光学，迈向新的世纪--王大珩，周立伟

lottie · 发表于 2004-2-25 16:19:00

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光学，迈向新的世纪
王大珩1，周立伟2
前言
光学作为一门科学的诞生有将近340年的时间，经历了漫长的历程。20
世纪以前的光学的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世纪的光学的主要标志是传统光学大步向现代光学迈进，是
光学大发展的一百年。20世纪激光、光纤、全息、光存储、光记录、光显示
等的发现，给我们带来光通信、因特网、光盘等，使我们在21世纪迈向光子
时代。可以毫不夸张地说，如果没有20世纪光学的巨大进步，也就没有今天
信息社会的到来。
在迎接新世纪到来的时刻，回首一百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”，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，并对迈向新世纪的光子学及光电子产业作
一初步的展望。
1 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。人是光的
产物-在生物学上，在社会学上，在宗教上以及在美学上都是如此。
在生物学上，因为人是进化链上的一环，大约从30亿年前开始了光合作
用的过程，使日光与特定的分子起相互作用，制造和滋养着植物的生命。
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在社会学上，因为人受太阳昼夜的影响。工作、吃饭、娱乐、学习、谈
话、战争-实际上所有人类的活动都是在白昼的阳光或在蜡烛、油灯或加热
的灯丝的狭窄光辉下进行的。
在宗教学上，因为人的眼睛使人厌恶黑暗。如同光速是固定的一样，人
的观念也是固定的。上帝是“光明之神”，而魔鬼是“黑暗之子”。太阳、月亮、
星星、火-所有光的天然来源都曾在这个或那个时期被人们崇拜过，如果不
是奉为神明，至少也是神的化身。
在美学上，因为美是色彩、线条、对比、纯洁、和谐、强度-所有这些
性质都可归结为光对于形式或本质的影响。在意识形态上更不用说了，诗人
用最美好的语言歌颂光明，诅咒黑暗。
光的世界，五彩缤纷，灿烂夺目，令人神往。但长期以来，人们对于光
的无知而产生敬畏，对光的性质理解得很慢，而掌握方法去管理光的能量以
及把光的力量直接用到社会进步上，那就更缓慢了。然而人对这样的状况很
满足，直到最近，人们能利用的也仅仅是光的最一般的性能。
光学的天然资源是这样广博，又如此丰富多彩，灿烂珍奇，甚至利用极
少量一部分就足以增光一些古老的和享有盛名的工业。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一利用光的透射；
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。
自很早的远古起，人们就开始利用光的一些现象，但只是依据实践和经
验。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（Isaac Newton）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
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视野。1672年牛顿发表了“光和色的新理论”。1704年发表了“光学一关于光的
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。因此通
常我们说，光学自牛顿开始，迄今已有300多年了。
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，他们
的观点是，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。这两种理论都有理论根据。
19世纪初，人们从实践中发现了光的干涉、衍射和偏振，都说明了光的
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，参赛的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论证的严
密性和重大启发性使波动说的反对者也接受了。
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。
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在后来的发展中，到十九世纪红年代，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，
几乎天上飞的空间卫星都是由此供应电力的。
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；
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*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，大大扩展了人类的观察、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。但在关于光的相干电
磁波理论建立之前，光学还摆脱不了古典和经典理论的束缚。在20世纪前，
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。
2 20世纪的光学-由传统光学迈向现代光学
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，
铸造了几何光学、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完满解释的。
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。
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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
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本世纪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-microwave 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。
自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
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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
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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，
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使黑夜观察景物如同白昼一样。
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。
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能想象的。
我们把20世纪的光学称为近世光学（新光学）-“世”表示世纪的意思，
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世纪的光学，其主要特点有：
（1）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
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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。
（2）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。
（3）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。
（4）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
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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世纪初的大骨
干产业之一。
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：
（1）传统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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
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（6）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。
（7）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，增加可靠性提高经济效益。
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
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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。
光电子的应用扩展和渗透到几乎国民经济和人民生活的每一个领域。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
17
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。
3 光学迈向21世纪-光子时代的到来
随着21世纪的到来，人们越来越强烈地感到进入了“信息化时代”，其含
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
息化时代，是指社会运作对信息量的巨大需求将以太比特每秒（TB／
S=1000GB/s,T=1012）的超大容量为标志，相应的最快处理速度将达到皮秒
（ps=（1／T）s，p=10-12）量级，而存储器的存储密度也将要求达到TB位
元。简而言之，21世纪的社会将是以三“T”为起点高度信息化社会。
电子技术无疑对20世纪文明社会的发展做出了奠基性的贡献，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
18
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，并与近年来飞跃发展的光电子学紧密联系。
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。处于二者之间的毫米波似乎是光学和电子学双方争夺的波
段。
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
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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、伪装网和迷彩等观察目标。
比起电子学来，光学（光子学）还有一些特点：
一是光学所研究的波段波长短，频率高，因而分辨率高；
二是光的速度最快，因而处理速度快；
三是光由于其平行性、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。这些特点无可争议地
使光学和光子学在新的世纪将会得到更大的发展。
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。
属性电子光子
波长3cm-30cm 500nm
频率10MHz-10GHz 500THz
速度593km/s 300000km/s
能量40neV-40μ
eV
2ev
传输损失高（铜线中）低（光纤中）
粒子相互作
用
高无
“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
20
子、分子系统受激与自发辐射的论述就已经引入了。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，才从70
年代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，目前还没有统一的认识。但可以
看出，研究以光为信息载体，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。目前比较一致的认识是，
光子技术和产业的基础是光子学。光子学是研究光子的产生、运动和转化的
一门新兴学科。光子学研究以光子为信息载体，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。研究范围包括光子的
产生、运动、传播、探测及光与物质的相互作用问题，光子存载信息的传输、
变换和处理问题等。光子学的
应用范围从能量发生到通信与信息处理。Photonics（光子学）的名词已逐
步取代Photoelectronics和Optoelectronics。
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
是指人类社会在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，原来基于电波长波传送信息的通道拥挤
21
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：
一是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。
二是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（Optomechatronics）。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。
那么，光子学和光子技术所显露出来优越性究竟表现在那些方面呢？
（1）响应速度快
光子器件及其系统的响应速度快，光开关器件的响应时间最快可达10-15
秒，即飞秒（fs）量级，而目前电子器件及其系统的响应时间最快达到10-9
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秒，即纳秒（ns）量级，且几乎到了其固有极限值。前后比后者几乎高出6
个数量级以上。目前科学技术水平已能获得十几个飞秒的光子脉冲。光子信
息系统的运算速度要大大超出现有的电子信息系统。
显然，这一点在未来的信息时代的各种关键技术上将发挥巨大作用，尤
其在计算机技术中将会促成根本性的变革。1990年1月，美国贝尔实验室完
成了世界上第一台数字光处理器，其中核心部件的光开关速度达到每秒10亿
次。这种高速度运转及其平行处理特征为其发展和应用展示出十分诱人的前
景。
（2）传输容量大
光子技术的信息传输容量大。光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很
大，带宽和连接性的彻底改善将使系统的信息交换和传递更加通畅。这一优
异特性已在现代光通信中得以充分体现，或者说近十年光纤通信的迅猛发展
恰恰是光子技术促成的。光子学与光子技术已进入了当代信息技术最重要的
一个领域：光纤通信。光纤通信的容量从原理上讲比微波通信大1万倍到10
万倍以上，一路微波通道可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号；
而一根光纤则可以同时传送1干多万甚至1亿路电话。目前已完成了第一代
0.85μm波段与多模光纤，第二代1.3μm波段零色散与单模光纤至第三代
1.55μm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。传输容量从1978年的
10Gbit／s．以每年增长10倍的速度提高，到1986年1Tbit／s.T比特／秒超
大容量传输立足于波分复用（WDM）和光学时分复用技术的发展。单信道传
输容量则保持在性价比可接受的水平如10～40Gb／s。美、日实验室均已报
导采用55X20Gb／s WDM技术实现Tb/s超大容量的传输，预计21世纪初将投入
使用。
（3）存储密度大
光子技术在信息存储领域的潜力令人刮目相看。以光存储的光盘已进
入多媒体终端乃至千家万户；光盘存储的基础是光记录介质和精密伺服系
统，更高的存储密度、更高的信息率（存入、取出）、高速数据传送是其发
23
展的方向。光存储信息容量大，可靠性强，存取速度快，成本低且应用范围
广。光盘、光卡的存储容量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨损，
不受外界磁场、温度影响，可靠性强。近年来，光盘以其数据存储密度高、
误码率低、可靠性好及适应性强诸多优点而倍受大众的青睐。目前，一张
200mm双面光盘，其厚度不超过2.4mm，则可存储两部电影的全部声像信息。
随着可擦可录的大容量光盘的普及，价格低廉、复制方便的光盘将格外受到
重视。科学家们认为，光盘已成为20世纪继汽车、电视、微机之后的又一项
引人关注的重要发明。特别要提及的是，利用光子学方式可以实现三维立体
存储，其容量之大，令人惊叹不已。一旦其关键技术取得突破，其无与伦比
的优势便会立即显露出来。
（4）处理速度快
信息处理是光子技术最重要的潜在应用。在光计算机中，同电气布线
相比较，由于光的频率高，故可高速传递信息，而且利用多重波长，信息二
维并列传送等，使信息传递能力大大提高。作为计算机的前处理技术还有模
拟光计算，并列数字光计算等。用光纤方法的极好的并行性，可以同时并行
处理二维信息，三维并行互连及并行处理，能克服冯．诺依曼结构的电子计
算机的瓶颈效应，特别有利于图像信息的处理、传输。用光学方法可演示神
经网络的图像识别和复原的功能，具有并列信息处理、学习、自组织化机能
的光神经网络正在开发中，尽管目前还处于初期的试验阶段，作为光布线技
术，有光间联结的研究。由于光可以进行并列处理，并且不需要阻抗匹配和
不需要布线回路，故可进行高速信号调制等。这些优异的特点，超过了以前
电气布线的极限，使高速处理系统得以实现。
（5）微型化、集成化
微光子技术与光子集成（PIC）同微电子技术和集成电路（IC）一样，
将得到大发展。微光子技术利用涉及梯度折射率光学、衍射光学、纤维光学
等许多分支。已研制出的许多元器件，包括自聚焦微透镜阵列、光纤面板与
微通道板、软X线光刻及光互连用微小光学阵列器件等等，由于光波的波长
24
短，光子信息系统的几何尺寸将大大缩小。光子集成（PIC）的特点是，它
将有源光电子器件（如半导体激光器、光放大器、光探测器）与光波导器件
（分／合波器、耦合器、滤波器、调制器、光开关等）集成在一块半导体芯
片上，构成了一种单片全光功能性器件。这从根本上改变了集成光学、光电
子集成中有源无源器件分别集成后再用光纤连接的弊端，从而使器件在体
积、功耗等众多方面更具有竞争力。在有源器件方面，仅就信息处理单元来
说，其元件的微小程度已远远小于集成电路中的电子元件。例如，单量子阱
激光器成量子点处理元件的尺寸约在十分之一微米之下。小尺寸是光子技术
的一大特点。光学、电子学及固体物理学之间的区别将变得模糊，实际上这
三者已在原子水平上达到集成化。未来的光子信息系统将足够灵巧和可靠。
下面列出20世纪光子学的6大进展：
（1）半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究得到了迅速发展，有
机半导体材料取得突破性进展，即将进入实用化阶段。
（2）由于垂直腔面发射二维激光器的问世，使谐振腔理论和器件取得突
破性进展，使在1平方厘米的芯片上制作100万个激光器成为可能。
（3）非线性导波光学的发展，在光纤通信上导致几项重大成果：掺稀土
光纤放大器、光纤孤子通信。密集波分复用（DWDM）技术和光纤光栅技术，
采用全光通信系统，传输速率将达到100Gbit／s以上，将加速全球信息高速
公路的实现。
（4）光子晶体和光子材料有新进展和新突破，用光子晶体可制成各种光
子控制器件。
（5）光子集成是21世纪光子器件的必然趋势。
（6）在对光子的控制上，光的压缩态和光子数态将把噪声压缩到低于量
子噪声，为超高精度、超微弱信号测量和保密通信带来新的前景。
综上所述，不难看出，利用光子技术形成的诸多器件或系统在响应速度、
传输容量、存储密度、处理速度以及在微型化、集成化方面，或者说在信息
科学利用所关注的几个重要指标上都显示出明显的优势。因此可以毫无疑问
地讲，光子工程与光子产业的潜力是巨大的，前景是诱人的。科学家们曾经
指出，21世纪的三大产业是生物工程、材料科学与光电子。这就是说，已成
为时代标志的光子学产业也将是其中的最重要的部分。
可以预期，光子学和光子技术将与电子学和电子技术一样作为信息载体
或作为控制手段在应用技术和工程上发挥越来越重要的作用。我们大家都感
觉到，世界正从工业化时代进入信息化时代，特征是由于电子技术和电子计
算机等新技术的发展，过去靠人的监控来完成的主产效果或过去无法做到的
事，现在人们有条件可以用物化了的智能系统实现监控并作为人的脑力劳动
的扩充来完成。过去工业化把眼光主要放在机械设备上，而今天已走出机械
化的过程，主要把眼光放在生产过程的信息化程度上。这就是说，整个生产
机制有了拟人的形象。我们知道，在人的感官活动中，眼睛的作用要占到
70%-80%，眼睛的作用在于能输入图像，感受周围的系统环境的信息并以图
像的形式做出表达。因而在生产活动中，生产机制的拟人化必须有光电过程
和光子技术。正因为这样，我们越来越看到光子的作用。在整个信息技术的
体系中，没有光子学和光子技术是不完备的。发展光子学和光子技术，是信
息科学时代的需要和必然。

wenbing0918 · 发表于 2004-10-12 19:38:00

rbsoft · 发表于 2004-10-12 23:47:00

呵呵周院士是我们学校的哈哈

hoogoogol · 发表于 2004-10-14 20:52:00

没耐性看完

hx0999 · 发表于 2004-10-15 00:57:00

能不能弄成word或pdf格式？看起来方便些。不过还得谢谢你

xzg_fzh · 发表于 2004-11-26 02:18:00

周院士是我的导师的导师---

光学，迈向新的世纪--王大珩，周立伟

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