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光学技术发展史应用以及未来展望

导读: 日本在20世纪80年代就提出“21世纪将是光技术的世纪”。电子技术虽然在20世纪文明社会的发展做出了巨大贡献,但由于电子技术被带宽等物理性质所限制和相互干扰,没有新的根本性的突破。

  前言:日本在20世纪80年代就提出“21世纪将是光技术的世纪”。电子技术虽然在20世纪文明社会的发展做出了巨大贡献,但由于电子技术被带宽等物理性质所限制和相互干扰,没有新的根本性的突破。无法满足二十一世纪, 信息容量大, 处理速度快,高密度的存储需求。光(光子)比电(电子)低功耗,高集成度,大容量,将在21世纪大发展。

  1、光学的发展史

  1.1 从远古到16世纪的萌芽时期,做了简单的光学现象的记录,并没有做系统的研究。创建一些简单的光学仪器,主要代表人物有:墨翟(公元前468-376年)著有《墨经》和欧几里得(公元前325年—公元前265年)著有《光学》。

  1.2 从16世纪中期至18世纪初的几何光学时期是光学发展的转机,建立了直线传播,折射,反射定律;提出了费马原理,光程,光的强度,颜色等概念和观察复杂的光学现象,建立,巩固和发展了牛顿的粒子理论。同时,波动理论开始萌芽。主要代表人物:费马(法,1601~1665)的费马原理,牛顿(英,1643~1727)的微粒学说。

  1.3 波动光学时期从19世纪初至19世纪末, 建立了波动理论, 干涉, 衍射和光极化现象的合理解释;迈克尔逊干涉仪, 否决了“以太”的存在,提出并验证光的本质是一种电磁波。以惠更斯,杨氏和菲涅耳为主要代表人物。

  1.4 量子光学时期从19世纪末到20世纪初,发现经典电磁理论的缺点,并建立光的量子理论。

  主要代表人物有普朗克(德,1858~1947)黑体辐射问题和爱因斯坦(美,1879~1955)解说光电效应。

  1.5 从20世纪60年代至今的现代光学时期,自1960年梅曼(美国,1927至2007年)所做的第一台红宝石激光器, 光进入了快速发展阶段,激光物理,激光技术,全息技术,光纤应用,红外波动的应用,非线性光学的新阶段,衍生出很多新的分支(非线性光学,全息光学,激光光谱学,自适应光学等) 。

  2、光学的应用

  2 . 1 激光技术

  激光可用于测距测速, 利用半导体发光应用高频调制的精密工程测距仪,距离可达数公里,精度为1~2厘米。激光用于精密计量,加工精密机械,照射种子产生遗传变异,改良作物;还有可用于视网膜焊接,瞳孔虹膜切除等。

  2 . 2 空间光学

  在空间天文, 深空探测和对地观测等领域中需要使用空间光学系统。主要技术包括: 高空间分辨率, 高光谱分辨率, 高时间分辨率,高辐射分辨率和定标精度。

  2 . 3 红外技术

  红外探测器,导弹制导和靶场测量、夜视、侦察、遥感、卫星姿态控制以及农业等许多方面都有很多应用。

  2 . 4 高速摄影

  利用光电效应的克尔盒高速摄影机,利用电控光阀的象增强摄影等。

  3、光学的展望

  3.1 光子技术,擅长信息传输,并具有宽带、大容量和并行处理等优点,在最近二十几年来有很大的发展,如光纤通信, 光盘存储,传感领域光子技术等的出现。还有当今广泛应用的电子计算机, 它的外部设备阵地(存储、显示、输入\输出等)也已经被光子技术占领。但是计算机的芯片仍被电子技术垄断。因此,电子技术最后胜利的标志就是攻下这个电子技术的最后堡垒,进而实现全光通信,全光网络和全光计算机。

  3.2 在过去的五十年中,光学物理研究最多的是激光光源,在今后的五十年里,人们应该着重研究对激光的控制(或光子调控) ,尤其是光开关技术。 全光开关是”以光控光“的基本光子组件。因为光子之间的相互作用太弱, 全光开关不能像电子晶体管开关那样直接地实现,一般要采用非线性光学方法间接地实现。这就是用激光致使介质的光学参量( 折射率, 吸收系数, 极化率,偏振态、频率等)发生非线性变化,从而控制在该介质中传输的光束,改变它的强度、方向、波长、偏振或速度。因此光开关是基于非线性光学原理的技术。

  3.3 信息光子技术

  信息技术, 包括通信、计算、传感与遥测等技术,事关经济发展和各种关键技术的现代化(如材料技术、能源技术、环境技术、生物医学技术、军事技术等)的带头羊。

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