浅谈光学的发展史

浅谈光学的发展史

光学是研究光的产生和传播、光的性质、光与物质的相互作用的科学。光学作为一门诞生340余年的古老科学,经历了漫长的发展过程,它的发展也表征着人类社会的文明进程。20世纪以前的光学,以经典光学为标志,为光学的发展奠定了良好的基础;20世纪的光学,以近代光学为标志取得了重要进展,推动了激光、全息、光纤、光记录、光存储、光显示等技术的出现,走过辉煌的百年历程;展望21世纪的现代光学,将迈进光子时代,光子学已不仅仅是物理学的学术上的突破,它的理论及其光子技术正在或已经成为现代应用技术的主角,光子学的发展和光子技术的广泛应用将对人类生活产生巨大影响。1微光学及其他集成光学20世纪60年代激光器的发明带来了一场新的光学革命,促进了光学与光电子学相结合,也标志着现代光学的诞生。此后,光学开始进入了一个新的历史时期,成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。非线性光学(也叫强光光学)是现代光学的重要组成部分,是系统地研究光与物质的非线性相互作用的一门分支学科。激光问世之前,基本上是研究弱光束在介质中的传播,确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量,介质的极化强度与光波的电场强度成正比,光波叠加时遵守线性叠加原理。在上述条件下研究光学问题属于线性光学范畴。而对很强的激光,例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时,光与介质的相互作用将产生非线性效应,反映介质性质的物理量(如极化强度等)不仅与场强E的一次方有关,而且还决定于E的更高幂次项,从而出现在线性光学中不明显的许多新现象。非线性光学主要涉及二阶、三阶非线性光学效应,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。傅立叶光学是现代光学的又一分支。自20世纪中期以来,人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来,给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念,更新了经典成像光学,形成了“傅立叶光学”。集成光学是激光问世以后,上世纪70年代初开始形成并迅速发展的一门学科,研究以光波导现象为基础的光子和光电子系统。集成光学系统包括光的产生、耦合、传播、开关、分路、偏转、扩束、准直、会聚、调制、放大、探测和参量相互作用。集成光学系统除了具有光子学器件的一般特点外,它还具有体积小、重量轻、坚固、耐震动、不需机械对准、适于大批量生产、低成本的优点,因而具有广泛的应用前景。20世纪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相互渗透,开始形成了光子学(Photonics)这一新的光学分支。光子学是研究以光子为信息载体,光与物质相互作用及其能量相互转换的科学,研究内容有:光子的产生、运动、传播、探测,光与物质(包括光子与光子、光子与电子)的相互作用,光子存储、载荷信息的传输、变换与处理等。随着光学仪器小型化、微型化的发展要求,诞生了微光学。微光学是研究微米量级尺寸光学元件和系统的现代光学分支。微型光学元器件的加工,是在一些特殊基底材料上利用光刻技术、波导技术和薄膜技术等,制成光学微型器件。随着微加工技术的成熟,未来的微光学研究还会有进一步的突破。还有衍射光学的发展,衍射光学是基于光的衍射原理发展起来的,衍射光学元件是利用电子束、离子束或激光束的刻蚀技术制作而成。可以预言,微光学和衍射光学这两个新兴学科将随着日益壮大的光学工业对光学器件微型化的要求有更大的发展,在使宏观光学元件转化为微观光学元件以及具有处理功能的集成光学组件,从而推动光学仪器的根本变革。现代光学还包括全息光学、自适应光学、X射线光学、天文光学、激光光谱学、气动光学、应用光学等。由于现代光学具有更加广泛的应用性,所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如,有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学;以正常平均人眼为接收器,来研究电磁辐射所引起的彩色视觉及其心理物理量的测量的色度学;还有众多的技术光学,如光学系统设计及现代光学仪器理论、现代光学制造和光学测试、干涉量度学、薄膜光学、纤维光学等;还有与其他学科交叉的分支,如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等……。可以预见,随着科学技术的发展,现代光学这棵大树会越来越枝繁叶茂,硕果累累。2智能模块t随着科学与技术的进步,21世纪的人类社会真正进入了高度信息化时代。人们的生活、工作无不与信息的传输、重组、分析、处理、存储等密切相关。在“3C”技术革命——(Communication通信、Computerization计算机化和Control控制)和“3A”应用——(FA工厂自动化、OA办公自动化和HA家庭自动化)的基础上,社会运作对信息量的巨大需求将用“3T”来表征(T表示1012):TB/s(太比特/秒)的信息传输速率、TB(1TB=1000GB)位的存储容量和(1/T)s(皮秒,p=10-12,1ps=(1/T)s)的处理速度。由于电子技术受到荷电性、带宽、互扰等固有的物理性质的限制,已很难满足“3T”的要求。而光子技术无疑是对电子技术的发展与突破,成为信息化社会的另一主要支柱。2.1光子学与电子的比较“光子”的概念来自于爱因斯坦对光电效应的解释,后来在有关原子、分子系统受激辐射与自发辐射的论述中就已经引入。但是对光子的进一步认识,直到在20世纪60年代激光问世以后才真正开始。激光、全息和光纤技术的兴起,突出了光学的作用和地位,量子光学、光电子学及其技术的发展推动了信息科学的飞速前进。光波导技术的应用与推广,使光纤通信与信息处理技术成为信息科学的一支生力军。科学家们发现,电子学中的变频、混频、调制、解调以及通信、信息处理等都可以在光频波段实现,因此自然就提出了把光学向光子学开拓的问题。与电子相比,光子具有如下特点:一是光子所涉及的波段波长较短,频率高,因此分辨率高;二是光子的速度快,因此处理速度快;三是光的平行性、抗干扰性、空间互连性,这些性质具有更大的技术应用潜力。表1表明了电子与光子的共性与差异。从技术发展的角度来看,20世纪是电子时代(又称微电子时代),而21世纪被众多学者称为是光子时代,这是因为在未来高度信息化的社会里,光子学具备了巨大的技术应用前景。信息技术包括信息的探测、采集、处理、传输、显示、存储与拷贝等。现代信息技术的基本要求有三大方面:第一,是信息的高密度。由于信息量和信息密度的急剧增加,使原来基于电波长波的传送信息通道拥挤不堪,因而由长波转向短波和超短波,最后又转向光波,促使人们以光波作为信息载体,因此光通信、光记录、光显示等进入我们的生活。而且光波的应用也由红外向短波、紫外方向发展。例如在DVD光盘中,若以蓝光发射的激光器代替红光发射的激光器,则光学数据存储容量将增加2.5倍。第二,是信息的数字化。数字化量比模拟量更准确,易合成,易压缩。从多媒体角度看,图像的传播用光波更直接更方便。因此在图像信息的获取、传输、存储、处理、光电显示等方面,光子技术具有不可替代的作用。第三,是信息处理的高速度。对复杂信息进行实时的高速采集、大容量的传输、高密度的实时记录、大面积的真彩色显示和复制等,都离不开光子的参与,还有各种现代仪器要求“光机电算一体化”(Optomechatronics)。因此光子学和光子技术在信息技术的诸多方面显示出更大的优势。光子技术应用的优势主要体现在以下几方面。1光子信息系统的运算速度光子器件及其系统的响应速度快,例如光开关器件,响应时间可达飞秒(1fs=10-15s)量级,而电子器件及其系统的响应时间最快为纳秒(1ns=10-9s)量级。光子信息系统的运算速度大大超过现有的电子信息系统,这一点在未来的信息技术特别是计算机技术上将会促成根本性的变革。1990年1月,美国贝尔实验室完成了世界上第一台数字光处理器,其核心部件的光开关速度达到每秒10亿次,显示了光子技术的高速度运转和平行处理特征。2信息传递更加顺畅光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大,因此信息传输容量大,使信息交换和传递更加通畅。光纤通信的容量比微波通信的容量要大1万到10万倍,一路微波通道只可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号,而一根光纤可以同时传送1千多万甚至1亿路电话信号。3进网络的存储量光存储技术由于其信息存储密度大、容量大、可靠性强、存取速度快和低成本等特点,得到广泛应用。光盘早已进入多媒体终端和千家万户。光盘和光卡的存储量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍,而且不易磨损,不受外磁场干扰,不受温度影响。可以说光盘是20世纪以来,继汽车、电视、微机之后的又一重大发明。有人预计,利用光子学方式可以实现三维立体存储,其容量之大令人惊叹,一旦关键技术取得突破,将会显示出无与伦比的优势。4光学性能高、可扩充电路、三维并行、互联互通的光神经网络模拟技术高速度处理信息是光子技术最有潜力的应用。在光计算机中,与电气布线相比较,由于光的频率高,可以高速传递信息,而且可以利用多重波长、信息二维并列传递等,使信息传递能力大大提高。作为计算机的前处理技术还有模拟光计算、并列数字光计算等。光纤具有极好的并行性,可以同时并行处理二维信息、三维并行互连及并行处理,能克服冯·诺依曼结构的电子计算机的瓶颈效应,特别有利于图像的处理和传输。用光学方法可以演示神经网络的图像识别和复原的功能,现在具有并列处理、学习、自组织化机能的光神经网络正处在开发和实验中。光不需要阻抗匹配,不需要布线回路,因此可以进行高速信号调制。这些特点远远超过了电气布线的局限。5光子集成技术微光子技术与光子集成(PIC)技术将同微电子技术和集成电路(IC)一样得到迅猛发展。微光子技术涉及梯度折射率光学、衍射光学、纤维光学等许多分支,已研制出许多微型光学阵列器件,由于光波波长短,光子信息系统的几何尺寸将大大缩小。光子集成的特点是将有源电子器件(如半导体激光器、光放大器、光探测器等)与光波导器件(如分/合波器、耦合器、滤波器、调制器、光开关等)集成在一块半导体芯片上,构成一种单片全光功能性器件。这从根本上改变了集成光学和光电子集成中,有源无源器件分别集成后再利用光纤连接的弊端,使器件体积更小、功耗更低。2.2光谱学与其他学科的综合整合1测定方法的原理生物的基本单元是细胞,细胞里的DNA(脱氧核糖核酸),呈双重螺旋结构,由被称为A、G、C、T的4种碱基组成,碱基有吸收光谱,其荧光寿命小于10ps(皮秒),因此需要亚皮秒或飞秒级的脉冲来准确测量这些碱基的光谱和荧光寿命,这样就能准确地认识分子。生命是取决于遗传因子这一物质的作用的,科学家希望能用光来控制遗传因子,继而控制生命和物质。人的大脑里有大约1千亿个神经细胞,信号从一个细胞传到另一个细胞时,经过一个叫做“突触”的接点。这个接点是不连续的,其间的信息由神经物质来传递,也就是说大脑或心灵的活动也是由这种神经传递物质所控制的,既然心灵活动是基于物质的作用,那么就可以用光来控制。这方面的研究还有待于光学专家与生命科学家共同取得突破性进展。2飞秒激光器的原理20世纪30年代人们提出了化学反应的过渡态理论,把化学动力学的研究深入到微观过程。过渡态只是一个理论假设,反应物越过这个过渡态就形成了产物。飞越过渡态的时间尺度是分子振动周期的量级,当时被认为是不可能通过实验来研究的,因此在化学反应路径上,过渡态成了未解之谜。到20世纪80年代飞秒激光器研制成功,飞秒激光器的脉冲宽度正是化学反应经历过渡态的时间尺度。飞秒激光脉冲如同一个飞秒尺寸的探针,可以跟踪化学反应中原子或分子的运动和变化。美国加州理工学院的泽维尔教授率先应用飞秒光谱研究化学反应过渡态的探测,并取得了世人瞩目的成就,因此获得1999年诺贝尔化学奖,从而形成了“飞秒化学”这一物理化学的新学科。目前飞秒化学已经广泛应用到化学和生命科学各领域。3近红外荧光光谱技术老年痴呆症是一种大脑退化病,由于它的不确定性使人们感到困苦忧伤。为了研究这种病,医学上寻求一种对大脑无损伤的诊断方法。因为皮肤、骨头和血液对波长在600~1300nm之间的光透过很好,已经有一种红光探针用于诊断脑部疾病。科技人员用647nm波长的探针透过头盖骨进入大脑,在那里使脑组织发出近红外的荧光,这个荧光光谱返回并透过头盖骨被收集分析,带回健康组织和疾病组织的一些特征。这种技术叫做“近红外荧光光谱技术”,它是完全无损伤的。用这种技术还可以测出服药与不服药的病人之间疾病变化速率的差异。可以预见,这种光谱技术有朝一日会成为治疗脑部疾病的有力武器。4光子在农业生产生激光对有机体的作用是相当复杂的,到目前大致认为是激光通过光、热、压力、和电磁场等效应对有机体发生作用。预计光子技术在激光育种、作物生长期照射、激光灭虫等领域也会有更大的用武之地。光子技术还可以应用到农业生产。日本滨松光子公司的一个植物实验工厂,利用半导体激光器种植水稻,实验表明,已经有一年收获五季水稻的可能。由于没有病虫害,如果考虑上下五层并将种植密度提高5倍,则总收获量可期望提高625倍。这对人类将是巨大贡献。还有光电遥感技术,帮助人类解决目前所面临的能源、粮食、气象预报、环境监测等问题。资料表明,美国用光电遥感仪监视洪水、改造良田、探测农作物病虫害、改进油田探测及小麦估产等5项,每年的经济收益达15亿美元以上。2.3光照科学及其高新技术的应用1微观探索功能光子学及其技术在生产实践过程中的自动监控、图像分析、精密测量、信息处理、能源利用、微观探索等各个领域正发挥着越来越重要的作用。未来仪器要求光机电算高度一体化,它是光学、机械、电子、计算机等领域的高度融合,随着激光、光纤、微电子、计算机、高分子材料以及软件技术的发展,光机电算一体化仪器将层出不穷。2超快速激光器能超快速技术产生于一个皮秒(10-12s)或飞秒(10-15s)数量级范围的非常短的激光脉冲,飞秒激光器提供了极短的时间间隔内的相当高能量的脉冲,因此与其它技术相比,把由于热弥散引起的效应和相关的损伤减小到最低的程度。超快速激光器能在钢铁或其它微型机械的材料上钻一个小孔而不引起附加的损伤。为了生物实验和光学信息处理,已经试制出带有微米量级运动部件的微型机械样品。但超快速微加工技术仍然是一个新领域,有待进一步发展。3澳大利亚东南角的led灯除了高分辨率电视(HDTV)外,利用全息技术的动态图像的三维显示,将发展成三维电影和三维电视,在澳大利亚黄金海岸的电影主题公园,人们已经欣赏到类似电影。红、绿、蓝光输出的发光二极管(LED)已经在一些全彩色显示上得到应用。而“电子报纸”和“电子杂志”已经取得成功,随着显示器件的进展,将很快走向商业化,像普通报纸杂志那样灵活方便。4光脑的特性,提高了对于模拟说的高度继电脑之后,21世纪将是“光脑”发展的时代。人们预计,条件成熟时,光脑(光计算机)有可能取代电脑,光脑与电脑相比具有优势如下:一是并行处理能力强,运算速度高,比电脑快1000倍。二是高速电脑由于产生热量而影响速度,只能在低温下工作;而光脑可以在室温下工作。三是光子不需要导线,即使光线交接也不会产生相互影响。作为“无导线计算机”传递信息的平行通