光电子理论与技术的五个前沿领域介绍

光电子理论与技术的五个前沿领域介绍摘要：人们都达成这样一个共识，即21世界时生物时代与光的时代。光电子理论的研究已经有了很多的成果，来自不同领域的科学家都在各自的领域里对光电子的理论有一定的贡献，不断丰富着光电子理论的内容，而且在技术上已经有很大的应用。光电子学在21世纪必定引导着技术革命的先潮。现在以及未来交叉学科的研究必然会使得光电子学更进一步的发展。本文主要就光电子理论与技术的五个前沿领域介绍：生物医学光子学，光纤通信技，集成光学，等离子体光学，微纳光学。这五个方面的理论研究很成熟，而且实际应用的技术也非常之多。其技术应用在生活，医疗的方面为我们所熟悉，此文特点在于对理论进行一些简单介绍，而注重的是这五个方面在实际中的应用举例，以开阔视野为主要目的。关键字：光电子理论生物医学光子学光纤通信技集成光学等离子体光学微纳光学Abstract:Peoplehavereachedaconsensusthatthe21stcenturywhentheeraofbiologicalageandlight.Optoelectronicsresearchhashadalotoftheoreticalresults,thescientistsfromdifferentfieldsintheirrespectivefieldsonthephotoelectroncontributiontothetheoryofacertain,andconstantlyenrichthecontentofphotoelectrontheory,butalsohasgreatapplicationoftechnology.Optoelectronicsinthe21stcenturywillleadthefirstwaveoftechnologicalrevolution.Currentandfuturecross-disciplinaryresearchisboundtomakefurtherdevelopmentofoptoelectronics.Thisreviewfocusesontheoryandtechnologyofoptoelectronicfivefronts:Biomedicalphotonics,opticalfibercommunicationtechnology,integratedoptics,plasmaoptics,micro-nanooptics.TheoreticalStudyofthesefiveareasarematureandpracticalapplicationofthetechnologyisalsoverymuch.Thetechnologyusedinlife,themedicalaspectsfamiliartous,thearticleischaracterizedbyabriefintroductiononsomeofthetheory,andfocusonfiveaspectsisinthepracticalapplicationexample,theprimarypurposetobroadenourhorizons.Keywords:BiomedicalPhotonics,Optoelectronicstheorytechnologyintegratedopticalfibercommunicationopticalmicro-nanoopticalplasma一．生物医学光子学生物医学光子学(BiomedicalPhotonics)作为光子学与生命科学交叉形成的新的学科分支，将研究对象直指高等生命活体，特别是人类生活中所面临的一些重大问题。近年来，随着探测技术的进步，已经将探测的灵敏度极限伸展到光子量级，为揭示生命体近自然环境下的光现象提供了可能。生物医学光子学包括生物光子学和医学光子学两部分，尽管它们在各自领域中都得到迅速的发展，但两者之间有相互重叠的范围，并且相互促进。生物医学光子学的特点与优势在于：1.特异性好，灵敏度高，有极高的光谱和时间分辨率及精确度；2.对样品的处理环节少，甚至可实现样品的近真实环境探测，对样品的损伤小；3.直观、快速，信息量大，可提供从紫外到红外范围的光谱信息和图像信息；4.应用范围广，在生物学研究、医学诊断与治疗、农业、环保、加工制造等领域都有广泛应用。生物医学光子学的研究具体应用介绍：1．组织中的光子迁移生物组织中光子迁移规律的研究一直是生物医学光子学界的研究重点。各国的科学家不仅介绍了光子迁移理论和模型的最新研究成果．而且介绍了光子迁移理论的最新应用。德国洪堡大学Ghar~te医学院神经学系Villringer教授的研究小组报道了用近红外光学方法监测大脑活动过程中有关噪声的消除措施，深受大会的欢迎。在用近红外光谱技术对大脑进行功能检测时．由心跳所导致的脉动而引起的噪声会对信号产生很大的影响，同时呼吸也会引起噪声。2．生物医学监测中的光学与成像技术该专题内容涉及光学透照术与层析成像，光学测量与监测方法，荧光与光谱成像，以及散射介质中光信息的获取等。日本Yamagata生物光子学信息研究实验室的K．PuiChan博士用不同波长的近红外光和二维外差探测器阵列在体对生物体透照成像。荷兰菲力浦研究院的E．Lenderink博士，他介绍用于皮肤特征三维成像的光学相干层析成像技术，这一工作是他在MIT的研究成果。3．低功率激光生物效应俄罗斯科学院TiinaKaru博士主持过这一专题会议并报告了：bloodirradiationasanew(renewa1)phototherapeuticmodality．她评述了在紫外(包括宽带紫外、377nnl的N2分子激光)或可见光(HeNe激光)波段实行静脉和体外血液辐照的临床方法和当前对其效应的主要争论：免疫调节还是免疫抑制，特异性还是非特异性，应采用紫外辐照还是可见光等等。结论是光疗的确有效果，但机理需进一步深入研究。此外．该研究小组还特别报道了HeNe激光治疗时，只有T淋巴细胞有反应的实验结果(B淋巴细胞对HeNe激光没有反应)。4．生物医学光学传感器瑞典Vikinge等人制作了一种表面血浆共振(surfaceplasmonreso．anc~)装置。该装置可用于实时观测血浆凝固及其与促凝血酶浓度和肝素浓度的关系。完全凝固后，传感器表面图像的原子力显微镜(ATM)观测表明．纤维素蛋白的网络结构与促凝血酶浓度有关，纤维厚度随着促凝血酶浓度的降低而增加。这一结果与现有的通用方法相一致。这种技术的显著特点是可用于验血，且无须样品准备。5．激光热疗热疗过程中热剂量的敦学描述和预测，不同激光热疗效果的比较等。在激光热疗过程中．实时在体监测有极其重要的意义。德国Roggan介绍了用扩散光子密度波方法监测对乳腺癌的激光热疗效果。子密度渡系统所用的半导体激光器波长为825nm，调制频率为10～1000MHz，热疗过程中激光光斑尺寸为2mm．组织样品为火鸡肌肉和肝，热疗用激光为Nd：YAG．给出了该监测系统热疗中被凝固组织的尺寸，精度与临床相关尺寸可比。二．光纤通信光纤通信技术(opticalfibercommunications)从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。1．光纤通信技术原理：光纤通信是利用光纤和激光的特性来实现，利用激光的相干性和方向性，使用激光作为信息的载体在光纤中进行传输的通信方式。在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。2．光纤通信的特点。①通信容量大、传输距离远。②信号串扰小、保密性能好。③抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。④光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输。⑤材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜：⑥无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。⑦光缆适应性强，寿命长。⑧质地脆，机械强度差。⑨光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。⑩分路、耦合不灵活。@光纤光缆的弯曲半径不能过小。总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中奖发挥越来越重要的作用。3．光纤通信的应用。光纤通信首先应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛的用于长途干线网上，成为宽带通信的基础。光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。光是当前研究开发应用的主要目标纤通信的各种应用可以概括如下：通信网，包括全球通信网(如横跨大西洋的太平洋的海底光缆和跨越欧洲大陆的洲际光缆干线)、各国的公共电信网(如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线)、特殊通信手段(如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统)。构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网，路由器之间的光纤告诉传输链路。有线电视网的干线和分配网工业电系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控，自动控制系统的数据传输。综合业务光纤接入网，分为有缘接入网和无源接入网可实现电话、数据、视频(会议电视、可视电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。主要应用技术，TDM方式，FDM，WDM方式OTDM方式等三．集成光学集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。集成光学的理论问题，主要是媒质波导理论。集成光学中许多重要现象及器件的分析，经常采用耦合模理论。把由于波导结构不规则性和材料不均匀性等产生模式之间功率交换（模式之间发生耦合）的实际波导系统，视为一种微扰波导系统，假定它是由互相发生耦合的若干孤立单元所组成。其电磁场可按某种形式的规则波导单元的本征模展开，推导并求解耦合模方程。在集成光学中，主要是利用耦合模方程来处理媒质波导中导模之间、导模与辐射模之间的各种耦合问题，以及与这类耦合有关的器件（见光的电磁理论、光的干涉、几何光学）。一．元件集成现在已经做出了很多对应于大块光学元件的各种薄膜波导元件，如薄膜媒质光波导、薄膜激光器、耦合器、调制器、开关、偏转器、薄膜透镜、棱镜、探测器、滤波器、光学双稳态器件、半加器回路、模-数转换器、傅里叶变换器、频谱分析器、卷积、存储器等。在光波导中，观察到二次谐波产生、混频、受激布里渊散射、受激喇曼发射等非线性光学效应，以及薄膜中像的传输和转换等现象。现在一些元件的集成也已经实现，例如在同一衬底上，三种典型元件(激光器、波导、探测器)的集成，六个分布反馈激光器的集成，三个探测器的集成，注入式激光器和场效应晶体管的集成等。集成光路不—定需要在一个衬底上集成所有光学元件，很多应用是有限几种元件的集成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成(单功能集成)。已经出现光学元件和电学元件之间的集成，今后还可能出现光、电、声、磁元件结合在—起的集成。二．学科应用集成光学的应用领域是多方面的，除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。以固体化、小型化、集成化为目标的光信息传输和处理系统其应用的领域是多方面的。除光纤通信