現(xiàn)代光學(xué)及光子技術(shù)的應(yīng)用

從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，20世紀(jì)是電子時(shí)代(又稱微電子時(shí)代)，而21世紀(jì)被眾多學(xué)者稱為是光子時(shí)代，這是因?yàn)樵谖磥?lái)高度信息化的社會(huì)里，光子學(xué)具備了巨大的技術(shù)應(yīng)用前景。信息技術(shù)包括信息的探測(cè)、采集、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)與拷貝等?，F(xiàn)代信息技術(shù)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劇增加，使原來(lái)基于電波長(zhǎng)波的傳送信息通道擁擠不堪，因而由長(zhǎng)波轉(zhuǎn)向短波和超短波，最后又轉(zhuǎn)向光波，促使人們以光波作為信息載體，因此光通信、光記錄、光顯示等進(jìn)入我們的生活。而且光波的應(yīng)用也由紅外向短波、紫外方向發(fā)展。例如在DVD光盤中，若以藍(lán)光發(fā)射的激光器代替紅光發(fā)射的激光器，則光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量將增加25倍。第二，是信息的數(shù)字化。數(shù)字化量比模擬量更準(zhǔn)確，易合成，易壓縮。從多媒體角度看，圖像的傳播用光波更直接更方便。因此在圖像信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、處理、光電顯示等方面，光子技術(shù)具有不可替代的作用。第三，是信息處理的高速度。對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的高速采集、大容量的傳輸、高密度的實(shí)時(shí)記錄、大面積的真彩色顯示和復(fù)制等，都離不開(kāi)光子的參與，還有各種現(xiàn)代儀器要求光機(jī)電算一體(Optomechatronics)。因此光子學(xué)和光子技術(shù)在信息技術(shù)的諸多方面顯示出更大的優(yōu)勢(shì)。光子技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

響應(yīng)速度快。光子器件及其系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，例如光開(kāi)關(guān)器件，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)飛秒(1fs=10^-15^s)量級(jí)，而電子器件及其系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最快為納秒(1ns=10^-9^s)量級(jí)。光子信息系統(tǒng)的運(yùn)算速度大大超過(guò)現(xiàn)有的電子信息系統(tǒng)，這一點(diǎn)在未來(lái)的信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)上將會(huì)促成根本性的變革。1990年1月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室完成了世界上第一臺(tái)數(shù)字光處理器，其核心部件的光開(kāi)關(guān)速度達(dá)到每秒10億次，顯示了光子技術(shù)的高速度運(yùn)轉(zhuǎn)和平行處理特征。

傳輸容量大。光子信息系統(tǒng)的空間帶寬和頻率帶寬都很大，因此信息傳輸容量大，使信息交換和傳遞更加通暢。光纖通信的容量比微波通信的容量要大1萬(wàn)到10萬(wàn)倍，一路微波通道只可以傳送一路彩色電視或1千多路數(shù)字電話信號(hào)，而一根光纖可以同時(shí)傳送1千多萬(wàn)甚至1億路電話信號(hào)。

存儲(chǔ)密度大。光存儲(chǔ)技術(shù)由于其信息存儲(chǔ)密度大、容量大、可靠性強(qiáng)、存取速度快和低成本等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。光盤早已進(jìn)入多媒體終端和千家萬(wàn)戶。光盤和光卡的存儲(chǔ)量比磁盤、磁卡要高出200至20000倍，而且不易磨損，不受外磁場(chǎng)干擾，不受溫度影響?？梢哉f(shuō)光盤是20世紀(jì)以來(lái)，繼汽車、電視、微機(jī)之后的又一重大發(fā)明。有人預(yù)計(jì)，利用光子學(xué)方式可以實(shí)現(xiàn)三維立體存儲(chǔ)，其容量之大令人驚嘆，一旦關(guān)鍵技術(shù)取得突破，將會(huì)顯示出無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

處理速度快。高速度處理信息是光子技術(shù)最有潛力的應(yīng)用。在光計(jì)算機(jī)中，與電氣布線相比較，由于光的頻率高，可以高速傳遞信息，而且可以利用多重波長(zhǎng)、信息二維并列傳遞等，使信息傳遞能力大大提高。作為計(jì)算機(jī)的前處理技術(shù)還有模擬光計(jì)算、并列數(shù)字光計(jì)算等。光纖具有極好的并行性，可以同時(shí)并行處理二維信息、三維并行互連及并行處理，能克服馮諾依曼結(jié)構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)的瓶頸效應(yīng)，特別有利于圖像的處理和傳輸。用光學(xué)方法可以演示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別和復(fù)原的功能，現(xiàn)在具有并列處理、學(xué)習(xí)、自組織化機(jī)能的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正處在開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)中。光不需要阻抗匹配，不需要布線回路，因此可以進(jìn)行高速信號(hào)調(diào)制。這些特點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電氣布線的局限。

微型化、集成化。微光子技術(shù)與光子集成(PIC)技術(shù)將同微電子技術(shù)和集成電路(IC)一樣得到迅猛發(fā)展。微光子技術(shù)涉及梯度折射率光學(xué)、衍射光學(xué)、纖維光學(xué)等許多分支，已研制出許多微型光學(xué)陣列器件，由于光波波長(zhǎng)短，光子信息系統(tǒng)的幾何尺寸將大大縮小。光子集成的特點(diǎn)是將有源電子器件(如半導(dǎo)體激光器、光放大器、光探測(cè)器等)與光波導(dǎo)器件(如分合波器、耦合器、濾波器、調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)等)集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一種單片全光功能性器件。這從根本上改變了集成光學(xué)和光電子集成中，有源無(wú)源器件分別集成后再利用光纖連接的弊端，使器件體積更小、功耗更低。

2.2 光子學(xué)與其他學(xué)科的進(jìn)一步結(jié)合

光子學(xué)與生物學(xué)相結(jié)合。生物的基本單元是細(xì)胞，細(xì)胞里的DNA(脫氧核糖核酸)，呈雙重螺旋結(jié)構(gòu)，由被稱為A、G、C、T的4種堿基組成，堿基有吸收光譜，其熒光壽命小于10ps(皮秒)，因此需要亞皮秒或飛秒級(jí)的脈沖來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量這些堿基的光譜和熒光壽命，這樣就能準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)分子。生命是取決于遺傳因子這一物質(zhì)的作用的，科學(xué)家希望能用光來(lái)控制遺傳因子，繼而控制生命和物質(zhì)。人的大腦里有大約1千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，信號(hào)從一個(gè)細(xì)胞傳到另一個(gè)細(xì)胞時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)叫做突觸的接點(diǎn)。這個(gè)接點(diǎn)是不連續(xù)的，其間的信息由神經(jīng)物質(zhì)來(lái)傳遞，也就是說(shuō)大腦或心靈的活動(dòng)也是由這種神經(jīng)傳遞物質(zhì)所控制的，既然心靈活動(dòng)是基于物質(zhì)的作用，那么就可以用光來(lái)控制。這方面的研究還有待于光學(xué)專家與生命科學(xué)家共同取得突破性進(jìn)展。

光子學(xué)與飛秒化學(xué)相結(jié)合。20世紀(jì)30年代人們提出了化學(xué)反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)理論，把化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究深入到微觀過(guò)程。過(guò)渡態(tài)只是一個(gè)理論假設(shè)，反應(yīng)物越過(guò)這個(gè)過(guò)渡態(tài)就形成了產(chǎn)物。飛越過(guò)渡態(tài)的時(shí)間尺度是分子振動(dòng)周期的量級(jí)，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是不可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究的，因此在化學(xué)反應(yīng)路徑上，過(guò)渡態(tài)成了未解之謎。到20世紀(jì)80年代飛秒激光器研制成功，飛秒激光器的脈沖寬度正是化學(xué)反應(yīng)經(jīng)歷過(guò)渡態(tài)的時(shí)間尺度。飛秒激光脈沖如同一個(gè)飛秒尺寸的探針，可以跟蹤化學(xué)反應(yīng)中原子或分子的運(yùn)動(dòng)和變化。美國(guó)加州理工學(xué)院的澤維爾教授率先應(yīng)用飛秒光譜研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的探測(cè)，并取得了世人矚目的成就，因此獲得1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，從而形成了飛秒化學(xué)這一物理化學(xué)的新學(xué)科。目前飛秒化學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到化學(xué)和生命科學(xué)各領(lǐng)域。

光子學(xué)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合。老年癡呆癥是一種大腦退化病，由于它的不確定性使人們感到困苦憂傷。為了研究這種病，醫(yī)學(xué)上尋求一種對(duì)大腦無(wú)損傷的診斷方法。因?yàn)槠つw、骨頭和血液對(duì)波長(zhǎng)在600~1300nm之間的光透過(guò)很好，已經(jīng)有一種紅光探針用于診斷腦部疾病。科技人員用647nm波長(zhǎng)的探針透過(guò)頭蓋骨進(jìn)入大腦，在那里使腦組織發(fā)出近紅外的熒光，這個(gè)熒光光譜返回并透過(guò)頭蓋骨被收集分析，帶回健康組織和疾病組織的一些特征。這種技術(shù)叫做近紅外熒光光譜技術(shù)，它是完全無(wú)損傷的。用這種技術(shù)還可以測(cè)出服藥與不服藥的病人之間疾病變化速率的差異?？梢灶A(yù)見(jiàn)，這種光譜技術(shù)有朝一日會(huì)成為治療腦部疾病的有力武器。

光子學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)結(jié)合。激光對(duì)有機(jī)體的作用是相當(dāng)復(fù)雜的，到目前大致認(rèn)為是激光通過(guò)光、熱、壓力、和電磁場(chǎng)等效應(yīng)對(duì)有機(jī)體發(fā)生作用。預(yù)計(jì)光子技術(shù)在激光育種、作物生長(zhǎng)期照射、激光滅蟲等領(lǐng)域也會(huì)有更大的用武之地。光子技術(shù)還可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。日本濱松光子公司的一個(gè)植物實(shí)驗(yàn)工廠，利用半導(dǎo)體激光器種植水稻，實(shí)驗(yàn)表明，已經(jīng)有一年收獲五季水稻的可能。由于沒(méi)有病蟲害，如果考慮上下五層并將種植密度提高5倍，則總收獲量可期望提高625倍。這對(duì)人類將是巨大貢獻(xiàn)。還有光電遙感技術(shù)，幫助人類解決目前所面臨的能源、糧食、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。資料表明，美國(guó)用光電遙感儀監(jiān)視洪水、改造良田、探測(cè)農(nóng)作物病蟲害、改進(jìn)油田探測(cè)及小麥估產(chǎn)等5項(xiàng)，每年的經(jīng)濟(jì)收益達(dá)15億美元以上。

2.3 光子學(xué)及其高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用

光機(jī)電算高度一體化。光子學(xué)及其技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中的自動(dòng)監(jiān)控、圖像分析、精密測(cè)量、信息處理、能源利用、微觀探索等各個(gè)領(lǐng)域正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。未來(lái)儀器要求光機(jī)電算高度一體化，它是光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的高度融合，隨著激光、光纖、微電子、計(jì)算機(jī)、高分子材料以及軟件技術(shù)的發(fā)展，光機(jī)電算一體化儀器將層出不窮。

光學(xué)超快速技術(shù)的發(fā)展。超快速技術(shù)產(chǎn)生于一個(gè)皮秒(10^-12^s)或飛秒(10^-15^s)數(shù)量級(jí)范圍的非常短的激光脈沖，飛秒激光器提供了極短的時(shí)間間隔內(nèi)的相當(dāng)高能量的脈沖，因此與其它技術(shù)相比，把由于熱彌散引起的效應(yīng)和相關(guān)的損傷減小到最低的程度。超快速激光器能在鋼鐵或其它微型機(jī)械的材料上鉆一個(gè)小孔而不引起附加的損傷。為了生物實(shí)驗(yàn)和光學(xué)信息處理，已經(jīng)試制出帶有微米量級(jí)運(yùn)動(dòng)部件的微型機(jī)械樣品。但超快速微加工技術(shù)仍然是一個(gè)新領(lǐng)域，有待進(jìn)一步發(fā)展。

光學(xué)顯示技術(shù)的提高。除了高分辨率電視(HDTV)外，利用全息技術(shù)的動(dòng)態(tài)圖像的三維顯示，將發(fā)展成三維電影和三維電視，在澳大利亞黃金海岸的電影主題公園，人們已經(jīng)欣賞到類似電影。紅、綠、藍(lán)光輸出的發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)在一些全彩色顯示上得到應(yīng)用。而電子報(bào)紙和電子雜志已經(jīng)取得成功，隨著顯示器件的進(jìn)展，將很快走向商業(yè)化，像普通報(bào)紙雜志那樣靈活方便。

光計(jì)算機(jī)技術(shù)的突破。繼電腦之后，21世紀(jì)將是光腦發(fā)展的時(shí)代。人們預(yù)計(jì)，條件成熟時(shí)，光腦(光計(jì)算機(jī))有可能取代電腦，光腦與電腦相比具有優(yōu)勢(shì)如下:一是并行處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度高，比電腦快1000倍。二是高速電腦由于產(chǎn)生熱量而影響速度，只能在低溫下工作;而光腦可以在室溫下工作。三是光子不需要導(dǎo)線，即使光線交接也不會(huì)產(chǎn)生相互影響。作為無(wú)導(dǎo)線計(jì)算機(jī)傳遞信息的平行通道，其密度是無(wú)限的。四是一臺(tái)光腦只需很小能量就能驅(qū)動(dòng)，耗能相當(dāng)于電腦的若干分之一。目前光腦的關(guān)鍵技術(shù)，例如光存儲(chǔ)，仍然是以硅基電子芯片作為心臟部件，如果能使光子互連立足在硅基材料上實(shí)現(xiàn)，發(fā)展硅基光子學(xué)將會(huì)帶來(lái)新的突破。還需要大幅度提高光腦的運(yùn)算能力即增加光開(kāi)關(guān)的數(shù)量。

光纖通信技術(shù)的發(fā)展。光纖通信是光子技術(shù)最具代表性的成就。光纖的出色傳輸能力使以光網(wǎng)絡(luò)為代表的寬帶傳遞與接入技術(shù)快速發(fā)展，成為新一代傳送網(wǎng)的基礎(chǔ)。人們樂(lè)觀地估計(jì)，隨著密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)、碼壓縮等技術(shù)的應(yīng)用，一根光纜所載荷的容量就足以滿足全球的話音通信。諸如可視電話會(huì)議、全自動(dòng)化無(wú)人操作工廠、全球信息聯(lián)網(wǎng)等必將到來(lái)。

光帶 大容量離線存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。光帶是一種將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在條形介質(zhì)帶上的光存儲(chǔ)器件，它結(jié)合了光盤和磁帶這兩種目前最流行的存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，兼有光盤的高密度和磁帶的總存儲(chǔ)量可以很大的優(yōu)點(diǎn)，目前推出的產(chǎn)品在一個(gè)43cmx27cmx66cm的箱體內(nèi)，存儲(chǔ)量可達(dá)1TB以上，按信號(hào)調(diào)制方式的不同，最大可達(dá)4.5TB，還具有數(shù)據(jù)傳輸速率快(高達(dá)180MB/s)、信息存取時(shí)間短(33GB/s，存取1TB的數(shù)據(jù)，平均時(shí)間10s)、系統(tǒng)成本低、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可靠、使用壽命長(zhǎng)(大于100年)的特點(diǎn)。它是目前發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)正在積極開(kāi)發(fā)的數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)之一。

光學(xué)器件的發(fā)展。未來(lái)的探測(cè)器件和成像器件將繼續(xù)向著高增益、高分辨率、低噪聲、寬光譜響應(yīng)、大動(dòng)態(tài)范圍、小型化、固體化和真空與固體相結(jié)合的方向發(fā)展。隨著各種元器件性能的提高，將使圖像增強(qiáng)技術(shù)、低照度攝像技術(shù)、光子探測(cè)技術(shù)和紅外成像技術(shù)等躍上新的臺(tái)階。

審核編輯：湯梓紅