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光电专业学科和产业前景描述——转自浙江大学光电系网站
发布时间:2019-05-18 04:08

  上世纪九十年代末,光通信浪潮的兴起标志着光子和电子成为现代信息技术的基本载体,带动了光电信息产业的快速发展。国内外光学工程学科和光电信息产业的发展主要表现在光通信、激光与光电子技术、光学成像技术、光存储、光电传感及检测、能源及照明、光电显示、生物光子技术等领域,技术热点集中在光通信器件和应用系统、半导体激光器等光电子工业、光电传感器、激光加工业、激光核聚变、太阳能利用、LED照明、智能化光电仪器、光学医学应用、便携信息产品可视化、光学惯性技术、超分辨超光谱超快成像、衍射成像、光电图象输入及输出、平板和投影显示、有机发光显示□◁和新型发光材料、海量光存储器和光学器件的加工制备等领域,技术难点主要集中在光学单元器件技术和系统光电集成技术。国内的光电产业和研究单位主要集中在华东长三角区域、华南珠三角区域、华中武汉光谷、华北环渤海湾地区、中科院五大光机所以●及航空航天等军事应用单位,构成对光电☆△◆▲■信息类人才的迫切需求和对国家经济建设、国防建设的大力支持。在国家中长期科技发展规划中,信息技术中的传感器网络,先进制造技术中超大规模集成电路制造装备和成套工艺,对地观测和遥感技术,深空探测,惯性约束,以及在能源、交通、农业、环资、医学等领域的光电信息交叉应用,均构成对光电信息工程专业高端人才的需求。

  仅就浙江省而言,据省信产厅统计,光电子产业近年以年均30%的增长率快速发展,目前已成为光电子产业大省。浙江省在光通★◇▽▼•信、光器件、光材料、光能量转换器等方面已形成系列▲●…△产品,其中光纤光缆生产企业数量和规模居全国第2位;在光学仪器与光学加工领域具有国内领先规模,其中中、低档相机镜头占世界市场一半以上份额。浙江省正逐步形成各具特色的光电产业特色园区,如杭州高新区光电产业特色园、杭州下沙经济技术开发区光电产业特色园、富阳光电子产业园、宁波保税区光电产业特色园、绍兴光电产业集聚区、嘉兴光电产业集聚区、湖州光电产业集聚区、浙西光配件产业特色园、温州光电能产业特色园、平湖光电子产业特色园、台州特种光材料产业特色园、金华特种光电材料特色园等。浙江省重点发展的光电产品包括:光电显示、光纤预制棒、光纤和光缆、光有源器件和无源器件、光端机、SDH设备、光纤接入网技术及产品、激光晶体与光学材料、光学晶体材料和光学陶瓷材料及基片、数码相机、可视电话、激光数字视盘机、保安监控系统�红外报警系统,以及太阳能电池、节能型照明灯具、太阳能真空管、新型激光医疗▲=○▼设备、激光加工设备、照明级发光二极管、光电检测仪器及其它光机电一体化产品和全光网络系统技术及产品、DWDM、光集成电路、光波导、光纤放大器、光传感器等。据阿里巴巴网站▼▼▽●▽●统计,我国目前拥有照明类光电企业约11000余家,其中大部分位于浙江;浙江省还拥有光学器件及仪器类企业约1100家,光电显示类企业约1000家,太阳能转换类企业约40家,2007年有三个光电企业进入浙江省电子信息产品制造业三十强。浙江省信息产业厅制定的光电产业近期发展目标是:2007年末销售收入超3000亿元,经济总量占全国光电产业的10%以上,经济规模进入全国同行前5位;出****货值占全部销售收入的比重达30%以上;光电产业增值占当地GDP的8%左右,占全省制造业增加值10%以上。

  信息工程(光电)专业所依托的浙江大学光学工程学科是国家重点学科,在全国最早建立了从本科、硕士、博士到博士后流动站的完整人才培养体系,建设有现代光学仪器国家重点实验室、国家光学仪器工程技术研究中心和浙江大学第一个国防重点学科实验室,近5年来在光学惯性技术、微纳光纤及器件、负折射率介质和光子晶体、高清晰度投影显示、多功能高集▪…□▷▷•成度光电子集成器件等研究方向和光电产品产业化辐射方面取得了突出成果,2006年在教育部学位与研究生教育发展中心组织的一级学科评比中获得全国第一,2005至2007年在全国高校研究生院一级学科评比中连续三年获得第一。

  “光、光、光,之为用大焉!人类活动不可一日没有光,万物生长也不可一日没有光。世界之所以为世界,就在于它有了光,才能把大千 世界如实地反映在人的视觉思维系统中,然后才能办一切事!也为此,医学家和光学家千百年来,都以如何使盲者复明作为自己的第一职志。”

  这是浙江大学光电系董太和老教授在2002年浙江大学光学工程学科成立50周年庆典时发出的肺腑之言,形象透彻地说明了光与人类和世界 的关系。对于正常人而言,三分之二的时间都在用眼睛观察世界,观察世界的无颜六色,观察世界的发展变化。所以,可见光是人类与自然交流的第一媒 介,是人类感知信息并做出判断的最主要手段。显然人类离不开光。

  ——人类的大部分活动都是在可见光照明的条件下进行的,可见光的不同光谱为人类提供了五颜六色的视觉愉悦感受;

  ——人类致力于将核能、风能、机械能、化学能、电能等各类能量形式最大效率地转化为可见光能,为人类活动提供适宜的照明条件,使昼夜 无区别;

  ——警示照明和景观照明在陆地交通、航空航海、舞台布•□▼◁▼景、夜晚建筑形象展示、广告展览、汽车电子、道路照明、园林园▷•●区景观、高层建筑 警示、室内装饰、发光玩具等领域广泛应用于人类生活中;

  ——成像光学和光电转换产品成为人类不可或缺的日常消费、办公及公共资源,如复印机、传真机、照相机、摄像机、数码相机、数码摄象机 、手机摄像模组、电影摄影机、电影放映机、投影机、望远镜、激光◆■打标、激光全息防伪、超市条码识别系统、公共信息发布、公共安全监控、图书借阅 管理系统、邮政分捡系统、路灯自动控制系统、日用品生产线自动控制系统等;

  ——电光转换产品使电子信息可视化,极大地丰富了人类的生活,计算机显示终端、CRT电视机、等离子体电视机、液晶平△▪▲□△板电视机、背投影电 视机、示波器显示屏、荧光发光面板、有机发光显示屏、发光二极管显示屏、PDA显示屏、手机显示面板等。

  ——光存储和阅读技术的发展使信息周转更加便利,成本更低,如CD-ROM、VCD、DVD等;

  ——光通信技术的实用化使通信容量更大、传输速度更快,节约了大量不可再生的金属线缆材料,为实现互联网功能的极大化奠定了坚实的基 础。中国目前已成为光纤光缆铺设公里数最多的国家,国家信息基础设施的完善性位居世界前列;

  ——光学医学成果得到普遍应用,如激光手术、X光射线检验、组织成分光谱分析、光学层析、器官内窥治疗、视力矫正、彩色B超、染色透视、 药物检验、人体红外动态远距测温等。

  ——光学望远镜拓展了人类的宏观视野,为远★-●=•▽距观测、天文观测、对地观测等研究领域提供了物质手段;

  ——光学显微镜拓展了人类的微观视野,为生物微观◆●△▼●结构、物质微观结构、产品微观结构、微观反应过程、微观合成机理、半导体电路的超大 规模集成等研究领域提供了物质手段;

  ——光谱检测及应用利用物质对特定谱线的吸收机理,广泛应用于固、液、气各相成分的检测,成为各行各业主要的研究、检测手段;

  ——光学遥感技术广泛应用在土地资源分布、矿物资源分布、地理资源分布和气象变化趋势分析等研究领域;

  ——光学探测技术广泛应用于表面质量检测、管道无损检测、物体几何形状检测、尺寸位置探测、光能量分布探测、定位探测、组分饱和度探 测、色度均匀性探测、图象模式识别探测等众多应用研究领域;

  ——光电对抗成为国防研究能力和综合国力的直接体现。如精确制导与拦截、陀螺定位、高精度对地观测、激光核聚变、自由空间光通信等。 2003年伊拉克战争前,美国的对地观测能够观察到巴格达街头摊位上的苹果,而2006年中国已掌握了美国圣何塞军港的航母码头、芝加哥最大立交桥和台 北陆军司令部的高清晰度照片。

  ——纳米光学技术在新型光学介质及功能材料、微纳米◇=△▲光波导、微机电系统制造、微型滤光和成像器件、微纳尺寸检测的应用将开拓光学工程 研究的新领域。

  ——新型集成光电子器件的发展将为光通信技术、光显示技术和光存储技术等光学应用领域的突破奠定新的基础。

  ——大功率白光LED器件的发展将全面替代现有白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯、气体放电灯等主要照明光源,为人类提供更加环保节能、转换 效率更高、体积更小和寿命更长的优质照明光源;

  ——激光核聚变技术的发展将使人类更方便地获得用之不竭的洁净能源,深刻地改变人类的生活;

  ——光学技术在航空航天领域的突破应用将为人类征服宇宙和规划未来做出突出的贡献;

  ——新型光电功能材料的突破将产生超薄、便携、柔性光学显示器和存储器,极大地改变人类的娱乐、生活和工作方式;

  ——光并行计算和光互连技术的发展将使计算机进入光子时代,产生新型光子计算机,计算容量和速度大大提高;

  ——光子技术的生物学和医学应用将帮助人类解决诸多瓶颈问题,为延长人类寿命和提高生活质量方面承担起更加主要的责任。

  光学和光学工程学科在上个世纪得到了很大的发展,中国光学泰斗王大珩院士曾经总结了上个世纪光学发展的十大方面并指出了新世纪的 发展机遇:

  上世纪两大物理主流----相对论和量子物理,是以光学实验为出发点的,相对论立足于麦克逊干涉实验,量子理论始于黑体辐射测量;

  光谱学一直是量子物理的实验根据,现已成为物质分析的主要手段;光化学作为化学反应的催化手段。激光的出现为研究物质运动,包括化学 反应提供了新的手段。

  二、19世纪末光的电磁波动论,导致无线世纪发展成无线电通讯和无线电电子学,进而形成电子学专业工程学科。

  常用光学仪器的规模化生产降低了生产成本(显微镜、望远镜、照相机等为光学仪器应用的大众化开辟了道路);

  超高分辨率和超分辨率空间对地观察相机口径从0.6m到3m,并可用于强激光投射系统(激光光炮管)。

  四、光电子新技术或称光子学成为当代战略高技术之一激光的问世,来源于电子学与量子物理的结合,开始时被称为光量子放大,是20世纪下 半页时光学技术的重大革命;

  波长的扩展——微波、远红外、红外、可见光、紫外、远紫外、直至软X光波段;由波长特点各自形成专门的光学技术,例如红外技术,远紫外 技术等。半导体和微电子技术的发展,首先是技术上靠光刻形成微细结构;半导体发光及光敏器件成为光信息传输的基本器件,半导体发光器件特别是白 光器件可以作为家用照明,完全可能代替现有家用光源,将大大节省电力。

  由同步加速器产生的同步辐射,原来被认为是加速器的垃圾,现在被认为是光学上的宝贵资源,可作为高亮度观测和微细加工的手段 。

  五、光纤通讯技术原始概念是从半导体提纯技术取得高透明介质,可进行远距离传输而引申出来的。现在这项技术已经成为全球性网络,包括 越洋传输的光缆。传输率作为商品已达10GB,前沿已达60GB,在经济上比空间卫星全球通讯系统更具竞争力。

  六、光学信息理论与实践 光学传递函数理论的发展与实践为复杂的光学成像链提供了方便的质量评估手段。光学信息处理可在复杂目标背景中 ,通过分析和组合提炼出所需要的特征图像,例如图像识别。半个世纪以来,由空间技术发展所带动的遥感技术就是以此为依据,在经济建设上同样取得 了明显的收益。 医疗技术方面,在已有的X射线透视基础上发展了X光CT和核磁共振CT;近来我国还研制了具有原始创新意义的差温层析仪,都是光学信息 理论在医疗技术上的重大贡献;

  全息光学技术是当前迅速储存光学图像的一种新手段,它以点位相储存的方式代替了几何轮廓的储存方法。新概念使得多景的图像可以叠 加在一起,使用时靠衍射原理分开,给信息技术一个新的启示,特别是在生物信息方面。

  八、原始性概念创新的自适应光学 光学传输穿过可抖动或漂移的介质,进行实时光学相位补偿以提高成像的质量;

  用于激光光学系统。由于激光漂移所引起的相位误差能够得到补偿,因此可以提高大功率激光的光学质量;

  强激光光学和等离子体物理光学成为研究激光核聚变作为能源前景的基础理论科学;

  量子信息作为迅速传输手段的新尝试,具有信息传输密要不被破坏的优点,对于量子计算机的优越性和可能性也在探测之中;

  非线性光学特别是激光技术所需要的特种非线性晶体、线性晶体,例如KTP、BBO、LBO、LiNbO3等等;

  一、光学作为信息载体方面,可应用在国家安全、环境和人民健康等方面。光纤传输。现在传输率达60GB,理论上至少还有2个数量级的容余量 可兹发展。当前瓶颈在于光信号调◆▼制采用的是光电技术,而光电技○▲-•■□术的速率在电路传输上很难超过10-8秒;其前景是用纯光学调制(例如光干涉),这样 就可以避免这种瓶颈效应;

  对我国来说,空间对地观测的能力还很落后,研制大孔径观察相机还需要花很大力气;

  二、光学作为能源 光核聚变。距离工程化还有很大距离,有大量系统的研究工作要做;

  激光武器。有可能进入工程阶段,但技术保障设备过于笨重,不利于战术上的生存,必须加以改进;

  同步辐射和物质的相互作用用途广泛,例如进行深度刻蚀、短波长度物质加工等。

  三、光学服务于基础研究 做为探针,发展微观动力学的问题数以千万计,一个世纪也做不完;

  光电元器件随波段的扩展和频带的加宽,必然提出新的需求。要抓住全世界光学繁荣发展的机会,不失时机强化我们的光学事业,包括基 础研究、产业化和光学高技术工业的建立,尽量发挥同业者的智慧和创造性的才能,为了小康社会的建设,不遗余力的做出光学工作者的贡献。

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