（1900）；

Einstein发现光电效应（1905）；

deBroglie

的物质波理论（1924）；

Born的波粒二像性理论（1925）；激光器的诞生（1960）；

QuantumOptics（量子光学）；

NonlinearOptics（非线性光学）；

IntegratedOptics（集成光学）；

OpticalCommunication（光通信）；

Holography（全息学）；

Photonics（光子学）；

….现代光学的分支和技术萌芽时期（约公元前400年—公元16世纪）成就发现和总结了一些实验现象，如平面镜成像、透镜成像、凹凸面镜成像、针孔成像的现象和规律。造出了透镜、凹凸面镜、眼镜、暗箱等光学元件。几何光学时期（公元16世纪—公元19世纪）成就建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础；发现了干涉、衍射、偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说初步提出。造出望远镜（H.Lippershey

，1587—1619年）、显微镜（Z.Janssen，1580—1656年），极大地推动了天文、航海、生物学的发展。

为几何光学向波动光学过渡时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。波动光学时期（公元19世纪）成就惠更斯—菲涅耳原理成功地解释了光的直线传播、干涉、衍射和偏振现象，奠定了波动光学的基础；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，赫兹（H.R.hertz，1857—1894年）测得电磁波的传播速度等于光速，确定了光的电磁理论基础。成功地测定了光的波长，用多种实验方法测定了光在各种介质中的传播速度。

光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很总要的作用，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。量子光学时期（公元19世纪末—公元20世纪上半叶）成就爱因斯坦（1879—1947年）发展了普朗克的能量子假设，提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效应等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。

光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们进一步探索光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。现代光学时期20世纪60年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期。成就激光问世（T.H.Maiman

，1927—

），全息术、微波、光纤、红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为现代物理学和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论上出现了许多新的分支学科和边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、量子光学、激光光谱学、集成光学等。

现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认识进一步向前发展，在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作用。二、光学的应用1.激光技术LaserTechnology历史回顾激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。1950’s:汤斯（BELL实验室）,厘米波研究，雷达轰炸瞄准系统

创新:用原子或分子作为单色电磁波的振荡器

1954年:制成氨分子振荡器,λ:1.25cm,Maser1958年,论文--红外与光学激射器--激光器的起点1960年,梅曼,红宝石激光器,世界第一,用Xe灯泵浦该领域的有关诺贝尔奖1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的发明1971:DennisGabor,激光全息术1981:洛.布隆姆贝根,激光光谱学1997:朱隶文等三人,激光冷却和陷俘原子

朱隶文系美籍华人,1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究院院士2005：罗伊·格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献;

约翰·霍尔、奥多尔·汉斯：基于激光的精密光谱学研究哈佛大学罗伊·格劳伯（下图左）、科罗拉多大学约翰·霍尔和德国路德维希-马克西米利安大学特奥多尔·汉斯（下图右）。激光的特性方向性好：光束几乎在一条直线上传播,发散角几毫弧度单色性好:He-Ne激光的谱线宽度约2X10-9nm相干性好：He-Ne的相干长度200Km，而普通光源中最好的氪灯为0.78m高亮度：普通激光的亮度比太阳高100亿倍可调谐：通过改变腔长可改变波长可调制：振幅、偏振方向及频率等参数可以调制（光通信采用）能量可压缩：激光脉冲的持续时间可以短到皮秒、飞秒、阿秒例：红宝石激光器的工作原理激光器的组成1.工作物质;2.谐振腔;3.泵浦源本实验室的YAG激光器的腔体结构图激光技术的应用测量：测距，干涉计量法加工：焊接，打孔，切割，雕刻农业：育种医学：美容，治疗近视眼，激光手术军事：能量武器，制导信息处理：信息存储与读取，激光打印，照排

通信：光通信，光放大科研应用：高新技术的攻关

实例1

激光切缝

激光切割技术：与其它切割工艺相比，具有高速度、高精度和高适应性，割缝细、热影响区小（变形小）、切割端面质量好、切割无噪音、焊缝区组织和性能与母材接近等优点；而且，加工只需简单夹具，无需模具，可代替采用复杂模具冲切的加工方法，能够大大缩短生产周期，降低生产成本。例如可以对石油套管进行切缝；可以对金属管材、板材进行切割，利用激光切缝技术可以降低金刚石圆锯片工作过程中产生的严重噪声污染等。激光淬火技术：又称激光相变硬化，是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。具有加热速度快、淬火硬度高、淬火部位可控、不需淬火介质等优点。实例2激光淬火

实例3激光打标与钻孔激光打孔的典型值：几十到200um，最小25um2000年以前全世界400多台激光钻孔设备其中300台在日本图：激光打标（孔）实例4

大幅面玻璃内雕

玻璃雕刻机实例5

激光治疗仪

脉冲Ho:YAG激光治疗仪

（德国,0.8μm,3J,20Hz,光纤输出）

脉冲Er:YAG激光治疗仪

（美国,2.94μm,30w,2J,七关节输出）波长为670±5nm，功率连续可调，最大光纤末端输出功率2瓦医用半导体激光器实例5

激光治疗仪实例6

激光炸弹1.光纤通信技术FiberCommunicationTechnologyHistoryofFiberOpticsTotalInternalreflectionisthebasicideaoffiberoptic

JohnTyndalldemonstration