现代光学及光子技术的应用（1）

　　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。

　　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，光子学已不仅仅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和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, 衍射光学元件是利用电子束、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——(Communication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10-12):TB/s(太比特/秒)的信息传输速率、TB(1TB=1000GB)位的存储容量和(1/T)s(皮秒，p=10-12，1ps=(1/T)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。表1表明了电子与光子的共性与差异。