21世紀(jì)的光電子科學(xué)技術(shù)

 
    所謂光子技術(shù)，主要是研究光子的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測的科學(xué)技術(shù)?，F(xiàn)在，光子學(xué)和光子技術(shù)在信息、能源、材料、航空航天、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，必將促進(jìn)光子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。

　　目前，光電子技術(shù)研究熱點(diǎn)是在光通信領(lǐng)域，這對(duì)全球的信息高速公路的建設(shè)以及國家經(jīng)濟(jì)和科技持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的推動(dòng)作用。目前，國內(nèi)外正掀起一股光子學(xué)和光子產(chǎn)業(yè)的熱潮。一些國家把大量資金投入光子學(xué)和光子技術(shù)的研究和開發(fā)，許多以光子學(xué)命名的研究中心、實(shí)驗(yàn)室和公司如雨后春筍般地建立起來?？梢院敛豢鋸埖卣f，一個(gè)國家對(duì)光子學(xué)的投資以及在這一領(lǐng)域從事研究工作的人數(shù)直接反映著這個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平。國際知名的科學(xué)家已經(jīng)預(yù)言：光子時(shí)代已經(jīng)到來，光子技術(shù)將引起一場超過電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命，將給工業(yè)和社會(huì)帶來比電子技術(shù)更大的沖擊。同時(shí)認(rèn)為，到2010年，國際上光子信息處理器件產(chǎn)值將達(dá)到和電子信息器件產(chǎn)值相等的程度，到21世紀(jì)中期，光子產(chǎn)業(yè)將會(huì)超過電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和影響。所以說，光電子產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。

　　光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)持續(xù)發(fā)展中的作用

　　光電子產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)市場潛力巨大、產(chǎn)值迅猛增長的高新技術(shù)支柱產(chǎn)業(yè)。在1998年，全世界光電子產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值實(shí)現(xiàn)1400億美元；2000年，已達(dá)到1800億美元；估計(jì)到2010年，產(chǎn)值將達(dá)到4500億美元。難怪實(shí)業(yè)界人士驚呼，20世紀(jì)是微電子的世紀(jì)，21世紀(jì)將是光子的世紀(jì)。

　　為什么說光電子技術(shù)是21世紀(jì)最尖端的科學(xué)技術(shù)，它會(huì)對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到怎樣巨大的推動(dòng)作用？本文用一系列的數(shù)據(jù)來說明光電子技術(shù)可以創(chuàng)造出很多科學(xué)技術(shù)的新記錄，可以看到在科學(xué)技術(shù)幾個(gè)重要的領(lǐng)域，都用光電子的方法達(dá)到了最好的成果和最重要的記錄。

　　比如說，最大的能量密度。我們通過激光輸出的脈沖能量，目前已達(dá)到13PW（1 PW＝1×1015W），差不多是一個(gè)天文數(shù)字，再把激光用光學(xué)系統(tǒng)聚集，在焦點(diǎn)位置上的強(qiáng)度可達(dá)到105 PW，溫度非常高，可把最難熔的金屬熔化，把所有硬殼物質(zhì)氣化，甚至破壞。同樣，用光子技術(shù)也可取得最高的壓強(qiáng)，得到最短的光脈沖。美國預(yù)測其明年就可實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)火，但是根據(jù)我們掌握的情況，明年可能還達(dá)不到，還要經(jīng)過一番努力。另外，用光電方法還可以做到最精密的刻畫。例如，刻一條線做集成電路，要把這條線刻得越窄越好，越窄，體積就越小，越緊湊，越小型化?，F(xiàn)在，用激光的方法可使線條達(dá)到0.18微米，最近用準(zhǔn)分子激光可達(dá)到0.1微米，估計(jì)最終可達(dá)到50納米?，F(xiàn)在，應(yīng)用光電子技術(shù)可得到最大的信息容量。從發(fā)展的角度看，如能制成光子計(jì)算機(jī)，它的速度要超過電子計(jì)算機(jī)。我們知道，通信的保密安全是一個(gè)非常重要的問題?，F(xiàn)在看來，用光電子方法做成光子通信系統(tǒng)是最安全的。目前，從信息安全的角度看，有兩種辦法：一種是物理學(xué)的方法，另一種是用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行保密的措施。但由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度非?？?，密碼總可以被解密，用數(shù)學(xué)的方法無法做到萬無一失。而用物理的方法，尤其是用單光子來傳播信息就可以做到萬無一失。因?yàn)閱喂庾觽鬏?，你沒有辦法設(shè)定，若你一設(shè)定，通話雙方就馬上知道有人在竊聽，就可以馬上改變密碼，因此它是萬無一失的?，F(xiàn)在，在國際上已經(jīng)能做到幾十公里內(nèi)的安全通信，我們國內(nèi)也在做這方面的研究。另外，用光子學(xué)的方法還可以得到最低的溫度，可以把原子冷卻到接近絕對(duì)零度。以上這些，都是用光電技術(shù)可以達(dá)到的最高記錄。

　　在科學(xué)研究方面，利用光子學(xué)技術(shù)也創(chuàng)造了很多新的成果。有兩位美籍華人科學(xué)家，一位是朱棣文，一位是李遠(yuǎn)哲，在研究過程中基本上都利用了光子學(xué)的技術(shù)，一個(gè)利用激光冷卻并捕捉原子，一個(gè)用分子束的激光探測研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，分別得到諾貝爾物理獎(jiǎng)和諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

　　我們還可以看到，光電子產(chǎn)業(yè)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化都起著巨大的促進(jìn)作用。比如，激光加工對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械加工是一個(gè)很重要的改造，是一項(xiàng)全新的技術(shù)。汽車、輪船制造使用激光技術(shù)后，質(zhì)量、產(chǎn)量都大大提高。另外，光電子技術(shù)還具有精密、準(zhǔn)確、快速、高效等特點(diǎn)，有助于全面地提高工業(yè)產(chǎn)品的高、精、堅(jiān)加工水平，大幅度提高產(chǎn)品的附加值和競爭能力。同時(shí)，光電子技術(shù)派生出了許多新興科學(xué)技術(shù)和新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，極大地推動(dòng)了高新技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化。

　　在國防上，光電子技術(shù)也起著很重要的作用，可以說是國防軍事現(xiàn)代化的重要支柱。在戰(zhàn)爭中應(yīng)用大量光電子技術(shù)，如用于武器控制的光電精確制導(dǎo)？紅外制導(dǎo)、電視制導(dǎo)、靈巧炸彈等？，在戰(zhàn)爭中起著很奇特的作用。在作戰(zhàn)時(shí)，光電子技術(shù)可以提供既快又準(zhǔn)的信息，它將使己方看得更清楚、反應(yīng)更快、打得更準(zhǔn)，生存能力更強(qiáng)。在近十來年幾次大的戰(zhàn)爭中，光電子科學(xué)技術(shù)都起著重要作用。

　　光電子科技的歷程和光電產(chǎn)業(yè)的形成

　　我們知道，光是生命的源泉，它為人類提供青山綠水的生活環(huán)境和豐富的衣食住行的資源，光使我們目睹五彩繽紛的世界，電和光“帶領(lǐng)”人類進(jìn)入高度發(fā)達(dá)的信息時(shí)代。但對(duì)人類來說，對(duì)電和光的了解經(jīng)歷了一個(gè)逐步推進(jìn)的過程。電荷、電子大家都很熟悉，比如電話、電燈、電視、電子管等，然而對(duì)光、光子就比較陌生，過去對(duì)光甚至有一種崇拜的意味。和光打交道最多的是想到黑暗中要有燈光，或者近視要配眼鏡，看遠(yuǎn)方的物體要用望遠(yuǎn)鏡，看小的東西要用顯微鏡等等，直到20世紀(jì)60年代以后，光和光子才開始慢慢地走進(jìn)人類生活的舞臺(tái)。最近20年，它已經(jīng)逐步走進(jìn)市場。如現(xiàn)在大量使用的光筆、光盤、激光打印機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)、激光測距、激光醫(yī)療、激光加工、激光武器等等。

　　在此，筆者談?wù)劰鈱W(xué)和電學(xué)的關(guān)系。過去，電學(xué)和光學(xué)在表面看來是互不相關(guān)的兩個(gè)學(xué)科，實(shí)際上他們在發(fā)展過程中是相互促進(jìn)的。它們打交道的第一個(gè)回合，是１９世紀(jì)６０年代麥克斯韋提出的光的電磁波動(dòng)理論。他提出：無線電波和光波都是電磁波譜大家族中的一員。光和電打交道的第二個(gè)回合，是1905年愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應(yīng)，明確了光和電的密切關(guān)系。光與電打交道的第三個(gè)回合，是1960年激光的發(fā)現(xiàn)。激光是光學(xué)史上一項(xiàng)重大革命，也是20世紀(jì)最主要的重大發(fā)現(xiàn)之一。激光器是電子學(xué)中微波量子放大器在波長上的延伸――從微波延伸到光波。激光器的發(fā)明不僅提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源，而且對(duì)時(shí)至今日的無線電頻率下的許多電子學(xué)的概念、理論和技術(shù)，原則上均可延伸到光頻波段。由于激光的發(fā)明，使電子學(xué)中原來光學(xué)做不到的一系列技術(shù)在光波段都可以實(shí)現(xiàn)，把光的應(yīng)用范圍大大地?cái)U(kuò)展了。光學(xué)工作者把現(xiàn)階段的光學(xué)稱為光子學(xué)有一個(gè)重要含義，它標(biāo)志著在發(fā)展和應(yīng)用前景上，光學(xué)與電子學(xué)占有同樣重要的地位，光子學(xué)與電子學(xué)的關(guān)系就是一個(gè)相互依存、共同發(fā)展的關(guān)系。

　　21世紀(jì)是光子學(xué)的世紀(jì)

　　在信息科技領(lǐng)域，20世紀(jì)的電子學(xué)確實(shí)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但由于其信息屬性的局限性，使其無論在速度、容量還是在空間相容性上都受到很大限制，而光子的信息屬性卻表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿兔黠@的優(yōu)越性。從電子器件和光子器件的性能比較中，可以看出光子器件的發(fā)展是必然的。在信息處理速度上，電子器件的響應(yīng)時(shí)間最快也只能達(dá)到10－11s，而光子器件可達(dá)到10－12－10－15s，差了3―4個(gè)數(shù)量極，快1000―10000倍。同時(shí)，光子在通常情況下互不干涉，具有并行處理信息的能力，在光計(jì)算中可大幅度提高信息的處理速度。另外，在存儲(chǔ)能力、傳播速度、抗干擾能力等很多方面，光子器件彌補(bǔ)了電子器件的很多不足，為信息技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。為此，進(jìn)入21世紀(jì)，光子學(xué)與電子學(xué)將會(huì)成為更密切的整合體，互為補(bǔ)充，相互促進(jìn)，把信息社會(huì)推向新的發(fā)展階段。

　　
摘自　光纖新聞網(wǎng)