光学及光电子技术的发展与应用1

现代光学及光电子技术开展和运用报告人：举行单位：电子与通讯工程系举行时间：2021-9引言2021年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2021年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。引言高锟：“光纤之父〞，香港中文大学第3任校长，因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通讯方面〞做出了突破性成就而获诺贝尔奖。由于他的出色奉献，中国科学院紫金山天文台将一颗编号为“3463〞的小行星命名为“高锟星〞。威拉德·博伊尔和乔治·史密斯因发明电荷耦合器件〔CCD〕图像传感器而得诺贝尔奖。引言近年来，以光通讯、光显示、光照明、太阳能光伏等为代表的光学、光电子、光子科学与技术突飞猛进，是21世纪最尖端的科学技术！电气时代微电子时代光电子时代蒸汽时代21世纪20世纪19世纪18世纪信息时代人类社会开展历程光子技术将继电子技术之后再次推进人类科学技术的革命！光子技术将引起一场超越电子技术的产业革命！光子技术将给工业和社会带来比电子技术更为宏大的冲击！光子时代曾经到来!现代光学及光电子技术开展和运用报告人：举行单位：电子与通讯工程系举行时间：2021-9内容概要现代光学与光电子学概述现代光学与光电子技术的开展前景光与光学现代光学与光电子技术开展现状与成就光电子产业的开展现状与前景第一篇：光与光学光是什么？惠更斯动摇说牛顿微粒说爱因斯坦光子说光既是粒子，又是电磁波，具有波、粒双重特征。可见光:波长为390nm至760nm光是一定波长范围的电磁波！光学是什么？早期→狭义光和视见的科学，描画与眼睛和视见相联络的事物今天→广义研讨从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线波段的关于电磁辐射的发生、传播、接纳、显示以及与物质相互作用的科学。萌芽时期：远古至十六世纪初几何光学时期：十六世纪中叶至十八世纪初动摇光学时期：十九世纪初至十九世纪末量子光学时期：十九世纪末至二十世纪初现代光学时期：二十世纪六十年代至今光学181720192116世纪轴远古萌芽几何光学现代光学过渡时期：直线传播占主导，动摇实际逐惭构成量子光学动摇光学光学开展简史光学的开展历史——萌芽时期11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜17世纪初，詹森发明显微镜墨子——世界摄影光学之父公元前400年，<墨经>记录光直线传播、小孔成像、球面镜成像等欧几里德

在其著作<光学>一书中提出触须学说.光学的开展历史——几何光学时期17世纪上半叶，斯涅耳得出光的反射和折射定律。光的折射光的反射牛顿：光的微粒说光是由发光物体发出的遵照力学规律的粒子流。光学的开展历史——动摇光学时期惠更斯，菲涅耳，动摇学说光是机械波，在弹性介质“以太〞中传播。托马斯.杨，夫琅和费光的干涉光的衍射光学的开展历史——动摇光学时期马吕斯，布儒斯特光的偏振景象麦克斯韦，赫兹光是电磁波光波是横波光是电磁波光学的开展历史——量子光学时期普朗克量子假说，解释了黑体辐射爱因斯坦密立根光量子说，解释了光电效应狭义相对论，处理运动物体的光学问题玻尔，诠释元素光谱康普顿，康普顿效应证明了光量子说研究尺度量子光学动摇光学几何光学以光本质上是一种波长较短的电磁波为根底,采用简谐振动中的正弦(或余弦)规律来描画,研讨光的动摇性以光线的概念为根本观念,采用几何方法来研讨,只研讨光传播的几何规律以光本质上是一份一份的能量子——光子为根底,采用波函数描画各实际所适用的研讨尺度1917年，爱因斯坦论文<关于辐射的量子实际>，确立了受激辐射实际。1960年梅曼制成了世界上第一台激光器——红宝石激光器。希奥多·梅曼美国物理学家；世界激光之父；光电产业之父；光学的开展历史——现代光学与光子学时期激光和全息术的问世标志着现代光学和光子学的开场，为光学开展的里程碑！1948年，伽柏提出波面再现原理〔全息术实际〕，得诺贝尔物理学奖〔1971〕第二篇：现代光学与光电子学概述人类在二十世纪有四项艰苦发明，猜猜是什么？生物技术；激光技术；计算机技术；原子能技术；激光的英文名是什么？这个英文名的由来？LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

受激发射的光放大激光称号的由来1964年前，LASER还没一致的中文名字。中国人叫它“莱塞〞、“雷射〞等。1964年12月，钱学森教授建议将其命名为“激光〞LASER“最快的刀〞；“最准的尺〞；“最亮的光〞；“神光〞；激光自1960年问世以来，便成为人类探求和改造自然的强有力工具。激光、全息术的问世→经典光学向现代光学过渡的标志20世纪最后十年，电子产业是全球经济增长的重要动力。而光子技术成为21世纪推进经济开展的中心技术。光子学成为近代光学重要研讨内容。现代光学和光子学光子学与光子技术将与电子技术一样作为信息载体或作为能量载体在运用技术和工程方面发扬越来越重要的作用。构成的学科分支如激光光学、激光光谱学、非线性光学、自顺应光学全息光学、信息光学、光纤光学、波导光学红外光学、紫外光学、X射线光学、量子光学强光光学、微光光学、集成光学成像光学、天文光学、瞬态光学、遥感技术、声光学现代光学和光子学构成的学科分支运用范围非常广泛。空间、能源、资料、微电子、生命科学、生物工程、化学工程、医疗、环境、遥感、精细加工、计量、通讯、印刷以及军事等领域对其他学科有很强的浸透力。光子说医学光子说化学光子说生物光子说物理激光物理学量子光学光化学激光生物学生物光学激光医学现代光学和光子学的特点现代光学开展的特点作为能量、加工的手段信息载体光纤通讯；空间激光通讯等静态到瞬态宏大到微小如研讨纳秒、皮秒、飞秒等超快速景象；天文望远镜到微透镜；波谱拓宽光学的研讨从可见光扩展到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。“光、机、电、算〞一体化光学、精细机械、电子、计算机相结合激光热聚变；激光焊接，激光打孔等现代光学和光子学的重要研讨领域重要研讨领域激光和激光的运用激光的高亮度激光的高方向性激光的高单色性激光的高相关性光通讯光的频谱范围宽抗干扰才干强光波波长短，分辨率高光速快，因此处置速度快这些特点使光学和光子学在21世纪将会得到更大的开展。利用激光准直，在3公里的长度上的准直误差不超越0.2毫米利用激光测距，测8000公里的卫星，误差不超越2厘米第三篇：现代光学与光电子技术开展现状与成就光学研讨十大现状和成就对根底科学的奉献对电子学的奉献光电通讯技术开展传统光学工程化光子学开展光学资料的开展光信息实际与实际薄膜光学与二元光学自顺应光学近代根底光学光的研讨中产生的成就之一——对根底科学的奉献量子力学和相对论都是以光学实验为出发点。相对论→麦克逊干涉实验量子实际→黑体辐射丈量光谱学不断是量子物理的实验根据，已成为物质分析的主要手段；光化学，成为化学反响的催化手段。激光为研讨物质运动，包括化学反响提供了新的手段。’光的电磁波论发现无线电波无线电通讯无线电电子学电子学专业工程学科光的研讨中产生的成就之二——对电子学的奉献光的研讨中产生的成就之三——传统光学工程化光学设备的精细化常用光学仪器的规模化消费艰苦光学工程的创建降低了消费本钱精细仪器为认识和改造世界发明了条件大型天文望远镜进光口径从2mФ，4mФ，5mФ以致于到达10mФ；超高分辨率空间对地察看相机孔径为0.6mФ，1.5mФ，3mФ；6.5m詹姆斯·韦伯太空望远镜哈勃太空望远镜主镜口径2.4米昴星团〔日本〕8米望远镜〔SUBARU〕8.3米主鏡是目前世界上最大的單一鏡片光學望遠鏡霍比-埃伯利望远镜9.2mKeckI&II望远镜整体镜面直径为10米，8层楼高，当前投入任务的最大口径光学望远镜。加那列大型望远镜最大的地面根底望远镜10.4m“大麦哲伦〞,直径8.4米,2021年将落成智利阿雷西波无线电波望远镜，300m世界迄今最大单口径射电望远镜，500mFAST工程，2021年12月26日在贵州省平塘县一片名为“大窝凼〞的喀斯特洼地中正式启动，估计工期5年半光的研讨中产生的成就之四——光子学的开展波长的扩展微波、远红外、红外、可见光、紫外、远紫外、软X光波段；激光的问世电子学与量子物理的结合，光学技术的艰苦革命；光刻、半导体发光器件，光敏器件等促进了半导体和微电子技术开展远间隔图像传输，例如电视，大大改善了人类的生活容颜；光子学成为战略高技术之一！！加速器产生的同步辐射，可作为高亮度观测和微细加工的手段。光子学光的研讨中产生的成就之五——光纤通讯技术开展原始概念：从半导体提纯技术获得高透明介质进展远间隔传输。运用：全球性网络，包括越洋传输的光缆。性能：传输率作为商品已达10GB，前沿已达60GB；

它在经济上比空间卫星全球通讯系统更具竞争力。信息传输：头发粗的光纤，可同时传输几万路；信息存储：30cm直径光盘，可存储80万页中文字；光的研讨中产生的成就之六——光信息实际与实际

光学传送函数为复杂的光学成像链提供了方便的质量评价手段。光学信息处置可在复杂的背景中提炼出所需求的特征图像，例如图像识别。遥感技术是以这个实际为根据遥感技术光信息实际在遥感技术中的运用光的研讨中产生的成就之六——光信息实际与实际光学信息实际在医疗技术上的艰苦奉献X射线透视X光CT核磁共振CT差温层析仪光学信息传输的开展为高明晰电视和可视的信息紧缩技术奠定了根底；全息光学技术是当前迅速储存光学图像的一种新手段，它以点位相储存的方式替代了几何轮廓的储存方法。这个新概念使得多景的图像可以叠加在一同，运用时靠衍射原理分开；这个概念给信息技术一个新的启示，特别是在生物信息方面。光的研讨中产生的成就之七——薄膜光学和二元光学薄膜光学光学增透膜光学增反膜单色滤光片函数滤光片偏振滤光片；光学面的维护层；二元光学可以实现非常规光学所能实现的光学成像效果。如：把电光源变成线光源，或特殊图像的光点方式等。薄膜光学和二元光学光的研讨中产生的成就之八——自顺应光学运用用于激光光学系统。由于激光漂移所引至的相位误差可以得到补偿，因此可以提高大功率激光的光学质量；也可以用于补偿光学系统成像的缺陷，例如热形变效应等等；

根本概念光学传输穿过可抖动或漂移的介质，进展实光阴学相位补偿以提高成像的质量近代根底光学光的研讨中产生的成就之九——近代根底光学的构成非线性光学。获取倍频、差频、和频、等效果；强激光光学和等离子体物理光学成为研讨激光核聚变作为能源的根底科学；量子信息作为迅速传输手段，具有信息传输密要的优点，用于研讨量子计算机激光技术促进了微观动力学领域的开展，运用前景极为宽广。光的研讨中产生的成就之十——光学资料得到开展人工晶体非线性晶体线性晶体激光任务物质光学玻璃新工艺光学资料第四篇：现代光学与光电子技术开展前景21世纪应是光学大开展的时期光学作为信息载体----信息光子技术光学作为能源--------能源光子技术现代光学和光电子技术的开展前景

信息光子技术——光纤通讯60GBTB光信号调制采用光电技术10-8秒纯光学调制〔如光干涉〕光纤传输光纤通讯用激光束作为信息载体进展空间通讯。激光VS微波频带宽高度相关性空间定向性优势通讯容量大严密性高功耗小体积小，分量轻信息光子技术——空间激光通讯需求研制大孔径的察看相机空间对地察看我国空间对地观测的才干还很落后卫星察看下的长沙学院教学楼摘自GoogleEarth03年伊拉克战争前，美国的对地观测能察看到巴格达街头摊位上的苹果信息光子技术——空间对地察看利用量子信息的传输正在探求过程中。。。量子通讯用量子态作为信息载体，经过量子态传送完成大容量信息传输。信息光子技术——量子通讯超分辨率观测和监控体系。“TEAM0.5〞显微镜分辨率到达0.5埃信息光子技术——超分辨率观测信息光子技术——光显示薄膜晶体管液晶显示器〔TFT-LCD〕等离子体显示器〔PDP〕发光二极管显示器〔LED〕有机发光二极管显示器〔OLED〕3D显示……三代光存储：光盘存储——2维〔外表〕光存储双光子光存储——3维〔体〕光存储金属纳米杆光存储——5维〔+2偏振〕光存储信息光子技术——光存储〔1〕极快的呼应时间可用于超高速、宽带通讯：光子静止质量为零、在真空中以光速运动，光子呼应时间短达10－15秒；而电子器件及系统最快的呼应时间为10－9秒，两者相差100万倍。这在未来的光计算机等关键技术中将发扬宏大作用。〔2〕传输信息容量大：光子传输信息时具有时间可逆性、不具有高度空间局域性。〔3〕高抗干扰、高可靠性：光子不带电荷，光纤不和受外界电磁波相互作用，光纤通讯具有高抗干扰、高可靠性。(4)光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点

信息光子技术的优势电子信息技术光子信息技术通信技术有线通信（电话、电视）无线通信（手机、电视）光纤通信空间光通信计算技术二进制电子计算机模拟、数字光计算输入/输出机械、电子打印激光打印、扫描、复印显示技术电子显象管液晶，等离子体，场效应，LED存储技术磁盘，电子录像、摄像机光盘，全息，DVD，数码相机传感技术半导体传感器光纤光栅传感器遥感技术电子测距、雷达激光测距、雷达器件集成晶体管等电子器件集成激光器、光开关等光子器件集成信息光子技术VS信息电子技术激光核聚变利用激光照射核燃料使之发生核聚变反响。核聚变氢弹、太阳能量宏大条件苛刻高温，高压能量释放太猛列如何诱发?怎样控制？？用激光照射核燃料使之发生核聚变反响可控聚变能电站氘大量存在于海水的重水之中提供5000万年之久的能源！能源光子技术——激光核聚变激光武器沿一定方向发射的激光束攻击目的的定向能武器利用激光的高方向性和能量高度集中的特点。受环境要素大配备笨重要求精细光速无污染能量高度集中优点灵敏变向抗电磁干扰91年海湾战争，激光制导炸弹，从地下室的通气口准确进入。能源光子技术——激光武器激光热加工激光焊接激光打孔激光切割激光打标外表改性微加工高亮度、高方向性、高单色性和高相关性无接触加工，对工件无冲击，因此无机械变形，无"刀具"磨损；加工速度快，对非激光照射部位影响极小。能源光子技术——激光热加工人类阅历过2次照明革命： 火——白炽灯、荧光灯——半导体光源〔LED〕 (20世纪)(21世纪)LED光源的优点：1)高效节能：减少全球照明用电50％和总耗电10％;2)节约经费：节约灯、灯具、电费的开支每年2500亿美圆;3)绿色环保：可以减少CO2和SO2的排放量到达3.5万吨;4)长寿命：LED光源比白炽灯寿命长100倍；比荧光灯长5倍。半导体光照明〔LED〕能源光子技术——半导体光照明LED光源与传统光源的比较太阳能优点：1〕太阳能是最丰富的能源 2〕太阳能是最干净的能源 3〕太阳能不需运输可就地开发4〕太阳电池产品国际年增长率：到达50%。5〕光伏发电提供全球电能：如今2%，2040年到达25%各种能源耗尽的年份能源光子技术——太阳能电池技术第五篇：光电子产业的开展现状与前景光电子产业在全世界的产值光电子产业将成为21世纪最大产业！美国商务部指出：“谁在光电产业方面获得自动权，谁就将在21世纪尖端科技竞赛中夺魁〞。20世纪是微电子的世纪，21世纪将是光子的世纪。光电子产业的内容和分类科研军事能源交通工业农业医疗环保文娱光子产业光通讯产业光信息产业激光产业光学产业光无源器件光纤与光缆光有源器件光通讯测试设备光通讯系统设备光学仪器光谱仪器光学零件真空镀膜光学资料

光盘与光盘机激光器与发光管显示器打印机与复印机数码相机

图像扫描仪图像传感器光电探测器太阳能电池光照明激光雷达测距仪

全息照相设备

激光加工处置设备

激光器系统设备

激光医疗设备世界光电子产业的开展概略美国、日本、德国三个国家激光产业的开展代表了当今世界激光产业开展趋势。日本在信息光电子技术方面占首位，美国在激光医疗及激光检测方面占首位，德国那么在激光资料加工方面占首位。我国光电子产业年增长>50％，占国际市场的份额<5％“光谷热〞在中华大地兴起2000年首先建立“武汉