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光信息
科学
光电子
技术
光电子成为信息产业的主角

许多学科分支和方向 已形成大规模的产业
全世界光学和光（电）子学技术产业规模 1995年 达 700亿美元 2000年 达 1030亿美元

光电子
光电子成为现代产业的主角

机械领域： 激光加工： 打孔、切割、焊接、表面处理 激光光刻、激光微细加工、X射线光刻
对比
电信号传输速度：105 m / s
电子开关速度：10-9 s
光子技术的优越性
抗干扰 能力强 • 不受外界电磁场干扰 • 相互间几乎不干扰 • 可共用一个空间，不“串音” 对比
• 电子受外界电磁场干扰
• RC问题 • 滞后效应
光子技术的优越性
处理 速度快 对比 电子 可在自由空间传播 在电线里传输
次 /秒
目前 电子计算机 的计算速度举例
2005-1-14 报道
中国科学院知识创新工程和上海市信息化建设 的重大成果
高性能计算机
计算速度
曙光4000A
10 13
次 /秒
10万亿次
而在2003年2月报道的是： —— 3000亿
次 /秒
例2 功能： 感知:
高智能机器人
学 习
形象
联 想
声音
推 理
识 别
气味
记 忆
感觉
目标：
快速计算、快速反应、达到人脑的水平
计算速度
要求达
1015
次 /秒
“现代”机器人能做到吗 ？？？
过马路 ？？？
打 乒 乓 球
！
！
！
关于现代机器人
2003年2月23日报道
日本 研制的 世界第一个机器人
能行走，能认识10个人
会握手、挥手、跟在人后面走 结论 电子系统速度慢，现代机器人比不上 人

能源领域： 太阳能电池、激光核聚变 —— 空间卫星的能源，地球能源
光信息科学
光 是最重要的信息载体，人类感官接收 客观世界总信息量的 90%以上通过眼睛 光纤通信： 以低损耗石英光纤和半导体激光器为基础， 成为当今通信的主体和方向 显示技术：液晶大屏幕显示成为下一代电视的主流; 图像显示和复制设备：激光照排、印刷、分色、打 印、复印、传真，—— 构成庞大印刷产业 成像和探测领域 CCD等数字图像设备：扫描仪、 传真机、摄象机、摄录机、数码相机……使光信息数 字化; 光电子成像器件和探测器可以涉及到不可见光 （微光和红外）
20世纪光学的 主要特点 1、光学领域的扩展
• 波段： 向两端扩展
可见光 X射线
紫外
近红外 中红外 远红外
新学科
紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学
• 波长：单色性、相干性
研究方向
激光器
激光全息
• 光强：单光子
激光光源
星际光源
20世纪光学的
主要特点 1、光学领域的扩展
• 研究对象：宇宙、宏观、介观、微观
研究方向
宏大光学 天文望远镜
微小光学 微透镜
• 空间尺度：百亿光年
研究方向
单原子尺度，介观尺度
纳米光学
原子反应时间 （10-15 秒）
天文光学
• 时间尺度： 天文时间
研究方向
静态光学 如超快速现象
瞬态光学 纳秒、 皮秒、飞秒
20世纪光学的
主要特点
2、应用功能的扩展
光学工程 —— 综合技术学科
现代精密仪器： 多功能、高效率 光、机、电、算一体化 光学 技术手段：自动化、 数字化、智能化
信息爆炸
采 集 传 输
信息时代 对 信息技术
提出 更高 要求
处 理 存 储
超高速度
超大容量
例1
重返大气层多弹头导弹的Fra bibliotek拦截弹头数量大于1000枚的情况 要求：在数分钟内完成五项功能
寻 的 识 别 跟 踪 发 射 迎 击
计算速度
在 3’ —— 29’ 时间内分 4 阶段拦截、确认结 果
要求达
1015
光 材
材料
精密机械
机 电
算
计算机
电子
20世纪光学的 主要特点 3、研究内容的扩展
• 传统光学 ： 研究 望远镜、显微镜、放大镜等
• 现代光学： 扩展到
激光 核科学技术 光探测器
全息
微光 光集成 光计算
航空航天
光纤与光纤通信 光信息处理 机器人视觉
图象处理
图象融合 灵巧结构 等等
光子已不仅是作为信息传递的手段，帮助人类认识世界 光子也能改变物质的形态， 帮助人类改造世界
激光核聚变: 神光II装置
载人航天飞行: 神舟5号
风云II号气象卫星
2.16m
反射望远镜
微光夜视技术
全息防伪 技术
20世纪光学的 主要特点 空间
精密
微电子
化学 环境 保护
加工
能源
医疗 材料
印刷
生物 工程
工程
4、应用范围的扩展
核技术 防灾
农业
生态 环境
资源 生命 科学 保护
遥感
遥测 军事
全息信息存储
探测器 参考光束 成像透镜 空间光 调制器 记录介质 变换透镜 数据页 信号 光束 激光器 待存储 的信息
1 路 彩电信号
美、日报道：超大容量传输系统 1012 bits / s （Tb / s）
序言 存储
》
光子技术的优越性 海量存储
密度大
例1
200mm双面光盘，2.4mm厚 可存储 2 部电影的全部声、像信息
全息存储
1cm3 光折变晶体
例2
存储 1万 幅二维图像，数据量达到10Gbit 计算机控制，快速存储
享受光 享受光学
光学科学与技术的成果已深深渗透到我们的生 活中
--王大珩
王大珩先生说：
• 20世纪以前的光学
古典光学
• 20世纪的光学
传统光学
传统光学 • 21世纪的光学
现代光学
光子时代的到来
21世纪 将是光子的世纪
20世纪光学的
主要特点
光学领域的扩展
应用功能的扩展 研究内容的扩展
应用范围的扩展
光子
可在波导内传播
并行传输
串行传输：“瓶颈” 问题
并行传输： 由于线径影响
并行处理
速度快
二维图像处理，更快、更优
出现RC问题
光子技术的优越性
传输 容量大
高密度 大容量
三维空间传 输
高带宽
一根光纤可同时传送多少路电话？？？ 106 —— 108路
对比 一路微波通道，传送 103 路 电话 或
21世纪投入使用
例3

其它领域
航空、航天 中长期天气预报 地震预测、预报 超大量卫片的图像处理 计算速度 要求达
灾难的避免 快速反应 快速处理
1015
次 /秒
20世纪光学的 主要特点
光子技术的优越性
响应
以光速传播 30万 km / s （3x108 m / s）
10-15 s
速度快
光开关速度：飞秒（FS）