现代光学(二)
光是现代科技的重要驱动力,光学与信息、先进制造、能源、健康和国家安全密切相关,推动人类社会的发展。
1. 光与信息:光纤通信、光开光、光全息、CCD成像、光量子通信、立体电影、光纤胃镜,计算机等等,都能体现光与信息的关系。以互联网计算机为例,如果将光的作用去掉,依赖光纤通信的计算机信息传输和依赖光刻的芯片加工将不复存在,整个信息时代就消失了。光信息传播是以0、1信息先编码,传输后再解码来输出信号,那么光开关决定了信息的通过,有光通过为1,无光通过为0,光开光的响应速度决定了信息传输的快慢。现在新兴的自动驾驶的感知也是依赖光学,车辆的行驶路线、周边的物体避让和路况环境的确定等,都是通过光学信息的采集和处理来实现的,光和信息始终紧密地联系在一起。
2. 光与先进制造:光刻技术已经将波长越做越小,现在可做到几纳米的量级和精度,甚至可以制造纳米和微米尺度的微结构,广泛应用于生命科学和医疗等领域。激光打标、激光切割、3D打印等应用也无处不在。例如,现在百分之七十以上的汽车构造都是用激光焊接的技术完成,焊接效果几乎与原型一致,增加了车体的稳定性和安全性。
3. 光与能源:LED 光源由于其电压低,能耗低,安全性高,目前已经得到普及使用。激光分离铀同位素、激光聚变、太阳能的利用等能源领域都是光学重要的应用体现。
4. 光与健康:X光的发现深刻地影响了医学领域的发展,DNA双螺旋结构就是科学家应用X光解析出来,引发了医学领域颠覆性的变革。光学显微镜的出现,使得人们可以观测细胞、染色体等,随着观测精度进一步提高到百纳米量级,更可观测高分辨荧光蛋白的细微结构,对生物物理的发展起到了极大的推进作用。激光美容、激光眼部手术已经是成熟的技术,被广泛地应用在美容医疗领域。
5. 激光与国家安全:激光安检、激光武器、激光制导、激光测距、激光导航等,激光几乎是安全和国防等研究领域的必备利器。
从公元前墨子对光的描述,到1665年显微镜的发现,1704年牛顿光学的出版,1865年麦克斯韦方程的诞生,1905年光电效应的发现确定了光的量子特性,1960年激光的诞生,1965年光纤理论的提出,1973年第一代光纤技术的发展,1999年飞秒激光作为时间分辨对超快动力学的技术测量,这些都是光学发展史上的里程碑。21世纪是光的世纪,光以其不可替代的作用促进着科学及社会的进步。
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