现代光学发展与应用1

引言：光信息技术推动人类迈向信息时代
光子信息技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的 革命，其主导的信息产业将成为21世纪最大产业；
美国商务部指出：“谁在光电产业方面取得主动权，谁就将在21世纪尖 端科技较量中夺魁”。
信息时代
21世纪：光子学和光子技术
信息科学 信息技术
20世纪：电子学和电子技术
高锟：“光纤之父”，香港中 文大学第3任校长，在光纤通讯 领域取得了突破性成就
威拉德· 博伊尔和乔治· 史密斯 : 电荷耦合器件（CCD）图像传感 器的发明者。
光通信
光传感
引言：光电学科与诺贝尔奖
2014年10月7日，瑞典皇家科学院宣布，将2014年诺贝尔物 理学奖授予日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中 村修二，以表彰他们发明蓝色发光二极管（LED），并因此 带来新型的节能光源。
（9） 光的散射 媒质的不均匀使一些光线朝四面八方射出的现象。
2. 光传播特点？
（10） 光的量子性
爱因斯坦提出：光辐射的能量是“量子化”的，一份能量 的最小单元，称为“光量子”，简称“光子”。
A—B之间存在“幽灵般”的超距作用！
光子在空间中位置不确定
光子空间运动轨迹不确定
光的量子性
2. 光传播特点？
现代光学发展和应用
报 告 人： 举办单位： 举办时间：
联合国宣布2015年为“国际光年”。
• 联合国教科文组织于2015年初正式启动“光和光基技术国 际年”（国际光年），以提高公众对如何运用光科学、光 学和光基技术解决能源、农业等全球性挑战的认识。
引言：光电学科与诺贝尔奖
2009年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物 理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德· 博 伊尔和乔治· 史密斯。
全球光照明
发达国家照明用电占总发电量的20%；发展中国家占10-15％；欠 发达国家一般在5%。我国照明用电占总发电量的12％左右。
和平鸽
千人击缶
奥运画卷
夜空中的奥运五环
光电照明——造就了北京奥运会开幕式的唯美大气！
3. 光的应用？
（3） 光显示 液晶显示：利用液晶的双折射性质实现显示。已成为显示 主流技术。
3D激光打印
激光！
3. 光的应用？
（5） 利用光寻找新能源
能量巨大
用激光照射核燃料使之发生核聚变反应 可控聚变能电站 能量释放 太猛列
核聚变 条件苛刻 高温， 高压 氢弹、太阳
氘大量存在于海水的重水之中
提供5000万年之久的能源！
？
如何诱发?怎么控制？
太阳能光伏——新能源的卓越 代表！
3. 光的应用？
2. 光传播特点？
（7） 光的吸收 光吸收：光的能量被其他物体所吸收的过程。
变色太阳镜：在室外时镜片吸收紫外线后颜色变深；当回到暗处时 发生逆反应，又恢复到完全透明的状态，能方便地在室内室外状态 间转换。
2. 光传播特点？
（8） 光的色散 光在介质中的传播速度随波长变化的现象。
2. 光传播特点？
（6） 光在航空航天领域的应用
空间对地观察
卫星观察下的长沙 学院教学楼 03年伊拉克战争前， 美国的对地观测能观 察到巴格达街头摊位 上的苹果
我国空间对地观测的 能力还很落后
需要研制大孔径的观 察相机
摘自Google Earth
空间激光通讯
用激光束作为信息载体进行空间通信。 激光 VS 微波 频带宽 高度相干性 空间定向性
激光显示：利用激光作为光源，显示色彩鲜明，亮度高， 光源寿命长，容易实现大屏幕显示
水立方
滚动屏幕
环形屏幕
转播屏幕
光电显示——展现了独特魅力！
新型光显示技术
头戴式显示 （虚拟现实）
柔性显示 （有机发光）
投影影像显示 （三维投影）
3. 光的应用？
（4） 激光加工 激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高 的能量密度，引起材料的变化，目前是激光应用最为广泛的 领域。
工业时代
21世纪最大产业 5万亿规模 10%年增长率
光电产业
光电照明 光电通信
太阳能光伏 光电显示
1. 光是什么？
光是一种电磁波，它携带能量和信息，具有波粒二象性。
2. 光传播特点？
（1） 光的直线传播
月球挡住了太阳光，影子恰好落到ห้องสมุดไป่ตู้球上。
2. 光传播特点？
（2） 光的反射
哈哈镜反射成像失真
光照明
利用蓝光二极管可通过激发荧光粉产生白光。白光LED可显著 延长灯的寿命，且节能环保，是照明领域的一场革命。
引言：光电学科与诺贝尔奖
布喇格
狄拉克 康普顿 德布罗意 玻恩 玻尔 薛定谔 泡利 海森伯
德 拜
普 朗 克
居 里
洛 伦 兹
爱 因 斯 坦
郎 之 万
众多光领域的科学家成为诺贝尔奖获得者。
（11） 光的速度
3. 光的应用？
（1） 光通讯 光纤通讯
光量子通讯
光纤通信——构成信息高速公路的神经元！
光纤通信——构成信息高速公路的神经元！
3. 光的应用？
（2） 光照明
LED—即发光二极管:具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可 靠性高等传统光源不及的优点。 1801年，英国的Humphrey Davy发明了电弧灯，电灯先驱。 1857年，法国的A.E. Becquerel 提出了荧光照明的理论。 1879年，爱迪生、白炽灯，历史上第一只真正的电灯。 1927年，Hans Spanner申请了第一盏日光灯的专利。 1993年，中村修二制作了第一颗蓝光LED，开启了人类半导体照明史。
优势 通信容量大 保密性高 功耗小 体积小，重量轻
大型望远镜
太空光学望远镜
6.5m口径 2.4m口径 可见光观测 红外观测 2018年
韦伯望远镜
分辨率：0.1角秒
哈勃望远镜
分辨率：0.1角秒
哈勃
韦伯
大型望远镜
地基光学望远镜
39.3m口径
2024年
欧洲极大望远镜
分辨率：0.01角秒
2. 光传播特点？
（3） 光的折射
光 的 折 射
2. 光传播特点？
（4） 光的干涉
两束相干光叠加引起光强度重新分布，形成明暗相间的条纹。
干涉现象
2. 光传播特点？
（5） 光的衍射 当光遇到障碍物，光线偏离直线传播的现象。
透过丝巾的光
望远镜看星星
佛光
2. 光传播特点？
（6） 光的偏振
光是横波，垂直于传播方向平面内的各种振动状态称为光的偏振态。
凯克望远镜 10m口径
分辨率：0.1角秒
大型望远镜
射电望远镜
波多黎各
300m
阿雷西博射电望远镜
FAST球面射电望远镜（中国贵州）
500m
3. 光的应用？
（7） 光在军事领域的应用