光電子學：新世紀的高技術基礎

---兼談光通信的前世、今生于未來

周駿

寧波大學

2013-03-15

第一部分近代科技發展史回顧第二部分現代科學技術的發展第三部分科技進步推動經濟變革第四部分光通信的前世、今生與未來內容提要第一部分

近代科技發展史回顧一、科學的蘇醒，經典科學和機械的時代（16世紀——18世紀）1543年，哥白尼“天體演化論”——太陽中心說，科學和神學的決裂；1687年，牛頓“自然哲學與數學原理”，奠定經典力學的基礎；1750年，蒸汽機、紡織機械發明。1795年，蒸汽火車出現在歐洲大陸。——工業革命,動力革命,規模生產和鐵路使市場形成。二、近代科學和電的時代

（19世紀）

1831年，法拉第“電磁感應”奠定了機械能轉化為

電能的基礎；

1840年，焦耳“能量守恒定律”；

1864年，馬克斯韋爾“電磁光統一數學模型”建立；

1859年，達爾文“物種起源”——進化論;

1865年，孟德爾“遺傳理論”——遺傳單元學說。

——規模生產，工業資本擴張，自動化和效率化管理的萌芽。三、現代科學和原子能時代

（20世紀上半葉）

1895年，貝克內爾發現放射性；

1898年，居里及居里夫人發現鐳，制備和應用；

1900年，普朗克提出量子論；

1900年，德符里斯提出“細胞核/染色體/DNA”體系；

1905年，愛因斯坦“質量和能量的轉化關系”，相對論

力學，十年后提出“廣義相對論”；

1944年，原子彈試驗成功；

1948年，維那、香農“信息論、控制論、系統論”。

——核武器、核發電，信息科學和自動化理論和應用，成熟工業化。

四、當代科學和電子和信息技術奠基時代

（20世紀下半葉）

1946年，電子管計算機ENIAC誕生，數字技術出現；1948年，BellLab發明了二極管;

1953年，沃森、克里克提出DNA分子雙螺旋結構；

1958年，第一塊集成電路出現；

1978年，微計算機8086出現；

1990年，人類基因組計劃啟動；

1995年，Internet開通。

———信息技術50年漫長的助跑，進入高增長，高技術興起，知識經濟和經濟全球化初見端倪。世界人均GDP的爬坡康德拉捷也夫—曼德林（1920）

“長周期理論”——

經濟長波周期：振興、繁榮、衰退、蕭條

大約50—55年一個周期

機理：

——科學發現、技術發明（原始創新）

——新技術體系、技術群成批出現

——產業換代、經濟向上

——技術穩定、潛力漸盡

——經濟增長乏力、資本尋求新的機遇

數字化與生物技術？

電子信息

電力

鐵路

機械

17701830188019301990羅默（1986）技術收益遞增型增長模型企業收益=f(企業物質資本，企業勞動，社會平均知識水平，特定企業生產某產品的專業知識)新的現象：研究和開發產生壟斷利潤，克服了資本邊界效應遞減；技術引進推動資本積累；人才資本是經濟增長的內生變量。f是什么？管理——企業資源和環境優化調度。

展望新世紀的科學前景，高新技術為代表的當代科技推動經濟發生著巨大的變革，構成第一生產力中最活躍的因素，帶動著知識產業的形成。

生產力高速發展也使人們面臨資源、環境、生態方面越來越大的矛盾，知識經濟作為一種新的經濟形態在解決這個矛盾方面給我們帶來了新的希望。第二部分

現代科學技術的發展

生物、信息、材料、航天……一.生命科學和生物技術生物技術被認為是21世紀技術的突破點。1900年，德符里斯提出了“細胞核/染色體/DNA”的學說；

1953年，沃森（遺傳學家）、克里克（物理學家），提出生理過程的化學規律，DNA“雙螺旋結構”;1990年，“人類基因組”計劃啟動；

1997年，Clone克隆技術。

生物技術的最大突破是人們已經有手段對生物的遺傳基因進行破譯。破譯的結果是基因結構的全順序，是人類認識生物的基本“字典”。代表作——“人類基因組計劃”人體細胞中有31.746億組分子密碼組成的堿基對，有3.5—4萬組遺傳基因；包含生命的全部空間結構信息和與生命過程相關控制信息；其復制過程保證生物遺傳、穩定和生命時鐘進程；對進化保守區和活躍區的研究，可以認識生命系統的多態性，揭示人類繁衍的歷史和體系結構；現代人20萬年前發端非洲，13萬年前走向世界各大陸。DNADNA復制個體的生長，群體的繁衍，都是依賴這個最原始的過程。

2000年6月26日“人類基因組計劃”成員國美、英、法、德、日、中宣布人類基因組草圖；

2001年2月12日公布基因圖譜及分析結果。測序完成以后，2003年前將完成：

堿基對如何組成基因；每個基因的位置、結構、功能；

DNA（密碼）——RNA（信使?）——蛋白組學。“后基因組計劃”：

藥物基因組學；環境基因組學；基因組信息學。意義通過對人類基因組的研究，發現人類5000種疾病是顯性遺傳疾病，單基因遺傳病1500種。發現基因缺陷，進行健康基因導入和缺陷修復，生物工程方法研制新藥，是未來醫藥學突破口。中國的大家庭優勢、隔離區優勢、多民族優勢是重要的遺傳信息資源，也是需要保護的重要經濟技術資源。中國1%，生命信息權益。反向思維：

醫學倫理問題，對物種多樣化的破壞，轉基因食物安全，DNA中的危險因素。

——基因工程向深度和廣度前進我國科學家完成了對水稻基因破譯。解釋水稻所有的特征和多態性。對基因復制的原理進行研究，優勢基因篩選、評價、裁剪。新物種的培育，產生優質、高產、抗病、抗堿、抗寒的農作物。異種基因導入，抗蟲棉，含人的凝血因子、血液蛋白的轉基因羊——活的制藥廠。高等生命產生的新形式

——Clone克隆

多代克隆，異種受體克隆相繼成功。克隆熊貓問世？

Clone技術有巨大的科學價值，在未來市場上的價值上更是空前的。科學意義：生命過程，生命演化，遺傳的穩定性、多態性和遺傳突變。經濟意義：植物細胞培養技術，動物胚胎和細胞培養技術，優勢種質資源保存和擴大，大規模工業化生產方式推動農業的產業化。特殊社會價值：干細胞技術（StemCell），用于人體器官移植的人工器官克隆（肌肉、皮膚、心肌?…），瀕危動物的恢復性培育。

——生命科學技術走向本世紀的輝煌2008年1月17日，英國人工授精與胚胎學管理局正式批準兩個研究小組各獲得為期一年的研究許可，從現在起進行人獸混合胚胎培育工作。管理局強調，研究小組培育的人獸胚胎只能用于研究，不可用于臨床治療或植入人體，胚胎只能維持在初期水平，發育時間不得超過兩周。倫敦大學國王學院的研究小組培育混合胚胎，用于已知的因遺傳因素導致的疾病如老年癡呆癥、脊椎肌萎縮、帕金森氏癥等多種疑難疾病的病理研究；紐卡斯爾大學的研究小組希望用這種人獸混合胚胎培育技術，進一步了解干細胞在體內如何發展成各種組織英國正式批準人獸混合胚胎研究Chimera（客邁拉）：人獸雜交Chimera是希臘神話中一只有獅頭、羊身和蛇尾的吐火怪獸，是百頭怪獸提豐(父親)和厄喀德那(母親)雜交的后代。科學家已經成功把人類基因克隆到細菌和動物身上。2003年，上海第二醫科大學將人類皮膚細胞與兔子卵細胞融合，培植出人類胚胎干細胞。該研究胚胎被體視為首例制造出來的人獸雜交“客邁拉”。2004年，美國明尼蘇達州馬約醫學中心將人類干細胞移入豬的胚胎，制造出流著人血的“客邁拉豬”。2005年，美國內華達大學將人類干細胞移入綿羊胚胎，制造出“客邁拉羊”。“羊”的肝臟中約80%的細胞是人類干細胞。二、電子信息技術——計算機技術

1944年馮.諾依曼提出程序存儲和順序計算的概念；

1946年第一臺電子計算機ENIAC誕生；

1948年BellLab發明了二極管；

1954年年第一臺晶體管計算機誕生；

1958年仙童公司諾宜斯發明了第一塊集成電路IC；

1968年摩爾、諾宜斯和管理能手格羅夫創立Intel公司，Intel成為現代計算機的主流。

時間機型集成度(線寬—微米)典型速度1971年40040.2萬門0.1Mips1978年80862.9萬門<1Mips1982年28613萬門1.51985年38627.5萬門31989年486110萬門101993年586Pentium300萬門(.35)1001996年Pentium(II)500萬門(.25)4501999年3月Pentium(III)2800萬元件(.18)8502000年6月Pentium(IV)4200萬元件(.13)2200

2002年4月Itanium(II)2.2億元件(.18)25002003年*月Itanium(III)5.0億元件(.13)?AMDAthlon-xp用戶任務程序存儲順序計算用戶結果馮?諾依曼機在Wintel架構的實現高端計算平臺

Highendcomputing或者Networkedhighendcomputing——每秒1000億次以上計算機系統，目前國際上共500多臺。

意義：

國防、核爆模擬、動態系統工程、基因破譯、藥物設計、大規模網絡主機。

核心技術問題：

大規模并行結構；

并行操作系統。

目前最好的高端計算機ASCIBlueMountain其峰值速度為3.072萬億次（12.3萬億次——2000）中國曙光3000為4032億次——1/32的功能可支持每天7000萬個電子郵件，1/16的功能支持80億次網絡訪問訪問，用1.5小時完成月天氣預報。曙光3000：共有280個接點處理機、通信處理機、輸入、輸出處理機。可用于計算、網絡、信息、清算、結算、交換中心。完成大型分析、模擬、圖象、事務處理。世界有能力制造僅有6個國家，世界80名。國家7個高性能計算中心的主機。

2002年8月29日，聯想深騰180為1.027萬億次，526個Xeon處理機，世界24位(前23位均美、日)。

油田模擬、材料、氣象領域。——通信技術

1837年莫爾斯發明電報；

1876年貝爾發明電話,通信的企業巨人誕生；

1948年維納、香農提出信息論、控制論、系統論，出現了寬頻帶大容量時分、頻分概念，微波多路通信成為50年代主體通信技術；

1965年微波衛星通信；

80年代后期集成電路出

現，微波數字通信成為通

訊形式的主流。頻率也是資源，光通訊崛起！

由于激光技術和激光器件的發展,光導纖維材料的進步，光通信以其高于電磁波10000倍的頻率帶來：大容量帶寬、低成本、抗干擾成為通信介質的主流。1.3微米的低色散窗和1.55微米的低損耗窗成為通信的主要窗口。

中美海底直通光纜設9個信號校正點，4對光纜通信容量80Gb，可傳送400萬路電話。光通信已成為信息社會支撐技術。光纜除了通訊，還用于網絡、醫學，化學分析、測量等領域。

系統結構：計算機集群系統局域網（Intranet）廣域網（Internet）多媒體綜合信息網核心技術：UNIX(Linux)WindowsTCP/IP標準，速度、效率綜合布線技術C/S、B/S、服務平臺技術——計算機網絡計算機和通信技術的結合。

1968年建立了ARPAnet;1969年9月第一臺路由器制成，實現了計算機網互連;

1995年4月，ARPAnet完成向Internet轉化。信息技術進入新的時代。

1995年4月，是人類進入知識經濟時代的標志。

新一代計算機網絡

Internet正如日中天，但Internet有標準、無規劃，是自生長網絡，能迅速蔓延生長，網上阻塞、安全、擴充、迂回、資源浪費問題日趨嚴重。影響長遠生命。未來網絡的特點？(技術&應用)網絡協調控制技術，流量控制、優化路徑控制；網絡安全技術，新方法結構，加密新理論和算法；大規模網絡結構的智能化——自組織系統、智能群體的合作；光交換IP寬帶網，海量傳輸、海量信息庫；網格系統Grid——海量數據節點、超級計算節點，資源管理和任務調度，可視資源共享應用(織女星網格)。·未來大規模知識網絡，知識表達、存儲和更新、知識過程的可視化、在線翻譯、多平臺應用；

·網上商業經營是主角:B2B(BusinesstoBusiness)、

B2C(BusinesstoCustomer)；·實時點播電視、國際會議、數字圖書館、網上虛擬現實，將成為生活的一部分。網絡發展趨勢：信息獲取——雙向互動交易——知識共享和網上服務。網絡在中國：網上經營型——中國網絡生命力的門檻。社會生產代謝的新機遇。地理中心——信息中心——信息技術的后臺：微電子技術

1958年第一次將四個晶體管制作在一個硅片上，開創了集成電路IC的歷史。

關鍵技術：光刻是電路微型化的基礎，目前線條工業標準達到0.13/0.09微米。

摩爾定律：由于光刻技術進步，集成度和性能基本上按照工藝更新周期——18個月翻一翻的速度前進，促成電子信息技術高速發展。

下一代電子材料

電子材料應用已達物理極限，解決原子條件下載流子運動規律、量子效應、熱障、微缺陷、結構問題。

DNA為微電子材料新結構提供了希望。

新材料的探索，砷化鎵….

新加工方法，微重力加工技術…..

DNA中包含了大量的信息。是生命信息的ROM、RAM和CPU。將DNA片段固化在硅片上，就成為——DNA芯片核心。

應用領域：生命信息破譯、疾病基因識別，基因藥物研制；植物和動物特異基因定位，品種快速培育；具有成批信息處理功能的新型計算機——生物分子計算機（2001.11以色列、10億次）。——數字技術：信號的數字表達與LSI結合

信號的數字表達；理論上無失真的進行信號復制、傳輸、處理、壓縮、加密；

數字電路結構相似性，特別適合大規模集成工藝。

大規模存儲/遠程無失真傳送/高質量處理

數字計算機、數字通信、

網絡技術、多媒體技術、數

字電視、HDTV、信息管理、

數字控制、智能電器，前景

將會無窮期……………——信息系統工程的新領域

★虛擬現實技術：

?虛擬結構功能設計；

?虛擬教學環境，交互式教育訓練；

?虛擬人體，知覺、機能，虛擬手術；

?虛擬環境生態演化、災情；

?虛擬戰場，軍事指揮與對抗。

★新控制算法——智能化控制方法是方向

★嵌入式系統將無處不在

★CAD、CAM、FMS、ERP、CIMS、CRM

——數字企業應用將進入大中型企業，并將改造現行的管理制度·規劃、決策CIMS——MIS——ERP技術創新能源環境計劃、控制資金流人力資源管理管理

產品開發熱能轉換多層協調物流人力政策（CAD）質量控制節能燃燒技術控制供應鏈培訓計劃

（DDC）

（FMS)在線監測過程控制銷售流預報（CAM/DCS）(CRM)

數據采集虛擬企業

儀表(PC)——數字平臺：數字地球、數字生態地理信息GIS(時、空);

地質信息；氣象、環境、生態信息;經濟信息；城市規劃信息；模型、分析、決策支持。澳門

網絡、數據庫、多媒體、多文種信息技術、虛擬現實世界的數字世界將進一步融合。

全球信息的不對稱,帶來事實上的不平等和挑戰,使加快信息化建設更為迫切。三、材料科學技術

材料科學發展的最顯著的特征是：從微結構和分子設計的角度提高材料品質性能。

結構材料:納米級韌性陶瓷材料、高比強度化合物合金材料、金屬陶瓷纖維復合材料、結晶態可控高分子材料、表面涂層和改進材料等。

信息材料:硅、砷化鎵半導體材料、磁性膜金屬膜和磁光膜存儲材料,低耗損光纖材料、陶瓷為基礎的敏感材料。

能源功能材料:高溫超導材料、高磁場強度的永磁材料、低成本高效率的太陽能電池材料、有機分離膜材料、燃料電池材料等。

生物和智能材料:組織親和的人造器官材料，有自診斷功能、自組織功能、自愈合功能的仿生材料。納米材料科學——Nanometer(百萬分之一毫米）

研究材料在納米尺寸，可和分子原子尺度比擬下性質和特性的科學。分子級和原子級的材料觀察和分析手段STM、AFM出現，推動納米科學技術發展。

碳60被發現，球型分子結構和高分子量，使得它有奇特的物理和化學性質，在固體潤滑、攜帶材料、高能燃料方面可能有重要的應用前景。碳納米管是由碳原子層卷曲而成，直徑為0.4納米的理論值到幾十個納米，長度為幾個厘米。將是自然界最細的纖維：鋼的1/6密度，鋼的100倍強度。發射電壓低的電學特性，可望用于平面顯示、微電子、超導領域。納米科學：納米結構和特性；納米材料工程：原子和分子設計，原子分子操作、表征和計算機仿真技術，自組織和自修復結構，合成技術；納米器件和系統：應用于計算機、通信的高容量、高速器件，生物傳感器，高效光電池，污染清除材料；新的應用領域開發。從NII(國家信息基礎工程/信息高速公路)到——NNI（國家納米技術計劃）微機械和微電子技術結合，功能集成的方向將取代規模集成。

微小衛星技術將是微系統技術的最先實現的對象。——微系統技術四、航天、激光、天體科學神州一號——1992年開始的由鄧小平親自批準的921工程，分為運載子系統、飛船子系統、測控子系統、生命保障子系統、應用子系統。飛船工程和應用的科學意義微重力材料科學微重力生命科學宇宙射線觀測微重力流體物理空間生理流體管理燃燒和防火空間醫學生命保障多相流傳熱人類對月球的探索與嫦娥工程

1959年9月，前蘇聯發射“月球2號”，命中月球上名為“澄海”的東方地區。同年10月，“月球3號”成功繞到月球背面，拍攝了平時無法看到的月球另一面照片。美國從1961年起先后執行了“徘徊者”計劃、“勘探者”計劃和“月球軌道環行器”計劃。使一些無人探測器環繞月球飛行，并把一些探測器送上月球，對月球進行了詳細、周密的探測。為什么要去月球？月球是地球唯一的天然衛星，在人的肉眼里，天空中除了太陽以外，最亮的就數月亮。古今中外數不清的文人黑客把月亮描繪得美不勝數。中國“嫦娥奔月”就是一個最古老的、流傳很廣的神話故事。那么月亮究竟是什么樣的呢？那里真的有莊嚴的廣寒宮、高大的桂樹和神仙嗎？當然沒有，實際上月球表面是一片沒有生命的不毛之地。是不毛之地嗎？月亮是離地球最近的天體（距地球平均距離是3.84×105千米），比較容易探測。資源：月球上具有可供人類開發利用的各種資源（已知有100多種礦物，其中五種是地球上沒有的）。能源：月壤中蘊藏著100萬噸以上的氦—3，它是可控制核聚變的主要原料。應用月球上氦—3安全發電，能滿足世界至少幾百年的能源需要。特殊環境：月球是許多基礎科學開展觀察和研究的理想場所；是研制和生產特殊材料及生物制品的理想場所；也是人類向外空發展的理想基地和前哨站。我們可以將月球看作是一座天然的空間站。中國的嫦娥奔月計劃

嫦娥工程的“三步走”戰略一期工程----“繞月”：發射一顆月球衛星，在距離月球表面200千米的高度繞月飛行，邊繞邊看，進行月球全球探測。最近發射的月球探測器“嫦娥一號”，對月球表面環境、地貌、地形、地質構造與物理場進行探測。嫦娥工程第一期“繞”二期工程----“落月”：2007年至2010年，目標是研制和發射航天器，以軟著陸的方式降落在月球上。

也就是發射月球軟著陸器，降落月球表面，釋放一個月球車，在月球上邊走邊看，進行著陸區附近局部詳細探測。著陸器還將攜帶天文望遠鏡，從月亮上觀測星空。三期工程----“回地”：2011至2020年，目標是月面巡視勘察與采樣返回。發射自動采樣返回器，降落到月球表面后，機械手采集月球土壤和巖石樣品到返回器，返回器再將月球樣本帶回地球，開展相關研究。世界各國的月球探測日本：將于2025年在月球建立基地，讓機器人做月球的“拓荒者”。

印度：計劃在2008年發射第一艘無人登月飛船“月球飛船－Ⅰ號”。

俄羅斯：新式登月飛船將在今年夏天首次試飛。

美國：再度登月的時間定在2015年，最遲不超過2020年，并且要在月球建設“多國太空站”。核聚變與可控熱核反應利用磁場約束實現核聚變。利用等離子體帶電的性質，用強磁場將其約束在一定的區域內，并保持一段時間。此類裝置中以“環流磁真空室”即托卡馬克最有成效，在技術上有望突破。它的中央是一個半徑2～3米的不銹鋼環形真空室。慣性約束核聚變制成直徑幾毫米的“靶丸”，利用強激光從許多方向上對其同時照射，靶丸具有慣性，再加上激光的光壓力，使內層氘和氚混合物的密度急速增加，直徑急劇縮小，溫度可達數千萬度，高溫高壓最終可使聚變反應發生。

1991年11月9日，歐洲JET，溫度3億開，約束時間1.8秒，脈沖功率1.7兆瓦。第三部分

科技進步推動經濟變革★科學的跨越階段，總會帶來了一次具有明顯特色的工業革命，促進生產力有大的跨越；★先進技術不僅是經濟發展的推動力，而且具有開拓市場，開辟新的生產力領域的能力：★當代科學技術的成就使得全球經濟持續發展，也給發展中國家提供了一種跳躍式發展的機遇；★科學技術推動思想解放、觀念更新，甚至對社會意識也將起到更新的作用。

“科學技術是歷史的有力杠桿，是推動人類社會前進最高意義上的革命力量”。——馬克思一、知識經濟的來源和起點人類面臨的問題：“增長的極限”?“可持續發展”?UN1984—“21世紀議程”——知識經濟概念：

“人類正在步入一個以智力資源的占有、配置，知識的生產、分配、使用（消費）為重要因素的經濟時代。”簡而言之，“知識經濟”就是以知識為基礎的經濟。

Internet的誕生，1995年4月30日——“知識經濟”起點。“知識經濟”的特征和內涵：◆知識已成為社會生產力的最活躍的新要素；◆知識產權的地位和價值得到充分認識；◆知識經濟以高技術為支柱產業，智力資源為依托，具有不或少消耗短缺資源、可持續發展、人和自然的協調、全球化的特征,知識經濟已經成為社會生產的重要組成部分；◆知識經濟以知識決策作為管理決策的依據，具有先進和先導產業特征；◆以特定目標的知識創新，是知識產權的搖籃。

——創新的意義、目的、重點。

“創新是一個民族進步的靈魂，是國家發達的不竭動力”；

“要依靠科技創新，實現生產力發展的跨越”；

“要鼓勵原始性創新，努力攀登世界科學技術高峰”。

二、知識經濟成為現實，并帶動其他經濟結構

知識經濟代表性的產業是信息產業。微電子、計算機、網絡、信息高速公路構成龐大的信息產業群。

生物技術與信息技術配合，產生了新生命科學、基于基因工程的新遺傳工程、新藥革命。

在材料科學領域，碳纖維、C60成為自然界從未有過的高性能材料形態。這些都是知識經濟的代表作。知識經濟影響下的經濟—技術價值鏈知識經濟不能代替大規模基礎物質生產，但可以大大提高物質資源開發的深度和廣度，促進物質生產走向節約、高效、潔凈、可重復利用的新生產方式。技術創新產品開發科學發現知識創新生產組織銷售服務國家、地方、行業實力(公共財政)企業實力人民生活分清政府、企業、科研單位的位置、責任。建立應有的鏈接，以及增值循環。經濟———技術價值鏈

三、人才資源和技術是生產資本，

是知識經濟原動力

知識經濟最大特點：知識和掌握相關知識的人才是生產力一部分。1948AT&T肖克利晶體管1955肖克利實驗室平面晶體管1957仙童公司摩爾—諾宜斯集成電路、英特爾格羅夫—摩爾—諾宜斯

4004—P4CPUAMD先進微器件Athlon-XP技術和產品的進步是人才的轉移,

以人為本，尊重知識，尊重人才。AT&TUNIXCPL/1BASICMicrosoftMS-DOSAPPLEMacintochMicrosoftWindowsLinuxLindows四、科技發展帶動現代管理，競爭力重要表現

用系統工程方法來組合各種類型技術和子系統——技術集成，從而發揮最大效率就是技術集成成功特例。

引申到管理領域：技術、市場、人才、機制、資本運作、全球經濟和發展環境的優化集成是現代管理的特征——必須以專業化的管理取代經驗管理。

現代企業管理是管理革命的先鋒——現代企業的階梯——

行業標準價值鏈控制競爭力綜合市場份額

CRM

品牌技術領先2年成本規模效益競爭層次產品特征——沒特點別干，干小是白干，帶頭才是好漢。五、知識經濟的成就使得經濟發展的全球化趨勢加速，加入國際競爭、開展國際合作、遵守國際標準已成為共識。

——經濟的全球化推動著新經濟正在向我們走來。

從軟件標準開始，計算機有了共同語言；為使計算機互連，出現了“開放系統互連標準”的“七層協議”，才出現了全球性的“英特網——Internet”；“國際標準”成為發展經濟交流的共同語言。區域經濟—>

網絡經濟、

知識經濟、

經濟全球化。

生產要素在全球流動，實現資源的在全球范圍的優化配置。是機遇也是更大的挑戰。

——新經濟概念六、知識經濟也和每個人息息相關

——現代信息化生存和知識經濟影響下的新生活將走向我們數字網關ISDN、寬帶10M↑

數字影象

數字計算

自動駕駛數字電視數字家電數字健康——我們將面臨更多新事物、新要求網絡生活、文化、商務跨地域遠程工作在線翻譯新材料帶來的清潔健康產品和生活方式生物技術產品將最大限度取代化學產品及能源轉基因食物基因工程藥品將用人工器官實現無排斥的器官移植工作生活更多地和現代手段結合，必須適應現代文化、現代生活管理者將面臨專業化的更高要求交叉學科將成為強者，傳統學科—新興科學，知識理論—現代工具，科學技術—人文精神。科學技術和迷信愚昧的斗爭會更激烈，普及和宣傳科學更重要

1972年，UNESC組織大會：“學會生存——教育的今天和明天”，提出了終身學習的概念:“Life-Longlearning”。

用年輕的心態堅持終身學習成為適者生存的新規律第四部分

光通信的前世、今生與未來一、光學的發展

光學是一門古老而又年輕、極具生命活力的物理學科，具有強大的生命力和不可估量的發展前途。▲研究內容1、光的發射、傳播和吸收的規律。２、光和物質的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的機械作用、光的熱效應、光的電效應、光的化學效應、光的生理效應等。３、光的本質的研究。光的傳播-----反射、折射、衍射、干涉、偏振等；與物質的相互作用-----色散、散射等其它光的作用；量子光學電磁光學波動光學幾何光學非線性光學內容可分為幾何光學、波動光學、量子光學、現代光學。?幾何光學、波動光學------研究光的傳播；?非線性光學-------研究光與物質作用理論；?電磁光學-------基于Maxwell方程的研究理論；?量子光學-------基于量子論的理論；?非線性光學--------光在非線性材料中的傳播、強光與材料的相互作用

▲光學簡史?周朝的金燧取火（公元前1000年）?古埃及金字塔出土的平面鏡（公元前1000年）；?《墨經》中的光線傳播，平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的成像（公元前400年）；?

Euclid的《反射光學》（公元前400年）；?南宋沈括《夢溪筆談》中，針孔成像、球面鏡成像、虹霓、月蝕現象的描述。1.古代光學 公元前------16世紀宏觀光學現象的直觀認識2.經典光學 17世紀------19世紀

Galilei

望遠鏡(1610年)，發現土星光環；

Kepler望遠鏡用于天體觀測(1611)，Kepler三定律；

Snell的折射定律（1621年）；

Fermat原理:自然界以時間最短作為行為準則(1657);Newton的微粒學說、色散實驗（1666年）;

Romer根據木星的月蝕測出光速有限≈214000km/s,(1676）；

Huggens的波動學說（1678）；

Young的干涉實驗（1801）；

Fresnel的波動理論（1814）、反射折射定律（1832）；

Fizeau用旋轉齒輪測光速（≈315300km/s）（1849）；

Foucault測出水中光速比空氣中光速小（1850），與微粒學說矛盾，與波動說吻合；

Maxwell的電磁波理論(1873)、光速

Michelson&Morley的干涉實驗（1887）；19世紀末確立了光的波動理論的統治地位。

3.近現代光學 1900-----量子論（1900）；

Einstein發現光電效應（1905）；

deBroglie

的物質波理論（1924）；

Born的波粒二像性理論（1925）；激光器的誕生（1960）；

QuantumOptics（量子光學）；

NonlinearOptics（非線性光學）；

IntegratedOptics（集成光學）；

OpticalCommunication（光通信）；

Holography（全息學）；

Photonics（光子學）；

….現代光學的分支和技術萌芽時期（約公元前400年—公元16世紀）成就發現和總結了一些實驗現象，如平面鏡成像、透鏡成像、凹凸面鏡成像、針孔成像的現象和規律。造出了透鏡、凹凸面鏡、眼鏡、暗箱等光學元件。幾何光學時期（公元16世紀—公元19世紀）成就建立了光的反射和折射定律，奠定了幾何光學的基礎；發現了干涉、衍射、偏振等光的波動現象，以惠更斯為代表的波動說初步提出。造出望遠鏡（H.Lippershey

，1587—1619年）、顯微鏡（Z.Janssen，1580—1656年），極大地推動了天文、航海、生物學的發展。

為幾何光學向波動光學過渡時期，是人們對光的認識逐步深化的時期。波動光學時期（公元19世紀）成就惠更斯—菲涅耳原理成功地解釋了光的直線傳播、干涉、衍射和偏振現象，奠定了波動光學的基礎；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光學現象和電磁現象的內在聯系，赫茲（H.R.hertz，1857—1894年）測得電磁波的傳播速度等于光速，確定了光的電磁理論基礎。成功地測定了光的波長，用多種實驗方法測定了光在各種介質中的傳播速度。

光的電磁理論在整個物理學的發展中起著很總要的作用，使人們在認識光的本性方面向前邁出了一大步。量子光學時期（公元19世紀末—公元20世紀上半葉）成就愛因斯坦（1879—1947年）發展了普朗克的能量子假設，提出了光的量子說，圓滿的解釋了光電效應，并被康普頓效應等許多實驗證實，使人們認識到光的波粒二象性。

光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個認識促進了原子核和基本粒子研究的發展，也推動人們進一步探索光和物質的本質，包括實物和場的本質問題。現代光學時期20世紀60年代以來是光學發展最為迅速活躍的時期。成就激光問世（T.H.Maiman

，1927—

），全息術、微波、光纖、紅外技術的應用乃至光計算機的研制，使光學成為現代物理學和現代科學技術領域最重要的前沿之一；理論上出現了許多新的分支學科和邊緣學科，如傅里葉光學、非線性光學、量子光學、激光光譜學、集成光學等。

現代光學與其他科學技術的結合使人們對光本質的認識進一步向前發展，在社會生活和生產活動中發揮極其重要的作用。二、光學的應用1.激光技術LaserTechnology歷史回顧激光發明的理論基礎可以追溯到1917年，著名物理學家愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用的時候發現，除了受激吸收和自發輻射躍遷過程外，還存在受激輻射躍遷過程。1950’s:湯斯（BELL實驗室）,厘米波研究，雷達轟炸瞄準系統

創新:用原子或分子作為單色電磁波的振蕩器

1954年:制成氨分子振蕩器,λ:1.25cm,Maser1958年,論文--紅外與光學激射器--激光器的起點1960年,梅曼,紅寶石激光器,世界第一,用Xe燈泵浦該領域的有關諾貝爾獎1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的發明1971:DennisGabor,激光全息術1981:洛.布隆姆貝根,激光光譜學1997:朱隸文等三人,激光冷卻和陷俘原子

朱隸文系美籍華人,1948年生于密蘇里州,其父臺灣中央研究院院士2005：羅伊·格勞伯，對光學相干的量子理論的貢獻;

約翰·霍爾、奧多爾·漢斯：基于激光的精密光譜學研究哈佛大學羅伊·格勞伯（下圖左）、科羅拉多大學約翰·霍爾和德國路德維希-馬克西米利安大學特奧多爾·漢斯（下圖右）。激光的特性方向性好：光束幾乎在一條直線上傳播,發散角幾毫弧度單色性好:He-Ne激光的譜線寬度約2X10-9nm相干性好：He-Ne的相干長度200Km，而普通光源中最好的氪燈為0.78m高亮度：普通激光的亮度比太陽高100億倍可調諧：通過改變腔長可改變波長可調制：振幅、偏振方向及頻率等參數可以調制（光通信采用）能量可壓縮：激光脈沖的持續時間可以短到皮秒、飛秒、阿秒例：紅寶石激光器的工作原理激光器的組成1.工作物質;2.諧振腔;3.泵浦源本實驗室的YAG激光器的腔體結構圖激光技術的應用測量：測距，干涉計量法加工：焊接，打孔，切割，雕刻農業：育種醫學：美容，治療近視眼，激光手術軍事：能量武器，制導信息處理：信息存儲與讀取，激光打印，照排

通信：光通信，光放大科研應用：高新技術的攻關

實例1

激光切縫

激光切割技術：與其它切割工藝相比，具有高速度、高精度和高適應性，割縫細、熱影響區小（變形小）、切割端面質量好、切割無噪音、焊縫區組織和性能與母材接近等優點；而且，加工只需簡單夾具，無需模具，可代替采用復雜模具沖切的加工方法，能夠大大縮短生產周期，降低生產成本。例如可以對石油套管進行切縫；可以對金屬管材、板材進行切割，利用激光切縫技術可以降低金剛石圓鋸片工作過程中產生的嚴重噪聲污染等。激光淬火技術：又稱激光相變硬化，是利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點以上，當激光移開后，由于仍處于低溫的內層材料的快速導熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，獲得淬硬層。具有加熱速度快、淬火硬度高、淬火部位可控、不需淬火介質等優點。實例2激光淬火

實例3激光打標與鉆孔激光打孔的典型值：幾十到200um，最小25um2000年以前全世界400多臺激光鉆孔設備其中300臺在日本圖：激光打標（孔）實例4

大幅面玻璃內雕

玻璃雕刻機實例5

激光治療儀

脈沖Ho:YAG激光治療儀

（德國,0.8μm,3J,20Hz,光纖輸出）

脈沖Er:YAG激光治療儀

（美國,2.94μm,30w,2J,七關節輸出）波長為670±5nm，功率連續可調，最大光纖末端輸出功率2瓦醫用半導體激光器實例5

激光治療儀實例6

激光炸彈1.光纖通信技術FiberCommunicationTechnologyHistoryofFiberOpticsTotalInternalreflectionisthebasicideaoffiberoptic

JohnTyndalldemonstration