光學在我國的發展與應用分析

摘 要：光學工程是一門歷史悠久而又年輕的學科。它的發展表征著人類文明的進程。它的理論基礎——光學，作為物理學的主干學科經歷了漫長而曲折的發展道路。在早期，主要是基于幾何光學和波動光學拓寬人的視覺能力，建立了以望遠鏡、顯微鏡、照相機、光譜儀和干涉儀等為典型產品的光學儀器工業。它包含了許多重要的新興學科分支，如激光技術、光通信、光電顯示、光電子和光子技術等。這些分支不僅使光學工程產生了質上的躍變，而且推動建立了一個規模迅速擴大的前所未有的現代光學產業和光電子產業。

關鍵詞：光學；應用；發展；技術

中圖分類號：O43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 06-0000-02

一、工程光學的發展

光學是一門古老而又年輕的學科。其悠久的歷史幾乎和人類文明史本身久遠；近半個世紀以來它又以令人驚嘆的發展速度、奇跡般層出不窮的研究成果、以及所蘊含的巨大潛力和希望，使自己躋身于現代科學技術的前沿。

（一）幾何光學時期

幾何光學是光學學科中以光線為基礎，研究光的傳播和成像規律的一個重要的實用性分支學科。在幾何光學中，把組成物體的物點看作是幾何點，把它所發出的光束看作是無數幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。在此假設下，根據光線的傳播規律，在研究物體被透鏡或其他光學元件成像的過程，以及設計光學儀器的光學系統等方面都顯得十分方便和實用。這一時期可以稱為光學發展史上的轉折點。在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能能力，人們發明了光學儀儀器，第一架望遠鏡的誕生促進了天文學和航海事業的發展，顯微鏡的發明給生物學的研究提供了強有力的工具。

（二）波動光學時期

以波動理論研究光的傳播及光與物質相互作用的光學分支。17世紀，R.胡克和C.惠更斯創立了光的波動說。惠更斯曾利用波前概念正確解釋了光的反射定律、折射定律和晶體中的雙折射現象。19世紀初，波動光學初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現象，也能解釋光的直線傳播。

（三）量子光學時期

光的量子學說最初是由A.Einstein于1905年在研究光電效應現象時提出來的。光電效應是M·普朗克提出了能量子假設象包括外光電效應、內光電效應和光電效應的逆效應等等，愛因斯坦本人則是因為研究外光電效應現象并從理論上對其做出了正確的量子解釋而獲得了諾貝爾物理學獎；這是量子光學發展史上的第一個重大轉折性歷史事件，同時也是量子光學發展史上的第一個諾貝爾物理學獎。

19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發生、光和物質相互作用的圍觀機制中。光的電磁理論主要困難是不能解釋光和物質相互作用的某些現象，例如，熾熱黑體輻射中能量按波長分布的問題，特別是1887年赫茲發現的光電效應。

（四）現代光學時期

從20世紀中葉起，隨著新技術的出現，新的理論也不斷發展，已逐步形成了許多新的分支學科或邊淵學科，光學的應用十分廣泛。幾何光學本來就是為設計各種光學儀器而發展起來的專門學科，隨著科學技術的進步，物理光學也越來越顯示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密測量中無可替代的手段，衍射光柵則是重要的分光儀器，光譜在人類認識物質的微觀結構（如原子結構、分子結構等）方面曾起了關鍵性的作用，人們把數學、信息論與光的衍射結合起來，發展起一門新的學科——傅里葉光學，把它應用到信息處理、像質評價、光學計算等技術中去。特別是激光的發明，可以說是光學發展史上的一個革命性的里程碑，由于激光具有強度大、單色性好、方向性強等一系列獨特的性能，自從它問世以來，很快被運用到材料加工、精密測量、通訊、測距、全息檢測、醫療、農業等極為廣泛的技術領域，取得了優異的成績。此外，激光還為同位素分離、儲化，信息處理、受控核聚變、以及軍事上的應用，展現了光輝的前景。

近些年來，在一些重要的領域，信息載體正在由電磁波段擴展到光波段，從而使現代光學產業的主體集中在光信息獲取、傳輸、處理、記錄、存儲、顯示和傳感等的光電信息產業上。這些產業一般具有數字化、集成化和微結構化等技術特征。在傳統的光學系統經不斷地智能化和自動化，從而仍然能夠發揮重要作用的同時，對集傳感、處理和執行功能于一體的微光學系統的研究和開拓光子在信息科學中作用的研究，將成為今后光學工程學科的重要發展方向。

二、工程光學的應用

（一）平板顯示技術與器件

平板顯示是采用平板顯示器件輔以邏輯電路來實現顯示的。由于其電壓低、重量輕、體積小、顯示質量優異，無論在民用領域還是在軍用領域都將獲得廣泛應用。該方向主要從事發光與信息顯示前沿科學問題。既包括發光顯示材料（有機材料、無機材料及其相關復合等材料），又包括諸多（場發射、等離子體、發光二極管、液晶及電致發光等）顯示器件等方面的研究。

（二）光電檢測技術

主要研究先進制造技術、軌道交通等工程領域內各種幾何及物理量的光電檢測機理、方法、技術與實現途徑，并采用各種信息與信號處理方法與技術來獲得各種評價參數，最終實現對重要零部件與設備關鍵參數及缺陷的實時檢測與故障診斷，確保其運行安全。

光電檢測技術與機械監測技術有何異同點。

1.檢測方式不同；光電檢測采用非接觸式，機械檢測通常采用接觸式，也有非接觸式的，看具體情況；

2.信號觸發；光電檢測本身就是電信號，通過有無多寡產生一系列點信號；機械方式一般都是物理觸發，需要通過傳感器、信號放大器才能產生一系列電信號；

3.測量信號不同；光電信號的檢測結果本身是數字信號；理論上說，有一些失真，因為大多數信號都是連續信號。但是數字信號易于處理，只要取樣頻率足夠，失真是可以忽略的。而機械檢測通常都是模擬信號，未經A/D轉換的模擬信號是一條連續的曲線。

（三）全光網絡信號處理應用技術

所謂全光網絡，是指信號只是在進出網絡時才進行電/光和光/電的變換，而在網絡中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。因為在整個傳輸過程中沒有電的處理，所以PDH、SDH、ATM等各種傳送方式均可使用。全光網絡的相關技術主要包括全光交換技術、光交叉連接技術、以光放大器為基礎的全光中繼技術、光復用/去復用技術和光分插技術。

主要研究光通信網絡、光纖傳感及生物醫學光子學領域的前沿課題——光分組交換全光網的網絡技術及支撐光分組交換的全光信號處理技術，如光彈性分組環光纖通信網、全光緩存技術、光開關、光邏輯、光信頭識別、分布式光纖傳感系統、光纖性能在線檢測、光纖技術在生物醫學光子學中的應用等。從目前來看，全光網絡首先是應用于局域網（LAN）、城域網（MAN）等內部的光路由選擇，所采用的技術主要是基于WDM和寬帶的EDFA。從長遠來說，全光網的發展趨勢必然向著波分、時分與空分3種方式結合的方向發展。其應用將擴展到廣域網。網絡范圍可以覆蓋整個國家或幾個國家，最終實現一個高速大容量能滿足未來通信業務需求的全光網絡。

（四）生物分子光探測技術

采用先進光電子學技術，以朊病毒、HIV等重要病毒為模型，開展病毒與細胞的相互作用機制、免疫保護機制研究，開展生物大分子的探測、分子相互作用識別等先進技術研究，發展快速檢測技術。開展新型病毒載體、真核表達載體技術的研究。開發新型疫苗和藥物。

近場光學顯微技術的出現為解決上面的難點帶來了希望。與常規光學顯微鏡的二維同時成像不同，這一新技術采用距樣品表面僅幾個納米的探針逐點掃描成像的方法，可以在幾十納米的分辨率下同時得到樣品微區的形貌和光學信息，掃描近場光學顯微鏡已經成為生物學家研究納米生物世界一種有力工具，這種技術可以用來在生物化學的自然環境或接近自然條件下研究分子水平的熒光以及光的吸收、散射和偏振的光學信息。

（五）光電傳感技術

光電傳感技術是采用光電元件的傳感器，具有反應快，精度高，非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制領域中的應用非常廣泛。

如下圖1所示為一個簡單光控測溫應用。應用時，將溫頭插入被測溫環境中，外部法蘭安裝密封。傳感器輸出端與二次儀表輸入端輻射至光電轉換接收器，轉換成毫伏電壓信號。感濕管一般經過特殊處理的高潮玉管或特殊材質管。光電轉換器由光學透鏡，光欄，硅光電池，溫度穩定網網絡組成。高壓密封，防止感文管透氣或斷裂產生高壓泄露，不影響輻射光傳輸，所以傳感器在現場工作時，可以拆卸光電轉換器通過高壓密封器觀察感溫管狀況或檢修光電轉換器，信號傳輸導線為雙芯屏蔽銅電纜，將傳感器輸出端按正負端與儀表信號輸入端相連接，接地端與地線相接，儀表上電即可實現測溫。

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[作者簡介]倪江楠（1986-），女，河南工業職業技術學院，助教，碩士研究生，主要研究方向：光學；華顯立，河南工業職業技術學院，助教，碩士研究生，主要研究方向：精密機械及光學工程。