現(xiàn)代光學(xué)及光子技術(shù)的應(yīng)用（1）

??摘要：光學(xué)作為一門誕生340余年的古老科學(xué)，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，從經(jīng)典光學(xué)到近代光學(xué)，再到現(xiàn)代光學(xué)，它的發(fā)展也表征著人類社會(huì)的文明進(jìn)程。展望21世紀(jì)，隨著以光信息為代表的信息化社會(huì)的發(fā)展，人類將邁進(jìn)光子時(shí)代，光子學(xué)的發(fā)展和光子技術(shù)的廣泛應(yīng)用將對(duì)人類生活產(chǎn)生巨大影響。

??光學(xué)是研究光的產(chǎn)生和傳播、光的本性、光與物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光學(xué)作為一門誕生340余年的古老科學(xué)，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，它的發(fā)展也表征著人類社會(huì)的文明進(jìn)程。20世紀(jì)以前的光學(xué)，以經(jīng)典光學(xué)為標(biāo)志，為光學(xué)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ);20世紀(jì)的光學(xué)，以近代光學(xué)為標(biāo)志取得了重要進(jìn)展，推動(dòng)了激光、全息、光纖、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等技術(shù)的出現(xiàn)，走過輝煌的百年歷程;展望21世紀(jì)的現(xiàn)代光學(xué)，將邁進(jìn)光子時(shí)代，光子學(xué)已不僅僅是物理學(xué)的學(xué)術(shù)上的突破，它的理論及其光子技術(shù)正在或已經(jīng)成為現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)的主角，光子學(xué)的發(fā)展和光子技術(shù)的廣泛應(yīng)用將對(duì)人類生活產(chǎn)生巨大影響。1 現(xiàn)代光學(xué)的誕生和發(fā)展20世紀(jì)60年代激光器的發(fā)明帶來了一場新的光學(xué)革命，促進(jìn)了光學(xué)與光電子學(xué)相結(jié)合，也標(biāo)志著現(xiàn)代光學(xué)的誕生。此后，光學(xué)開始進(jìn)入了一個(gè)新的歷史時(shí)期，成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。

??非線性光學(xué)(也叫強(qiáng)光光學(xué))是現(xiàn)代光學(xué)的重要組成部分，是系統(tǒng)地研究光與物質(zhì)的非線性相互作用的一門分支學(xué)科。激光問世之前，基本上是研究弱光束在介質(zhì)中的傳播，確定介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的折射率或極化率是與光強(qiáng)無關(guān)的常量，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與光波的電場強(qiáng)度成正比，光波疊加時(shí)遵守線性疊加原理。在上述條件下研究光學(xué)問題屬于線性光學(xué)范疇。而對(duì)很強(qiáng)的激光，例如當(dāng)光波的電場強(qiáng)度可與原子內(nèi)部的庫侖場相比擬時(shí)，光與介質(zhì)的相互作用將產(chǎn)生非線性效應(yīng)，反映介質(zhì)性質(zhì)的物理量(如極化強(qiáng)度等)不僅與場強(qiáng)E的一次方有關(guān)，而且還決定于E的更高冪次項(xiàng)，從而出現(xiàn)在線性光學(xué)中不明顯的許多新現(xiàn)象。非線性光學(xué)主要涉及二階、三階非線性光學(xué)效應(yīng)，在激光技術(shù)、信息和圖像的處理與存儲(chǔ)、光計(jì)算、光通信等方面有著重要的應(yīng)用。

??傅立葉光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的又一分支。自20世紀(jì)中期以來，人們開始把數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運(yùn)算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了傅立葉光學(xué)。集成光學(xué)是激光問世以后，上世紀(jì)70年代初開始形成并迅速發(fā)展的一門學(xué)科，研究以光波導(dǎo)現(xiàn)象為基礎(chǔ)的光子和光電子系統(tǒng)。集成光學(xué)系統(tǒng)包括光的產(chǎn)生、耦合、傳播、開關(guān)、分路、偏轉(zhuǎn)、擴(kuò)束、準(zhǔn)直、會(huì)聚、調(diào)制、放大、探測和參量相互作用。集成光學(xué)系統(tǒng)除了具有光子學(xué)器件的一般特點(diǎn)外，它還具有體積小、重量輕、堅(jiān)固、耐震動(dòng)、不需機(jī)械對(duì)準(zhǔn)、適于大批量生產(chǎn)、低成本的優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)70年代以后，由于半導(dǎo)體激光器和光導(dǎo)纖維技術(shù)的重大突破，導(dǎo)致以光纖通信為代表的光信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了相應(yīng)各學(xué)科的相互滲透，開始形成了光子學(xué)(Photonics)這一新的光學(xué)分支。光子學(xué)是研究以光子為信息載體, 光與物質(zhì)相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的科學(xué), 研究內(nèi)容有:光子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、傳播、探測, 光與物質(zhì)( 包括光子與光子、光子與電子) 的相互作用, 光子存儲(chǔ)、載荷信息的傳輸、變換與處理等。隨著光學(xué)儀器小型化、微型化的發(fā)展要求, 誕生了微光學(xué)。微光學(xué)是研究微米量級(jí)尺寸光學(xué)元件和系統(tǒng)的現(xiàn)代光學(xué)分支。微型光學(xué)元器件的加工, 是在一些特殊基底材料上利用光刻技術(shù)、波導(dǎo)技術(shù)和薄膜技術(shù)等, 制成光學(xué)微型器件。隨著微加工技術(shù)的成熟, 未來的微光學(xué)研究還會(huì)有進(jìn)一步的突破。還有衍射光學(xué)的發(fā)展, 衍射光學(xué)是基于光的衍射原理發(fā)展起來的, 衍射光學(xué)元件是利用電子束、離子束或激光束的刻蝕技術(shù)制作而成?？梢灶A(yù)言, 微光學(xué)和衍射光學(xué)這兩個(gè)新興學(xué)科將隨著日益壯大的光學(xué)工業(yè)對(duì)光學(xué)器件微型化的要求有更大的發(fā)展, 在使宏觀光學(xué)元件轉(zhuǎn)化為微觀光學(xué)元件以及具有處理功能的集成光學(xué)組件, 從而推動(dòng)光學(xué)儀器的根本變革。

??現(xiàn)代光學(xué)還包括全息光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、X射線光學(xué)、天文光學(xué)、激光光譜學(xué)、氣動(dòng)光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)等。由于現(xiàn)代光學(xué)具有更加廣泛的應(yīng)用性, 所以還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例如, 有關(guān)電磁輻射的物理量的測量的光度學(xué)、輻射度學(xué); 以正常平均人眼為接收器, 來研究電磁輻射所引起的彩色視覺及其心理物理量的測量的色度學(xué); 還有眾多的技術(shù)光學(xué), 如光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)代光學(xué)儀器理論、現(xiàn)代光學(xué)制造和光學(xué)測試、干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)等; 還有與其他學(xué)科交叉的分支, 如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等?？梢灶A(yù)見, 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)代光學(xué)這棵大樹會(huì)越來越枝繁葉茂, 碩果累累。

??2 光子時(shí)代的到來隨著科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，21世紀(jì)的人類社會(huì)真正進(jìn)入了高度信息化時(shí)代。人們的生活、工作無不與信息的傳輸、重組、分析、處理、存儲(chǔ)等密切相關(guān)。在“3C”技術(shù)革命——(Communication通信、Computerization計(jì)算機(jī)化和Control控制)和“3A”應(yīng)用——(FA工廠自動(dòng)化、OA辦公自動(dòng)化和HA家庭自動(dòng)化)的基礎(chǔ)上，社會(huì)運(yùn)作對(duì)信息量的巨大需求將用“3T”來表征(T表示10-12):TB/s(太比特/秒)的信息傳輸速率、TB(1TB=1000GB)位的存儲(chǔ)容量和(1/T)s(皮秒，p=10-12，1ps=(1/T)s)的處理速度。由于電子技術(shù)受到荷電性、帶寬、互擾等固有的物理性質(zhì)的限制，已很難滿足“3T”的要求。而光子技術(shù)無疑是對(duì)電子技術(shù)的發(fā)展與突破，成為信息化社會(huì)的另一主要支柱。2.1 光子的優(yōu)勢與光子技術(shù)的特點(diǎn)"光子"的概念來自于愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋，后來在有關(guān)原子、分子系統(tǒng)受激輻射與自發(fā)輻射的論述中就已經(jīng)引入。但是對(duì)光子的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，直到在20世紀(jì)60年代激光問世以后才真正開始。激光、全息和光纖技術(shù)的興起，突出了光學(xué)的作用和地位，量子光學(xué)、光電子學(xué)及其技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了信息科學(xué)的飛速前進(jìn)。光波導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用與推廣，使光纖通信與信息處理技術(shù)成為信息科學(xué)的一支生力軍?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電子學(xué)中的變頻、混頻、調(diào)制、解調(diào)以及通信、信息處理等都可以在光頻波段實(shí)現(xiàn)，因此自然就提出了把光學(xué)向光子學(xué)開拓的問題。與電子相比，光子具有如下特點(diǎn):一是光子所涉及的波段波長較短，頻率高，因此分辨率高;二是光子的速度快，因此處理速度快;三是光的平行性、抗干擾性、空間互連性，這些性質(zhì)具有更大的技術(shù)應(yīng)用潛力。表1表明了電子與光子的共性與差異。

審核編輯 黃宇