引言

光学作为一门学科诞生已近340年，经历了一个漫长的发展历程。20世纪以前的光学主要标志是由古典光学到传统光学，为光学的发展奠定了良好的基础；20世纪光学的主要标志是传统光学大步向现代光学的迈进，是大发展的100年。20世纪激光、光纤、全息、光存储、光记录、光显示等技术的出现，给我们带来了以光通信、因特网为代表的全新的信息化的时代。可以毫不夸张地说，如果没有20世纪光学的巨大进步，就没有今天信息社会的到来。

在迎接新世纪到来的时刻，回首100年来光学的发展和进步及其对人类的贡献，正是“百年光学，历程辉煌”。站在新世纪的开端展望未来，更是“任重道远，前程似锦”。本文简要叙述20世纪光学的进展，并对新世纪的光子学及光电子产业作一初步的展望。

20世纪以前的光学——由古典光学到传统光学

光学是研究光的产生、光的本性、光与物质相互作用的科学，是一门历史悠久而又年轻的学科，它的发展表征着人类社会和文明的进程。

光的世界五彩缤纷，灿烂夺目，令人神往。但长期以来，人们由于对于光的无知而产生敬畏，对光的性质了解甚少，而如何利用光的能量以及把光的力量直接用到社会进步上，那就更微乎其微了。光学的天然资源是那样广博多彩，灿烂奇珍。很早，人们利用光的特性就开始发展了与光相关的产业：如制镜业——利用光的反射；贵重宝石的开采业——宝石的颜色的相互作用来自衍射；玻璃器皿和窗玻璃的制造业——利用光的透射；透镜研磨与制作的工业——利用光的透射、折射和聚焦；制灯业——利用光的传播，提供照明。人们对这样的状况似乎很满足，直到19世纪，人们对光的利用仅仅是光的最一般的性能。

自远古起，人们就开始利用光的一些现象，但只是依据实践合经验。在我国的先秦时代（公元前470～400）的《墨经》里，有关于光传播性质的最早记载。《墨经》中有八条是关于光学方面的。第一条叙述影的定义和生成；第二条说明光与影的关系；第三条则畅言光行进的直线性；第四条说明光有反射的性能；第五条论述的是依据光和光源的关系来确定影的大小；第六、七和第八条则分别叙述光在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。其中光的直线传播是核心内容。《墨经》中以描述一个小孔成像实验来说明光的直线传播。“景，光之人。煦若射；下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下。”这段简洁的文字可以说是关于关于光的直线传播的最早实验记录。古希腊的学者（例如欧几里德，公元前330～260）也曾注意到光传播的直线性，但要比《墨经》晚100多年，并且叙述得也不及《墨经》完整。

光学作为一门科学（也就是有定义、定理、学说等）来指导实践，应该说是从牛顿（IsaacNewton）开始。牛顿在许多科学领域中都有卓越贡献，而光学是他从事研究的一个领域。1664年，牛顿开始研究光学，时年21岁。1666年，牛顿通过棱镜把光分解为七色光，后来又确定每种颜色光在单独情况下的折射率。1671年牛顿制作了第二台反射式望远镜，扩大了天文观测的视野。1672年牛顿发表了“光和色的新理论”。1704年发表了“光学——关于光的反射、折射、弯曲和颜色的论文”，叙述了几何光学的基本原理。牛顿的分光实验以及牛顿环的发现，使光学由几何光学进入了物理光学领域。

中国也有一位大光学家孙云球，与牛顿乃同时代人，是明末清初一位光学仪器制造家。他是中国民间最早独立制造望远镜者；他创制眼镜，利用凹透镜、凸透镜、反射镜制造初察微镜、放光镜、夜明镜等70种光学仪器。总结造镜经验，写成《镜史》，在我国光学仪器发展史上起着重大作用。还创制“自然晷（音gui，日晷，即按照日影测定时刻的仪器）”，判定时刻，十分准确。

很遗憾，我国光学家孙云球以及他所发现的光学规律被人们遗忘了。因而西方通常说光学自牛顿始，迄今已有300多年历史了。

在光学发展的三百多年的历史中，光究竟是什么？光的本质是什么？即光究竟是一种什么东西？一直争论不休。

17世纪，关于光的本质问题，形成了两种不同的学说。一派是牛顿为代表的微粒说，他的主张是，光是从发光物体发出来的，而且是以一定速度向空间直线传播的微粒，这一派的学说统治达一百年之久，但也不断有波动说（主张光是波）主张者加以反驳。另一派是以惠更斯为代表的波动说，其观点是，光是某种振动，通过介质（以太）以波的形式向周围传播，光是由这种介质传播出来的纵波。这两种学说都有各自的理论根据。

19世纪初，人们从实践中发现了光的干涉、衍射和偏振现象，说明了光的波动性质，与光的微粒说不相容。1818年，巴黎科学院举行科学征文悬奖竞赛，竞赛的组织者希望把“微粒说”引向完善。但是，29岁的菲涅尔（Fresnel）在惠更斯和汤姆斯-扬（光的干涉效应的创始人）的基础上，以无可非议的大量事实证明了光的波动理论，菲涅尔对光的波动性的严密论证和重大启发性使波动说的反对者也接受了这一观点。

光的微粒说与波动说的重大争论是对一个实验事实的解释。实验指出，当光线从光疏的媒质折射入光密的媒质时，如从空气进入水时，光线折向法线。解释这一事实时，微粒说需要假设水中的光速大于空气中的光速，而波动说恰恰相反，需要假设水中的光速小于空气中的光速，两种理论呈现尖锐的对立状态。谁是谁非呢？在17、18世纪还不能用实验准确地测得光速，更谈不上对不同媒质子的光速进行比较。但当时慑于牛顿的权威，片面推崇牛顿的微粒说。直到1850年，傅科等人的实验直接测出了空气和水中的光速，证明光在水中的速度小于光在空气中的速度，这一实验结果与微粒说格格不入，从而彻底否定了光的微粒说。

后来到19世纪80年代，对光的认识带有根本性变革的是麦克斯韦（J．C．Maxwell）的光的电磁理论，1865年英国物理学家麦克斯韦提出光是一种波动过程。他发展了光的波动说，用光的电磁波理论代替光的机械波理论。在麦克斯韦以后的一个时期，光的波动理论可以圆满地解释光的一切传播现象，光的波动说达到了全盛时期。

1877年德国物理学家赫兹用实验证实了麦克斯韦这一科学预见。在光学的进程中，还应该提到基尔霍夫、本生、夫琅和费等人对光谱学的贡献，大量的光谱学的数据为后来量子力学和光子学的发展奠定了基础。这一时期的新发现有：

光生伏特效应（1839年）——用光照射到简单的伏打电池的负极端，发现光在电池内造成了微弱的电流流动。这便是今天太阳能电池所依据的原理，现代卫星几乎都是以此供应电力的。

阴极发光（1859年）——在研究气体放电管的阴极射线性能时，发现管子的末端在射线轰击处常常闪烁绿色的荧光，今天的示波器、雷达屏和电视显像管便是依靠这一效应描绘出它们短促的电子图画。

光电导（1873年）——发现硒（它是一种电的不良导体）在受照射时能够容易传导电流的现象。光电导摄像管后来被用于气象卫星、月球探测器和星际空间飞行中。

光电发射（1887年）——说明光与固体物质的相互作用，当用紫外光照射负极时发现除了由跨过间隙的电场释放的负电荷外，光还从端点释放负电荷，引起更大的火花放电。这是今天的像管工业-摄像管、光电倍增管、红外变像管、像增强器的基础。当时，这些现象在理论上还来不及得到解释。

我们可以把到19世纪末的光学称为传统光学（或老光学），它可分为：

古典光学：可以按光的波动说说明的光学现象；

经典光学：可以用光的电磁波理论解释的光学现象，主要以电磁辐射本身为研究对象；

传统光学：古典光学和经典光学的总称，有时亦称应用光学。依靠古典和经典理论形成的传统光学仪器，通常为光学机械仪器。

在古典光学与经典光学时期，光学工程主要是以几何光学和波动光学为理论基础，以拓宽人的视觉能力为目的。根据这些定理制作了许多至今仍有重要实用价值的光学仪器，如望远镜对天文学，显微镜对生物学和金相学，照相和电影对人类文化生活和科学研究，经纬仪对大地测量，光谱仪对物质成分和结构分析等等，大大提高了人类的观察、测量和分析能力。传统光学及其仪器对人类认识世界做出了重要贡献，并初步建立了以上述这些典型产品为代表的光学仪器工业，至今仍然发挥着重要作用。但关于光的相干和电磁波理论建立，光学还摆脱不了古典和经典理论的束缚；光的应用受到很大限制，其发展速度与其它科学技术相比，比较缓慢。

20世纪的光学——由传统光学迈向现代光学1

光学作为物理学的主干学科，到20世纪，经历了漫长而曲折的发展道路，开创了几何光学、波动光学、量子光学及非线性光学，揭示了光的产生和传播以及光与物质相互作用的规律。

19世纪末，人们研究光和电子、原子等发生相互作用所引起的现象，如热辐射、光电效应和伦琴射线的散射等，发现这些现象是建立在电磁理论上的光的波动说所不能圆满解释的。

1900年，普朗克（M．Plank）提出了量子假说，他原先是为了解决当时所谓“紫外灾难”而提出黑体辐射的能量分布公式，但需假定物体的辐射能不是连续变化，而是以一定整数倍跳跃式变化，便能对他（普朗克）的黑体辐射公式做出合理的解释。这个最小的不可再分的能量单元称为“能量子”或“量子”。当时的物理学家认为量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”直接矛盾，连普朗克本人甚至想放弃量子论继续用能量的连续变化来解决辐射问题。但普朗克的量子假设已经为新物理学特别是量子光学的发展奠下了第一块基石。

第一个意识到量子概念的普遍意义并将其运用到光电问题的人是爱因斯坦（A. Einstein）。1905年，爱因斯坦在光电效应的基础上（即光电子的初速度与所吸收的频率有关，而与光的强度无关）提出了光子概念，即光是具有一定能量和动量的粒子所组成的光子流，假定光的能量是集束成一个个能包，这些能包叫做光子，从而解释了光电效应中出现的新现象，建立了光量子论。这是在光学进程中人们对光的本性认识的又一次新的飞跃。光量子论的提出使光的本性的历史争论进入了一个新的阶段。自牛顿以来，光的微粒说和波动说此起彼伏，争论不已。爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义，认为它们均反映了光的本质的一个侧面：光有时候表现出波动性，有时候表现出粒子性，但它既非经典的粒子，也非经典的波。这就是光的波粒二象性。直到现在人们基本上还是以这种观点来认识光的本性。但现在人们在量子力学的水平上，对光的本质认识又大大提高了一步。还应该指出，1917年爱因斯坦在用统计平衡的观点研究黑体辐射的过程中，得出了一个重要结论：自然界存在两种不同的发光方式，一种是自发辐射，一种是受激辐射。爱因斯坦这一发现对后来的激光和现代光学的发展起了决定性的作用。

此后，玻尔、薛定谔、海森堡的量子力学理论的提出又进一步推动了光的发射和吸收的量子光学的进展，从此光学理论的发展在近一个世纪中便同量子物理的发展联系起来了。20世纪20～30年代，在量子物理学领域，可以说是巨匠和大师辈出的时代。丹麦的尼尔斯-玻尔是哥本哈根学派的领袖，他的理论贡献是提出了氢原子结构的理论并解开了氢光谱之谜，他被认为量子电子学的奠基人。法国的路易斯-德布罗意提出了物质的玻粒二象性理论。奥地利的欧文-薛定谔提出了描写粒子运动的微分方程-薛定谔方程。德国的沃纳-海森堡提出了量子力学中的测不准原理，并推导出一个描写粒子运动的矩阵方程-海森堡方程。英国的保罗-狄拉克证明，薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学在数学上是等价的。狄拉克还创立了把相对论与量子论统一起来的相对论性的量子力学。这一理论的发展势头一直延续到今天。

到了20世纪30年代，量子电子学建立起来了。它作为物理学又一新领域，主要研究电磁辐射与各种物质的分子、原子相互作用的科学，广泛应用于无线电物理、光学、原子物理学和无线电光谱学中。它的历史功绩是巨大的，因为在无线电波段出现了微波量子放大器，即脉塞-受激辐射式微波放大器（maser-micro wave amplifier with stimulated emission of radiation）。但是1960年以前，量子放大器只是在无线电波段得到应用，在无线电波段的应用带来了通讯、广播和电视。微波波段的应用出现了微波雷达，高频加热等。

量子论自诞生以来，已将近一个世纪，由学术走向技术和应用。原子能、激光、集成电路、电脑、信息技术等等都同这一理论有着密切的关系。它还在向新的应用领域发展，正在极大地改变着人类的生活。

20世纪50年代以来，由于数学、通信理论与光学的紧密结合，改变了经典光学的概念，形成了傅立叶光学，为光学信息处理、相干光理论奠定了基础，并出现了全息术和以傅立叶光学为基础的光学信息处理的理论和技术。

20世纪60年代初，激光器的发明开始了光学的一场新革命，它是光学和电子学的联姻，不知不觉地已经改变并正在改变我们的生活。激光（激光器）即镭射（laser-light amplification by stimulated emission of radiation——受激辐射发射的光放大器）的诞生标志着传统光学、近代光学进入现代光学和光子学的新世纪。实际，这一发明标志着现代光学和光电子学的诞生。

1958年，美国物理学家汤斯（Townes）、苏联物理学家巴索夫（Basov）和普罗霍洛夫（Prokhorov）提出了在电磁辐射场中受激发射的可能性。这实际上是在爱因斯坦关于受激发射的预言上提出来的；他们三人共同荣获诺贝尔奖金。1960年5月，世界上第一个可见光输出激光器诞生了，它是由美国休斯（Hughes）实验室的梅曼（Theodore Maiman）演示的。这是一个脉冲管抽运红宝石激光器，它实际是无数科学家和研究人员的共同结晶。从此以后，激光器便成为我们称之为光电子学（Optoelectronics）领域的一个最重要的器件。

由于激光具有单色性好（激光所包含的波长范围非常窄，即光谱线宽度窄，从而颜色非常单纯）、亮度高（激光器是当今世界上最亮的人造强光源）、准直性即方向性好（激光几乎向一个方向传播，发射角仅0.1度左右）和相干性（时-空相干性）好等独特性能，在军事、工业、医学、农业和科学研究中得到了越来越广泛的应用。

激光器的发明，实现了高亮度和高时空相干性的光源，从而使光子不仅成为信息的有效载体而且也成为能量的有效载体。激光的出现是在光学领域里发生的一次巨大的变革。它使当时那种认为光学处于停滞状态，而且感到光学的研究已经枯竭的局面一扫而光了，激光使光学的面貌焕然一新。在总结20世纪的伟大成就时，激光是被认为继原子能、半导体、计算机之后的又一重大发明。计算机延伸了人的大脑，而激光延伸了人的五宫，激光是探索自然奥秘的超级“探针”。

激光的出现使光学的发展出现了重大的突破，第一次使量子光学由学术走向技术，进而促使光电子技术与光子学技术的飞跃进步，并派生出许多新的光学分支，使人类对光的认识、掌握和利用进入一个崭新的阶段。特别是相干性，是激光区别于经典光学的最大标志，它打破了长期以来光学的传统应用的狭窄范围。由于激光具有方向性强，相干性好，高能量的特性，使它广泛应用于各个领域：激光通讯、激光分离同位素、激光核聚变、激光加工、激光医疗、激光育种以及国防上用的激光武器等。继激光器之后，同步辐射器的出现，使电子以接近于光速在环行轨道上飞行时发射出紫外和X射线波段的强辐射，进一步达到γ射线波段，这样的辐射可以提供无可比拟的光源。

激光的卓越特性推进了物理学、化学、生物学的研究，加深了对物质及其运动规律的认识，已经形成并正在形成一些新的学科分支，如量子光学、激光物理学、激光化学、激光生物学等。一大批新型激光光谱仪器--激光拉曼分光光度计、激光红外分光光度计等应运而生。激光的高时间相干性和高频率特性，在通信、非接触测量等方面获得了广泛应用，制成了品种繁多原理新颖的双频激光干涉仪、激光测量和各类在线检测仪器；激光的空间相干性在显示技术、信息处理、音像和文化教育中取得应用，包括电唱机、光存储、图像处理和识别、立体电影等；激光技术引入显微镜，开发出激光扫描显微镜和激光共焦扫描显微镜等。

在光学技术自身发展的同时，其它学科的发展和向光学的渗透，也促进了传统光学向现代光学发展。尤其是微电子技术、计算机技术的发展和应用，推动了光学仪器的光机电算一体化和智能化。微电子技术同光学和精密机械的有机结合，使光学仪器的性能、结构、效率和可靠性有了相当大的改善，使测量、数据处理、传输以及控制过程有可能实现自动化，且测量和分析的精度高，工作速度快，功耗低，可靠性好。光谱仪器已实现微机化，现正向更高层次发展，自动化和智能化已成为各类产品的发展趋势。应用傅立叶变换和快速傅立叶变换来描述光学系统的性质，以傅立叶变换原理为基础并与计算机结合，使傅立叶变换红外光谱仪应运而生，近年来已发展成熟，正以不可阻挡之势，逐渐取代传统光栅式红外分光光度计等。

电子学与光学的结合和渗透，是20世纪光学的最大特点，产生了光电子学这个具有深远意义的交叉学科分支。光电子学的发展，导致利用光的波动特性，如频率、相位、偏振等理论，形成光波电子学或相干光电子学。光电子技术和光电子器件已成为当今和未来各种高技术的基础，对于科技进步、经济增长和社会物质文明有重要意义。各种类型的高灵敏度、高性能光电子器件的出现，如光电二极管、红外探测器、光电传感器及电荷耦合器件（CCD）、半导体激光器等，并已形成批量生产，推动着光学仪器光电子化，为传统光学仪器带来划时代的变化。

光电子技术的一个重要应用是光纤通信。以光导纤维（光纤）为传输介质的信息传输系统具有通信容量大、传输损耗小、抗电磁干扰性能好、保密性好的优点。另一重要方面是光电子成像技术，特别是微光夜视和热成像技术，受到各国军方的高度重视，为夜间作战提供了观察与瞄准等各种装备，使黑夜观察景物如同白天一样。

计算机技术的飞速发展，一方面支持了更新本身的设计、加工、测量等技术的进步；另一方面，由于它的加入，使光学技术产品变为可自动、可预置、可监控以及可进行图像分析与处理。所有这一切，使传统光学大踏步地迈向现代光学。

20世纪80年代以来，现代光学与光子学-激光、微光、红外、全息、光纤、光纤通信、光存储、光显示的迅猛发展，促进了当代科技、国防、经济的发展和人民物质水平的提高。现代社会如果没有这些进展是不可想象的。

20世纪的光学——由传统光学迈向现代光学2

我们把20世纪的光学称为近世光学（新光学）。它可分为：

近代光学：从量子光学的研究开始，研究以光的量子性质为基础的光学现象和理论，例如：光的波粒二象性、原子、分子、凝聚态光谱学、光电效应、光化学等。

现代光学：从第一台激光器诞生开始，研究激光、光电子学、光学信息处理为基础的光学现象、理论和技术，它的发展是以光与物质光波中的电子相互作用及其能量相互转换作为更重要的研究内容。光学与机械（包括仪器）、电子、计算机、材料及信息等学科相结合，加速了传统光学技术向现代光学-光子学技术的战略转移。

现代光学不仅将光作为信息传递的手段，研制出各种光学仪器和设备，扩展人们的视觉功能（观察）、听觉功能（通信）、触觉功能（测量）等（众所周知，视觉和听觉占人的感觉知觉的90%），而且光可取能量的形式，利用光对物质产生的物理化学反应来改变物质的形态和属性，如激光核聚变以及能量密度最高的能源等。再者，光亦可作为加工处理的手段，如利用激光进行材料加工或医疗手术等。

总结20世纪光学的主要特点有：

光学领域的扩展

波段：由可见光向两端扩展，短波→紫外、X射线，长波→近红外、中红外、远红外，于是产生了紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学等；

时间：天文时间→原子反应时间≈10-15秒；研究由静态光学扩展到瞬态光学，如纳秒、皮秒、飞秒等超快速现象；

光强：单光子→激光光源→星际光源；

尺度：百亿光年→单原子尺度，介观尺度～与波长同量级，研究天文光学到纳米光学；

作用：宇宙、宏观、介观、微观；研究宏大光学（天文望远镜）到微小光学（微透镜）

波长：单色性及相干性；研究激光器、激光全息。

应用功能的扩展

光学工程已成为一门综合技术的学科，“光（光学）、机（精密机械）、电（电子）、算（计算机）、材（材料）”等高技术相互融合已成为主要内涵。

现代光学仪器作为人眼功能的扩充，表现在多功能、高效率的光机电算一体化，技术手段的自动化、数字化、智能化，获取数据的内容从静态转向动态，从有感信息到无感信息。

光（光子）已不仅是信息载体，作为信息传递的手段帮助人类认识世界；光（光子）也能改变物质的形态，作为能量、加工的手段帮助人类改造世界。

研究内容的扩展

今天我们所谈的光学，其内容已远不止传统光学研究的对象：如望远镜、显微镜、放大镜等。发展到今天的现代光学，内容扩展到全息、激光、微光、红外热成像，X射线／紫外、光纤与光纤通信、光探测器、光集成、光信息处理、图像处理、图像融合、灵巧结构、机器人视觉和光计算等，这些都被认为属于现代光学与光子学的范畴。

应用范围的扩展

现代光学和光子学的应用已遍及各个领域，如空间、能源、材料，微电子、生物工程、化学工程、医疗、环境保护、遥感、遥测、精密加工、计量、通信、印刷、能源、生态环境、防灾、农业、生命科学、资源保护以及军事等领域。特别在信息领域的应用，不少学科分支和方向已经形成了大规模的产业。1995年，全世界光学和光（电）子学技术产业规模已达700亿美元，2000年将达到1030亿美元。可以预期，光学和光子学将成为21世纪初的一大骨干产业。

20世纪是光学的大发展的年代，这一百年来，我们可以清晰地看到传统光学及其仪器向现代光学及其仪器（现代光电子仪器）的演变和转化。从传统光学及仪器过渡到现代光学及仪器，实际上有一个较长的由旧至新的逐渐演变的过程，两者之间并不存在不可逾越的鸿沟。它们之间的重要区别和主要特征是：

光学仪器是以经典理论--几何光学或物理光学的原理为基础，应用领域受到很大限制；现代光学仪器突破了传统理论的束缚，拓宽了可见光的概念，从可见、微光、红外、激光、光纤到光信息的各个波长；其原理包括波动光学、量子光学、光信息理论，不再局限于古典和经典光学的狭窄领域。

传统光学以光学、机械为主体，主要是光学--机械仪器；现代光电子仪器和设备冲破了光机的基本结构，具有光机电算一体化的特征，开始走向自动传感、微机控制、CCD摄像监视、智能操作和图像处理。电子技术和计算机成为现代光学仪器不可分割的一部分。

传统光学仪器基本上是视觉参与下的人机系统，离不开人的操作和观测，其观察、测量大部分靠人眼作为传感器，靠人来操作、控制。而现代光学仪器已完全冲破这种经典模式，操作、检测和数据处理由计算机控制，自动化与智能化程度、工作方便性和可靠性均大大提高。

由于信息革命及多媒体技术的发展，现代光电子设备及系统越来越明显地要求从模拟量走向数字化，从单一终端走向网络，从一台套的单功能走向网络终端的多功能。

从涉及的原材料、功能元件来看，也从简单的玻璃、机械走向多种原材料、元器件，就其个体，可能愈来愈微型化、多元化、集成化。

从设计方法上看，传统光学仪器除光学设计外，总体与结构设计的主要方法是模仿、参考设计与经验设计现代光学仪器则越来越多地采用计算机辅助设计、优化设计和“三化”设计，仪器设计方案的制订不单纯考虑某一产品，而是要求整个系列仪器各品种之间零部件通用性强，标准化程度高，采用标准件多。因而产品成本下降，质量提高。

从技术发展速度来讲，现代光学仪器的循环周期越来越短，更新速度越来越快，标新立异经常出现，且软件的比重急剧增加。

在20世纪的中后期，传统光学仪器向现代光学仪器的过渡和转变，主要是靠扩大微电子技术在光学仪器中的应用。实现光机电算一体化。这是现代光学仪器的最重要的特征。其中关键在于计算机化和自动化，而微电子技术是这一过渡和转变的基础。应用微电子技术和计算机，可提高仪器的使用价值，即提高技术性能、工作效率、仪器质量和可靠性。例如采用自动图像分析和图像处理的方法可以提高效率150倍以上。应用微电子技术和计算机还有利于采用新的工作原理，使仪器结构明显改进和简化。可以在光学仪器中用微电子器件或简单的机械和微电子组件来代替原结构中光学、机械以及电子学中成本昂贵的组件，从而提高了经济效益。

20世纪光学的进展中的一个显著特点是光在信息领域大显身手，光电子主动地进入信息界广泛的领域，无可争议地成为信息产业的主角之一。以光的方式采集信息的CCD工业已进入各个领域，采用线阵或面阵CCD图像传感器在扫描仪、传真机、摄像机、摄录机、数字照相机等的应用，其发展无可限量，而且它使很多方面的光信息数字化。在图像显示和复制设备方面，激光照排、印刷、分色、打印、复印、传真等已经改变了印刷业的面貌，组成了一个庞大的产业。在机械领域，激光加工（包括打孔、切割、焊接、表面处理等），激光光刻与激光微细加工（0.3-0.5微米），X射线光刻（小于0.3微米）等大放异彩；在能源领域，太阳能电池已为空间卫星提供能源，而在未来，激光核聚变也许会最终解决地球上的能源问题；在显示技术方面，液晶大屏幕显示也许会成为下一代电视的主流。光纤通信以低损耗石英光纤和半导体激光为基础，已经形成当今通信的主体和方向。在成像和探测领域，光电子成像器件和探测器使不可见光（微光、红外）的探测和成像成为可能，使极为微弱的光信号（光子计数）被探测到。

光电子的应用几乎扩展和渗透到几乎国民经济和人民生活的各个领域。如生理光学以人类的视觉作为研究的对象，对视觉的机制和结构的了解将有助于机器人视觉、图像识别、神经网络等研究。在生物工程领域，有激光诱导细胞融合，激光显微切割染色体；在医疗方面，有激光光谱诊断、治癌激光临床医疗，利用激光技术探测艾滋病毒和治疗艾滋病等；在化学工程领域，有激光引发化学反应，光化学沉积，激光化学提纯等；在流通领域，有全息商标、全息饰物，激光标记，纸币防伪标识；在环境保护方面，有大气污染激光监测；在计量领域，有无接触测速、测长、测径、测温，计量标准，物质分析等；在材料领域，有非线性光学材料，光电子学功能材料，激光工作物质等；更不用说在航空、航天和军事领域了，可以说不胜枚举。

现代光学和光子学的进展，已形成了一系列学科分支，如非线性光学、导波光学、强光光学、全息光学、自适应光学、X射线光学、天文光学、激光光谱学、瞬态光学、红外光学、遥感技术、声光学、成像光学等等。现代光学和光子学的一个最大特点是对其它学科和各个技术部门有很强的渗透力。如光学和光子学与物理学结合，便有了激光物理学、量子光学、激光等离子体物理等，与化学结合，便有了光化学、激光诱导荧光光谱学等，与生物学结合，便有了激光生物学，生理光学等；与医学结合，便有了激光医学。在当代，可以这样说，没有一个技术部门不与光学和光子学有联系。以兵器上的应用为例，光学装备便是发现敌人、瞄准敌人的高级传感器系统，是武器的眼睛，它完成对敌方进行侦察、监视、预备、瞄准以及通讯等任务。于是有了微光夜视技术、红外热成像技术、光电火控技术、光电对抗技术、坦克光电系统及技术、野战信息数字化光电子技术、精密制导技术，以及激光武器、激光测距、激光制导、激光雷达、激光引信等等。

随着激光技术和光电子技术的崛起，现代光学和光学工程已发展为以光学为主的，并与信息科学、能源科学、材料科学，生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。学科的交叉与渗透使现代光学产生了质的跃变，而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有的现代光学产业和光电子产业。在一些重要的领域，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使现代光学产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等光电信息产业上。这些产业一般具有数字化、集成化和微结构化等技术特征。在传统的光学系统不断地实现智能化和自动化，从而仍然能够继续发挥重要作用的同时，对集传感、处理和执行功能于一体的微光学系统的研究，以及开拓光子在信息科学中作用的研究，将成为今后现代光学和光学工程学科的重要发展方向。

光学的发展表明，人们对于光的认识经历了多么复杂的演变过程。20世纪的光学取得了无比辉煌的成就，但是人们对于光和光子的认识，只能说刚刚开始，现代光学与光子学的发展也仅是初露头角而已。

光学迈向21世纪——光子时代的到来1

随着21世纪的到来，人们进入了“信息化时代”，它的含义是指进入21世纪后，社会上每个成员的生活、工作无不与信息的传输、重组、分析密切相关。所谓信息化时代，社会运作对信息量的巨大需求有三个标志：

信息容量大，它以太比特每秒为标志；

处理速度快，它以达到皮秒量级为标志；

存储密度大，它以达到太位元量级位标志。

简而言之，21世纪的社会将是以三“T”为起点的高度信息化社会。

电子技术无疑对20世纪文明社会的发展做出了重要的贡献，然而电子（或电磁波）技术受到荷电性、带宽、互扰等固有物理特性的限制，没有新的根本性的突破，已很难满足三“T”的需求了。

光子技术由此破门而出，它不存在传输的瓶颈效应，带宽比电子技术大1000倍，并有高度的抗扰性，因此，可以说，光子技术是对电子技术的发展与突破，完全可以满足三“T”的需求。勿庸置疑，它将成为21世纪信息化社会的另一主要支柱。

谈到新世纪的光学，不能不谈光子学（Photonics）。20世纪70年代以后，由于半导体激光器和光导纤维技术的重大突破，导致以光纤通信为代表的光信息技术的蓬勃发展，促进了相应各学科的发展和彼此间相互渗透，开始形成了光子学这门新型分支学科，它是研究光波（光子）与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的学科，它既是一门新兴学科，又与传统光学密切相关，也与近年来飞跃发展的光电子学紧密相关。

在谈光子学前，首先对电子学与光学（光子学）作一比较。

20世纪30年代以来，电子学得到了极大的发展。电子学是研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以广泛应用的科学，它涉及电波的振荡、传播，电信号的放大、变换，频率的稳定、混合与检波等等。电子学在信息领域中锋芒毕露。40年代至50年代，无线电通信的载波由长波、中波、短波、超高频（VHF，Hz）发展到甚高频（HF，Hz），即微波，并向毫米波发展，出现了雷达、微波通信和以后的卫星通信。60年代以来，又迎来一次次的飞跃，半导体微电子学、大规模集成电路技术等极大地推动了电子学的发展，最终形成多门新的分支学科，建立了以电子计算机为代表的产业。光纤通信的出现，它与电子计算机结合，使人类进入了信息社会。

从波动的物理本质来看，光学与电子学所要处理的问题是相同的，只是涉及的电磁波频率范围不同。光学的光频范围由X射线、紫外、可见光、直到红外等波段。而电子学研究的频谱范围则在射频以下，包括微波、无线电波、长电振荡等。二者之间的毫米波似乎是光学和电子学双方争夺的波段和相互覆盖的领域。

与无线电频谱波段相比较，光学波段（例如微光和红外）的最大优点是它的抗干扰性好，有高度隐蔽性。按照现代战争的观点，整个无线电频谱充塞着无线电侦察和无线电反干扰，交战中的任一方应用都不可能不被对方发现。因此，微光和红外波段是最有前景的，因为它可以在被动状态下侦察和识别目标。特别是红外波段，它可以在战场强光干扰下工作，甚至可以透过树叶、伪装网和迷彩屏障等观察目标。

比起电子学来，光学（光子学）还有一些特点：

光的速度最快，因而处理速度快。这是因为光子是不荷电的中性体，光子载体的传输不受外场的影响，不存在回路电学延迟效应，始终以光速（υ＝c/n，c为真空中的光速，n为固体介质折射率）在固体回路中传播，延迟时间只与传输光程有关，对10～1000μm的光程（指一般光子器件），延迟时间可小于皮秒。因此光子信息回路的运行速度至少比电子信息回路快1000倍。

是光学所研究的波段波长短，频率高，因而分辨率高。从本质上说，光波也是一种电磁波，但光波具有高达200THz的带宽，其频率荷带宽比目前使用的无线电波至少大1000以上。

光由于其平行性、串音小、不受干扰以及能在空间互连，在未来高速计算机的发展和光计算机的研究中能发挥重要作用。由于光子是不荷电的载体，光子在传输中自身不产生电磁波的辐射，也不受电磁场的影响。因此，以光子作为载体的信息系统不会产生电学的互相串扰，同时具有很强的抗干扰和防偷听的能力，有很高的安全性。

光子载体也可以在系统外部的自由空间中传播，而电子一般只能在系统的回路中传输，在常见条件下光子比电子更容易呈现波的特性。因此，诸如全息变换、傅立叶变换等光学技术可以在并行互联中充分利用，无疑它为信息系统的互联提供了更大的灵活性和有效性。

应该指出，光子和电子是一对具有高度互补性的伙伴，电子能态的改变导致光子的发射，而光子被物质吸收时又将引起电子能态的变化，等等。光子学与电子学的关系也是如此，实际上它们是相互依赖、相互渗透的。光学和电子学中有许多概念、理论和器件原理是相互渗透、相互借鉴的。近代光学又为电子学，特别是半导体电子学的研究和工艺技术提供了众多的新方法。这两个学科在发展过程中相互促进、相互融合，形成了多门新的分支学科，如信息光学、非线性光学、光电探测技术、光电子成体技术、光纤通信、光电子学等。它们之间的融合、渗透、竞争和促进不断地为社会和人类文明创造出一个个丰硕的果实。

由下面的图表可以看出它们之间的共性和差异。

光子与电子的比较

属性            电子（电磁波）              光子（光波）

波长            3cm～30cm                   500nm

频率            10MHz～10GHz                500THz

速度            593km/s                     3×10^5km/s

能量            40neV～40μeV               2ev

传输损耗        高（铜线中）                低（光纤中）

粒子相互作用    高                          无

关于“光子”的概念，自爱因斯坦对于光电效应的发现和解释，以及其后有关原子、分子系统受激与自发辐射的论述，就已经引入了。由于光的产生大都起源于原子体系（包括固体）中能级间电子跃迁能量的释放。因此就其本质来说，光的产生又是以一份份能量辐射的形态出现的，所以光又呈现为某种能量单元的粒子特征，即为光量子或光子。光量子和光波是两种互为依存的形态。但是，对光子“能力”的认识，直到20世纪60年代激光的问世后及其在各个领域应用的展开，从70年代才开始进一步思考光子学的问题。激光、全息及光纤等技术的兴起，使光的地位骤增。量子光学、光电子学及其技术的兴起与发展推动了信息科学的飞速前进。光波技术的应用与推广成为信息科学中的一支生力军，光纤通信与信息处理技术极大地改变了现有通信技术的面貌。科学家们发现，电子学中变频、混频、调制、解调以及通信和信息处理等都可以在光频段得以实现。面对这样多的事实，并考察电学发展到电子学的几十年的历史，人们自然会提出由光学向光子学开拓的问题。

关于光子学的定义、研究内容与范围，目前还没有一致的认识。但可以看出，研究以光子作为信息载体和能量载体，包括光与物质（光子与光子、光子与电子）的相互作用及能量转换等诸多基本问题，是这一学科的基本内容。光子学的研究内容和范围，在许多方面，可以与电子学作类比。光子学是研究光子的产生、运动和转化的一门新兴应用基础性学科。它研究光子的产生、传输、控制和探测，光子存储信息的变化和处理，光与物质的相互作用等问题，笼统地说，光子学较为侧重于研究光子的微观行为规律，其应用范围从能量发生到通信与信息处理。目前，国际上许多有关光学的会议已用Photonics（光子学）这个词涵盖了现代光学的几乎所有内容：如Optics（光学），Lasers（激光），Imaging（成像），Fiber Optics（显微光学），Electro－Optics（电光学），Photoelectronics（光（子）电子学）和Optoelectronics（光（学）电子学）。

从技术发展的角度来看，有众多学者又将21世纪称为“光子时代”，其意义指人类社会在20世纪的“电子时代”（又称“微电子时代”）的基础上又向前发展了一步，即迈向“光子时代”。这样，人们不禁要问，信息与光子二者之间是什么样的关系呢？这当然不是几句话能说清楚的。简单地说，二者存在着“相互支撑、相互促进”的关系。

我们知道，信息可分为信息的产生、探测、采集、处理、传输、显示及存储和拷贝。由于信息量成倍地急剧增加，原来基于电波波长传送信息的通道拥挤不堪，因而基波由长波转向短波及超短波，最后只好转自光波。光纤通信、光记录、光显示等已进入我们的社会和生活。

信息化的技术基础的要求可归结为两大方面：

要求信息密度越来越高，这促使人们开发更短波长的信息载体即光波，而且光波的运用由红外向短波，向紫外方向发展。例如，在DVD光盘中，若以蓝光发射的激光器代替红光发射的激光器，则其光学数据存储容量将增加约2.5倍。

数字化的要求更加迫切，数字化比模拟量更准确，容易合成，容易压缩。而且从多黑体角度出发，图像传输直接用光更方便。如图像信息获取、存储，光纤传输，光纤通信，图像处理，光电显示（高速，实时）等。由此可见，光子学或光子技术在信息的探测、采集、处理、传输、存储及显示等诸多方面都显现出其突出的优点，具有很强的竞争力。

当今高速发展的信息社会，要求对复杂的信息进行实时的高速采集，大容量的快速传输，高密度的实时记录，大面积的真彩色显示和复制，信息探测、采集、处理、传输、存储及显示等要求越来越高，仪器要求更加光机电算高度一体化。而这一切，离开了“光子”是很难想象的。可以这样说，信息产业的需求极大地促进了光子技术的发展，光子学与光子技术的发展以及光子产业的出现使信息技术和产业出现革命性的变革。

目前，支撑信息技术的三个主要方面是电子技术（包括“微电子技术）、光子技术和材料科学。当然，电子技术发展历史悠久，技术趋于成熟，影响较大。而光子技术正处于发展时期，从发展战略上要给予更多的关注。可以这样说，光学和光子学及其技术的真正大发展以及光电子工业的产业化是以数字化技术为代表的信息革命的出现为前提的。

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