《现代光学导论》课程论文

《现代光学导论》课程论文

[作者]冯海飞

[学号]0840820003

[摘要]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，从经典光学到近代光学，再到现代光学，它的发展也表征着人类社会的文明进程。展望21世纪，随着以光信息为代表的信息化社会的发展，人类将迈进光子时代，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。

[关键词]现代光学；光子学；光子技术；应用；光信息

光学是研究光的产生和传播、光的本性、光与物质相互作用的科学。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 现代光学的诞生和发展

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 光子时代的到来

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 ( Communicat ion 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 ):TBs的信息传输速率、TB位的存储容量和1T/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 光子的优势与光子技术的特点

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。

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。

2.2 光子学与其他学科的进一步结合

1) 光子学与生物学相结合。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10 ps( 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) 光子学与飞秒化学相结合。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) 光子学与医学相结合。老年痴呆症是一种, 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600～1 300 nm 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647 nm 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) 光子学与农业科学结合。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 光子学及其高新技术的广泛应用

1) 光机电算高度一体化。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) 光学超快速技术的发展。超快速技术产生于一个皮秒或飞秒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) 光学显示技术的提高。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) 光计算机技术的突破。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!传递信息的平行通道, 其密度是无限的。四是一台光脑只需很小能量就能驱动, 耗能相当于电脑的若干分之一。目前光脑的关键技术, 例如光存储, 仍然是以硅基电子芯片作为心脏部件, 如果能使光子互连立足在硅基材料上实现, 发展硅基光子学将会带来新的突破。还需要大幅度提高光脑的运算能力即增加光开关的数量。

5) 光纤通信技术的发展。光纤通信是光子技术最具代表性的成就。光纤的出色传输能力使以光网络为代表的宽带传递与接入技术快速发展, 成为新一代传送网的基础。人们乐观地估计, 随着密集波分复用技术( DWDM) 、码压缩等技术的应用,一根光缆所载荷的容量就足以满足全球的话音通信。诸如可视电话会议、全自动化无人操作工厂、全球信息联网等必将到来。

6)光带——大容量离线存储技术的发展。光带是一种将数据信息存储在条形介质带上的光存储器件, 它结合了光盘和磁带这两种目前最流行的存储技术的优点, 兼有光盘的高密度和磁带的总存储量可以很大的优点, 目前推出的产品在一个43cm×27cm×66cm的箱体内, 存储量可达1TB以上, 按信号调制方式的不同, 最大可达4.5 TB, 还具有数据传输速率快( 高达180MB/s) 、信息存取时间短( 33GB/s, 存取1TB的数据, 平均时间10s) 、系统成本低、存储数据可靠、使用寿命长( 大于100年)的特点。它是目前发达国家特别是美国正在积极开发的数字存储技术之一。

7) 光学器件的发展。未来的探测器件和成像器件将继续向着高增益、高分辨率、低噪声、宽光谱响应、大动态范围、小型化、固体化和真空与固体相结合的方向发展。随着各种元器件性能的提高, 将使图像增强技术、低照度摄像技术、光子探测技术和红外成像技术等跃上新的台阶。

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