光学在我国的发展与应用分析

光学在我国的发展与应用分析
摘要：光学是一门历史悠久而又年轻的学科。

它的发展表征着人类文明的进程。

它的理论基础——光学，作为物理学的主干学科经历了漫长而曲折的发展道路。

在早期，主要是基于几何光学和波动光学拓宽人的视觉能力，建立了以望远镜、显微镜、照相机、光谱仪和干涉仪等为典型产品的光学仪器工业。

它包含了许多重要的新兴学科分支，如激光技术、光通信、光电显示、光电子和光子技术等。

这些分支不仅使光学产生了质上的跃变，而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有的现代光学产业和光电子产业。

关键词：光学；应用；发展；技术
一、工程光学的发展
光学是一门古老而又年轻的学科。

其悠久的历史几乎和人类文明史本身久远；近半个世纪以来它又以令人惊叹的发展速度、奇迹般层出不穷的研究成果、以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身于现代科学技术的前沿。

（一）几何光学时期
几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。

在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。

在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。

这一时期可以称为光学发展史上的转折点。

在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。

同时为了提高人眼
的观察能能力，人们发明了光学仪仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文
学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。

（二）波动光学时期
以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支。

17世纪，R.胡克和C.惠更斯创立了光的波动说。

惠更斯曾利用波前概念正确解释
了光的反射定律、折射定律和晶体中的双折射现象。

19世纪初，波动光
学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。

菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今
天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍
射现象，也能解释光的直线传播。

（三）量子光学时期
光的量子学说最初是由A.Einstein于1905年在研究光电效应现象时
提出来的。

光电效应是M·普朗克提出了能量子假设象包括外光电效应、
内光电效应和光电效应的逆效应等等，爱因斯坦本人则是因为研究外光电
效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得了诺贝尔物理学奖；这是量子光学发展史上的第一个重大转折性历史事件，同时也是量子光学
发展史上的第一个诺贝尔物理学奖。

19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互
作用的围观机制中。

光的电磁理论主要困难是不能解释光和物质相互作用
的某些现象，例如，炽热黑体辐射中能量按波长分布的问题，特别是
1887年赫兹发现的光电效应。

（四）现代光学时期
从20世纪中叶起，随着新技术的出现，新的理论也不断发展，已逐步形成了许多新的分支学科或边渊学科，光学的应用十分广泛。

几何光学本来就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科，随着科学技术的进步，物理光学也越来越显示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密测量中无可替代的手段，衍射光栅则是重要的分光仪器，光谱在人类认识物质的微观结构（如原子结构、分子结构等）方面曾起了关键性的作用，人们把数学、信息论与光的衍射结合起来，发展起一门新的学科——傅里叶光学，把它应用到信息处理、像质评价、光学计算等技术中去。

特别是激光的发明，可以说是光学发展史上的一个革命性的里程碑，由于激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能，自从它问世以来，很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的技术领域，取得了优异的成绩。

此外，激光还为同位素分离、储化，信息处理、受控核聚变、以及军事上的应用，展现了光辉的前景。

近些年来，在一些重要的领域，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使现代光学产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。

这些产业一般具有数字化、集成化和微结构化等技术特征。

在传统的光学系统经不断地智能化和自动化，从而仍然能够发挥重要作用的同时，对集传感、处理和执行功能于一体的微光学系统的研究和开拓光子在信息科学中作用的研究，将成为今后光学工程学科的重要发展方向。

二、工程光学的应用
（一）平板显示技术与器件
平板显示是采用平板显示器件辅以逻辑电路来实现显示的。

由于其电压低、重量轻、体积小、显示质量优异，无论在民用领域还是在军用领域
都将获得广泛应用。

该方向主要从事发光与信息显示前沿科学问题。

既包
括发光显示材料（有机材料、无机材料及其相关复合等材料），又包括诸
多（场发射、等离子体、发光二极管、液晶及电致发光等）显示器件等方
面的研究。

（二）光电检测技术
主要研究先进制造技术、轨道交通等工程领域内各种几何及物理量的
光电检测机理、方法、技术与实现途径，并采用各种信息与信号处理方法
与技术来获得各种评价参数，最终实现对重要零部件与设备关键参数及缺
陷的实时检测与故障诊断，确保其运行安全。

光电检测技术与机械监测技术有何异同点。

1.检测方式不同；光电检测采用非接触式，机械检测通常采用接触式，也有非接触式的，看具体情况；
2.信号触发；光电检测本身就是电信号，通过有无多寡产生一系列点
信号；机械方式一般都是物理触发，需要通过传感器、信号放大器才能产
生一系列电信号；
3.测量信号不同；光电信号的检测结果本身是数字信号；理论上说，
有一些失真，因为大多数信号都是连续信号。

但是数字信号易于处理，只
要取样频率足够，失真是可以忽略的。

而机械检测通常都是模拟信号，未
经A/D转换的模拟信号是一条连续的曲线。

（三）全光网络信号处理应用技术
所谓全光网络，是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。

因为在整个传
输过程中没有电的处理，所以PDH、SDH、ATM等各种传送方式均可使用。

全光网络的相关技术主要包括全光交换技术、光交叉连接技术、以光放大器为基础的全光中继技术、光复用/去复用技术和光分插技术。

主要研究光通信网络、光纤传感及生物医学光子学领域的前沿课题——光分组交换全光网的网络技术及支撑光分组交换的全光信号处理技术，如光弹性分组环光纤通信网、全光缓存技术、光开关、光逻辑、光信头识别、分布式光纤传感系统、光纤性能在线检测、光纤技术在生物医学光子学中的应用等。

从目前来看，全光网络首先是应用于局域网（LAN）、城域网（MAN）等内部的光路由选择，所采用的技术主要是基于WDM和宽带的EDFA。

从长远来说，全光网的发展趋势必然向着波分、时分与空分3种方式结合的方向发展。

其应用将扩展到广域网。

网络范围可以覆盖整个国家或几个国家，最终实现一个高速大容量能满足未来通信业务需求的全光网络。

（四）生物分子光探测技术
采用先进光电子学技术，以朊病毒、HIV等重要病毒为模型，开展病毒与细胞的相互作用机制、免疫保护机制研究，开展生物大分子的探测、分子相互作用识别等先进技术研究，发展快速检测技术。

开展新型病毒载体、真核表达载体技术的研究。

开发新型疫苗和药物。

近场光学显微技术的出现为解决上面的难点带来了希望。

与常规光学显微镜的二维同时成像不同，这一新技术采用距样品表面仅几个纳米的探针逐点扫描成像的方法，可以在几十纳米的分辨率下同时得到样品微区的形貌和光学信息，扫描近场光学显微镜已经成为生物学家研究纳米生物世界一种有力工具，这种技术可以用来在生物化学的自然环境或接近自然条件下研究分子水平的荧光以及光的吸收、散射和偏振的光学信息。

（五）光电传感技术
光电传感技术是采用光电元件的传感器，具有反应快，精度高，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制领域中的应用非常广泛。

如下图1所示为一个简单光控测温应用。

应用时，将温头插入被测温环境中，外部法兰安装密封。

传感器输出端与二次仪表输入端辐射至光电转换接收器，转换成毫伏电压信号。

感湿管一般经过特殊处理的高潮玉管或特殊材质管。

光电转换器由光学透镜，光栏，硅光电池，温度稳定网网络组成。

高压密封，防止感文管透气或断裂产生高压泄露，不影响辐射光传输，所以传感器在现场工作时，可以拆卸光电转换器通过高压密封器观察感温管状况或检修光电转换器，信号传输导线为双芯屏蔽铜电缆，将传感器输出端按正负端与仪表信号输入端相连接，接地端与地线相接，仪表上电即可实现测温。