| 词条 | 光子革命 |
| 释义 | 光子革命光子革命是2009年达沃斯论坛中提出的新概念，是指光子技术将在未来更为广泛的应用于社会生产生活中。 光子技术的潜能就信息领域来说产业、控制和应用作为信息载体光子的技术称为光子技术，光子技术在光伏发电、核能、微机械和节能中都有广泛应用价值。在新的时代中，光子将逐渐成为主宰信息传递和能源的核心介质技术。光子各种中的代表——光纤 光电子技术属于光子技术的一部分。从上世纪90年代开始光子技术已明显介入到信息产业领域，其发展势头锐不可挡，在本世纪即将掀起现代文明的第二次信息革命。 成为主流的优势(1.响应速度快 2.传输容量大 3.存储密度大 4.处理速度快 5.微型化、集成化) 光子诊断(超弱发光的成像 系统的诱导发光 共焦显微技术 光学相干层析技术 光学光钳技术 激光加速对DNA的研究 激光挑选癌细胞 细胞快速分析识别) 光子革命-概念提出光子革命是2009年达沃斯论坛中提出的新概念，是指光子技术将在未来更为广泛的应用于社会生产生活中。 光子技术的潜能就信息领域来说产业、控制和应用作为信息载体光子的技术称为光子技术，光子技术在光伏发电、核能、微机械和节能中都有广泛应用价值。在新的时代中，光子将逐渐成为主宰信息传递和能源的核心介质技术。 光电子技术属于光子技术的一部分。从上世纪90年代开始光子技术已明显介入到信息产业领域，其发展势头锐不可挡，在本世纪即将掀起现代文明的第二次信息革命。 光子革命-理论基础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，光子学的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以及光子存载信息的传输、变换和处理问题等。当前，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子和光子，它们都是微观粒子，因而作为能量和信息载体来说，他们具有共性，但是他们又存在许多差异。由于光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联和并行传输，具有独特的优越性。光子学的发展使古老的光学迸发出青春的活力，促进了光子技术的形成和发展。 目前已研究开发和正在开发的光子技术主要领域有： （1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。 （2）运算速度更快的光子计算机。 （3）存储重大的光存储技术。 （4）代替现行通信方式的光通信。 （5）全息光技术。 成为主流的优势1.响应速度快光子学技术主要包含光子学的产生、探测、传输、控制和处理，因而必须有相应的光子学器件。与电子学器件相比，光子学器件中光子的运用不受回路分布延迟的影响（一般为10-9s），光于在固体中传输速度为10-12cm/s左右，光子学器件的时间响应和单道超大容量要比电子学器件高得多，这对信息技术发展有很大的推动作用。 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，这一点在未来信息时代的各种关键技术上将发挥巨大作用，尤其将会促成计算机技术的根本性变革。 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：光纤通信领域。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1千多万甚至1亿路电话。目前已完成了从第一代0.85μm波段与多模光纤，到第二代1.3μm波段零色散与单模光纤，再到第三代1.55μm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。目前，日本nec公司实现了40gbit/s×273，117km；而alcatel公司则实现了40gbit /s×256，100km的传输。 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借受大众的青睬。目前，一张200mm双面光盘，其厚度不超过2.4mm，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，令人惊叹不己。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于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，而且还可利用多重波长，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。光纤方法有极好的并行性，可以同时并行处理二维信息，实现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。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。微光子技术的应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、软调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，单量子阱激光器中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。 农业革命科学家最近发现，不同活力的种子在吸涨初期几分钟内的代谢超微弱光子辐射强度有很大差别，具体表现为储存时间不同的种子的光子辐射强度和特征不同，不同基因型的种子光子辐射也不同，而且它们之间存在定量的依赖关系。观测种子吸涨初期的代谢超微弱发光差异，可作为一种鉴定种子新旧及含不同抗性基因的快捷方法。激光对有机体的作用是相当复杂的，原理尚未搞得很清楚，大致认为激光是以光、热、压力和电磁场等效应对有机体发生作用。研究人员预计激光在激光育种、作物生长期照射处理、激光灭虫等领域有广阔前景。 利用生物光子技术可实时、快速、定位监测食品和饮用品生产线的细菌污染。采用酶放大化学发光增强技术，可检测出数量极少的细菌、微生物，可监测生产线或食品成品的污染程度。如何科学地监测水净化器的效果和净化水质量，是一个涉及千百万用户健康的大问题。而卫生和环保部门感到目前的传统技术检测效率和覆盖能力不足，如果引入生物光子设备，可使检测效率和精度大大提高。 光子技术在农业领域具有广泛的应用前景。例如，用激光能改变农田害虫的某种基因，从而使其生理代谢功能紊乱，可以极大地减少虫害；将激光系统安装在拖拉机上进行土地平整，由于激光信号的导向作用，可使操作效率提高60%。 目前，发达国家已普遍采用卫星—激光—电脑系统向农户提供气象预报服务，准确率可达99.5%。 计算机革命光电计算机是由基础部件空间光调制器和纳米电浆子元件构成，它是一种纳米级别金属构件的主要组成部件，这种特制的元件能够以一种高度控制的方式和光进行相互作用，并采用光内连技术，在运算部分与存储部分之间进行光连接，运算部分可直接对存储部分进行并行存取。从而靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理的。 光计算机充分利用光的特性与电的特性，具有无法比拟的各种优点： 第一，光器件允许通过的光频率高、范围大，也就是所谓的带宽非常大，传输和处理的信息量极大。两束光要发生干涉，必须频率相同，振动方向一致和有不变的初始位相差。因此，同一根光导纤维中能并行地传输很多很多波长不同或波长相同但振动方向不同的光波，它们之间不会发生干涉。有人计算每边长1.5厘米左右的三棱镜，信息通过能力比全世界现有的全部电话电缆的通过能力还大好多倍。 第二，信息传输中畸变和失真小，信息运算速度高。光和电在介质中传播速度都极快，但光和电不同，光计算机是“无”导线计算机，光在光介质中传输不存在寄生电阻、电容和电感问题，光器件又无接地电位差，因此，传输所造成的信息畸变和失真极小，光器件的开关速度比电子器件快得多。光计算机的运算速度在理论上可达每秒千亿次以上，其信息处理速度比电子计算机要快数百万倍。 第三，光传输和转换时，能量消耗极低。尽管集成电路中的电流十分微弱，但由于集成度的提高，功耗仍然是个大问题，对于巨型计算机，问题更为严重。光计算机却不同，除了激光源需要一定的能量以外，光在传输和转换时，能量消耗却极低。 光计算机运用非常广泛，特别是在一些特殊领域，比如预测天气，气候等一些复杂而多变的过程，还可应用在电话的传输上。 使用光波而不是电流来处理数据和信息对于计算机的发展而言是非常重要的一步。在将来，光计算机将为为我们带来更强劲的运算能力和处理速度。甚至会为将来和生物科学等学科的交叉融合打开一扇新的大门。 医学革命生物医学光子学可以分为生物光子学和医学光子学两个部分，分属生物学和医学领域，但二者存在相互交叠的范围，并无严格的分界。也可以根据应用目的的不同，将生物医学光子学划分位光子诊断医学技术和光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作位信息的载体，后者是以光子作为能量的载体。 由于激光具有单色性好、高亮度，高密度、辐射方向性强的特点，无论光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。随着激光器的不断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层出不穷。 生物光子学就是以研究生物体辐射的光子特性来研究生物体自身的功能和特性的学科。在光子学产生初期，充满活力的生命科学就和光子学相互交叉渗透，促进了这一学科的发展。它以生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现和研究为基础的。从1923年前苏联科学家Burwitch等人首次发现BPE现象到70年代后的研究表明，BPE现象是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的一种固有功能。除了少数原生生物和藻类等低级生物外，绝大多数动植物都能产生BPE。BPE的光谱很宽，从紫外、可见光到红外波段。奇妙的是，BPE的值和生物进化程度成正比，进化程度越高，其BPE值越大，辐射的波长越向红外扩展。另外BPE具有高度的相关性，是生物体梁子效率及低的一种低水平化学发光。 由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的关系，所以生物光子学在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境检测等领域可以有重要的应用。 光子诊断超弱发光的成像利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据融合技术，在可见和近红外波段获得生物体超弱发光的而二维图像，用于人体代谢功能与抗氧化、抗衰老机体防御功能的测量和研究。亦可用于疾病的诊断。例如，日本研制成第一台能探测大脑癫间病灶区的激光仪器，用很弱的近红外激光照射病人头部而得到大脑皮层的二维图像。通过分析这些图象，可以了解癫间期大脑活动类型，有助于医生发现病灶。和传统的打开头盖骨插入电极测量和用放射性同位素测定的方法相比，可以减少对病人的痛苦和伤害。此外，波士顿儿童医院利用在组织内的光的吸收和氧的浓度有关这一特性，采用近红外光谱来监视婴儿脑细胞氧含量。 系统的诱导发光生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统的光子发射。这种随时间衰弱的诱导发光的强度远大于生物体自发光强度。可以用于疾病诊断和食品质量的检测。由于肿瘤患者和健康人相比，其血液和病变器官与组织的发光光子强度升高，在癌症的诊断方面有很好的应用，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。 共焦显微技术超声波、CT、核磁共振等传统生物医学成像技术虽然可以获得人体组织在自然状态下的各种表像，但无法达到细胞级的分辨率。而采用高分辨率的光学显微镜和电子显微镜又需要将组织切片分析，无法对活组织成像。激光扫描共焦显微镜却可以进行光学断层分析获取生物样本的三维图像，实现对组织的动态成像，使研究人员观察到细胞与细胞相互作用、组织再生、光与组织的物理和生物效应、细胞内的生化成分和离子浓度等，从而成为生物学和医学研究的新技术和新手段。 原理如下：激光聚焦成线度接近单个分子的极小斑点，照射样品，使之产生荧光，但只有焦点处的荧光可以被探测到，离开焦点的荧光将受到紧靠探测器的空间滤波器的阻碍，不会进入探测器，可以得到样品细胞一个层面的图像。连续改变激光的焦点，可在一系列层面进行扫描，得到整个样品细胞的三维图像。目前，利用多光子技术，用近红外光激发可以减小单光子激光扫描共焦显微镜对细胞的损伤，可以观察到样品更深层的荧光成像，具有更高的分辨率。是目前的发展方向。 光学相干层析技术将光学相干技术与激光扫描共焦技术相结合的光学相干层析技术（OCT），利用了相干仪的高灵敏度外差探测特性，及只有探测光束焦点处返回的光才有最强的干涉信号被探测到，而离开焦点的散射光不会被探测成像这一激光共焦显微技术的结合。避免了单一激光扫描共焦显示技术只能用于透明组织，如角膜、皮肤这一缺点，可以用于探测食道、宫颈、肠道等器官，使医生看到10微米大小的组织，无损伤地了解组织结构及成分。特别值得一提的是它可以用于探测心脏、脑等以往无法活检的器官和组织，所以，OCT在医学上被称为"光学活检"。 光学光钳技术激光光钳是一种利用高斯激光光束的梯度压力将微粒移到激光束焦点附近的装置。微粒处于按高斯分布的激光束中时，由于光场强度的空间变化，光束对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并稳定在那里。激光束如同一钳子"抓住微粒，随其移动，可以无损地操纵如细胞、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家、医学工作者提供新的有力工具。为了减小对微粒的影响，多采用近红外激光。德国生物学家用激光在卵子细胞周围的保护层（蛋白质和碳水化合物）上打孔，利用光钳将精子抓住并送入卵细胞，从可以帮助那些缺少尾巴或无法游动的精子与母卵细胞结合，从而大大提高了体外受精的成功率。 激光加速对DNA的研究基因是生物遗传、突变的基本单位。人类基因组共有3×109个碱基对（DNA），弄清这些碱基对的序列情况是研究生命科学、了解生命奥秘的基础。利用人工方法识别这些碱基对需要1000年时间。单由于引入了光子学技术，大大促进了DNA的研究进程。美国加州大学采用激光毛细管列阵电泳法，在7分钟内读出200个碱基对，精度达97%，比通常的板凝胶技术快得多。此外，日本东北大学、路易斯安娜州立大学、艾奥瓦州立大学的研究人员都利用光子学技术采用不同的方法来实现对DNA的快速识别。加利福尼亚的Affymetrix公司已开发了基因芯片技术，它将照相平板印刷术和化学合成技术相结合，在不到1.28cm2的面积上产生高密度的DNA探头阵列。利用激光共焦扫描显微技术识别DNA。 激光挑选癌细胞美国国家健康研究所研制出一种带有固体激光器的立式显微镜。在用显微镜观察肿瘤的病理样品时，病理学家可以用脉冲工作的激光束激活罩在样品上的透明热塑膜，使之与他选择的癌细胞热熔在一起。这样在取出膜的同时可以取出被选的癌细胞，进行近一步分析研究。 细胞快速分析识别美国Sandia国家实验室成功地研制出一种含有细胞地生物微腔半导体激光器。以透明地细胞作为波导材料来改变激光横模结构，从而使激光光谱发生变化。由于每一种细胞都能使激光输出带有可识别地信号，可以根据光谱识别细胞而不需要成像，因此识别速度很高。每秒能识别2万个细胞 光子治疗光入射到人体组织后，一部分会反射回来，一部分被组织吸收，还有一部分被人体组织向四周散射。人体不同组织对不同波长光的吸收能力也不同。 光照射人体组织后，根据照射的波长和时间不同，对组织有以下五种作用， 分别为：光化学作用、热相互作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除和光致破裂。 光子动力学医疗利用癌细胞与正常细胞对某些光敏药物的亲和力不同的特点，使光敏物质只集中于肿瘤组织中，在光的照射下使光敏药物产生氧化能力很强的单态氧，能有效地杀死癌细胞。具体做法使给别人注射光敏药物，在48或72小时后，正常组织将药物代谢排除，而肿瘤组织代谢较慢。此时可以用低功率激光照射可疑区域，根据荧光光谱确定肿瘤位置。再用高功率激光（630～690纳米染料激光或半导体激光），通过光纤去激活药物，产生毒性反应，杀死癌细胞。这一技术成功应用于肺癌和其他癌症地治疗。 激光美容利用激光照射皮肤后的选择性光热作用，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、去毛和治疗各种皮肤病的目的。采用倍频Nd：YAG或Ar+激光有效凝固血红蛋白来治疗如鲜红斑痣等皮肤病；采用超短脉冲CO2激光器（10.6μm）进行去皱、去毛、头发移植等；在文身治疗中，根据文身颜色选择互补色激光治疗，如绿色文身采用红色激光，这时色素吸收率最高，容易实现选择性光热作用。利用不同波长和不同功率的光刀也可以进行皮肤肿瘤等切除性外科手术。 激光在牙科应用从60年代即开始了激光用于牙科的基础及临床研究。最早用于代替机械牙钻贺焊接支架。现在激光在口腔临床主要应用于口腔软组织疾病、口腔粘膜病等治疗。以及各种口腔硬组织疾病，如牙本质过敏症的脱敏、龋牙激光治疗、根管消毒和激光漂白牙齿等；还可以用激光进行止疼及麻醉。也可以用激光进行牙髓炎等口腔疾病的诊断等。 在眼科应用利用紫外激光的高光子能量打断角膜基质内分子链，造成非热致汽化来改变角膜的厚度和曲率，治疗近视、远视和散光。这就是今年来出现的准分子激光角膜切削术。由于该方法热损伤小、切割精细、安全、预测性好等一系列优点，近年发展很快。另一种治疗方法叫激光屈光性角膜切削术，即在角膜瓣下进行激光切割，是一种效果稳定，视力回退现象小的屈光矫正治疗。另外，激光在晶状体、玻璃体、虹膜、视网膜等各类疾病的治疗。 在心脏病学中应用对于冠状动脉硬化可以采用激光心脏再形成手术（TRM）进行治疗。TRM手术是医生在病人左胸开一个6～8英寸的切口，用激光再心脏上打20～30个1毫米大小的小孔，小孔在血凝固时被封闭，形成心的血流通道，以增加血液向缺氧组织流动从而缓和心绞痛和其他冠心病状。这一技术可以减轻病人的痛苦，提高病人生活质量。与传统开胸手术相比费用也低。并且经过研究表明，TRM的早期死亡率比冠动脉旁通手术低8倍。 针灸治疗术低功率激光可以代替传统的针具和灸具，通过刺激穴位能够缓解疼痛和治病。由于激光是非接触式的，所以不会损坏病人的神经和血管，更为安全可靠。经过研究发现，激光针灸可以对解除关节、肌肉和神经疼，对高血压、中风、偏瘫都有一定疗效。 采血器和注射器早在20世纪90年代初，俄罗斯就研制初激光验血划痕器。激光切口和金属划痕器切口基本一样，但前者造成的水肿小，伤口愈合快。用激光采血是非接触式的，可以避面病人紧张、疼痛，特别适合给小病人使用。更重要的是可以避免由于采血、注射引起的交叉感染。可以防止感染如艾滋病、肝炎等传染病。具有现实意义。 生物医学光子学被预测将在以下八个领域有所发展：光动力学医疗、激光和组织的相互作用、无透镜显微术、在血液化学分析中的进展、癌症的光学显示、利用激光检测DNA、伤害最小的光子设备、一体化的激光和成像系统。生物医学光子学是一门新兴的交叉科学，它必定将随着激光器、光纤技术、信息科学、生物学、医学、物理学、化学、工程学等各领域的新突破而迅速发展。 光导纤维日常生活中人们都知道；光线只能沿直线前进，要使光线改变前进的方向，通常要借助于反射镜。经过长期的实践研究，科学家们终于在1970年找到一种具有特殊结构的纤维。当光线从它的一端射入，这种纤维能把入射的大部分光线传送到它的另一端。人们给这种纤维取了个名字，叫光导纤维。 光导纤维的发明问世，是世界科技史上一项重大成果，从而引起了一系列现代科学技术革命。 光纤通讯是当代新技术革命的特征之一，也是“信息社会”的一个重要标志。大家知道，光实际上是一种频率极高的电磁波，因此可以像其他电磁波一样对它进行调制和传输。由于它的频率极高，因此几乎可以无限量的调制到一根光导纤维的频带宽度之内。与激光通讯技术结合起来的光纤通信容量比普通电缆通信大10亿倍。一根光导纤维比头发丝还细，却可传输几万路电话或几千路电视信号。 光纤通信还特别适合于对电视、图像和数学信号的传送。它将深入影响人类社会生活，引起信息传输和通信功能的革命，因此有人把光导纤维称做信息传输的动脉。由于光纤通信保密性能特别好，所以常被用在航空、军事等方面，并显示出优良的功能和巨大的作用。 医生看病时，如能亲眼观察到生病的内脏器官会更有助于开展治疗。近几年科学家发明了“内窥镜”，制造材料主要是光导纤维。内窥镜好比在病人体内为医生长上了一只眼睛，可以清楚地观察到病人体内的细微病变。 光导纤维还被广泛应用于传感技术中。目前全世界已经生产的各种光纤传感器已有六七十种。根据它们的工作原理，大体可分为两大类。一类光纤传感器采用对外界信息较敏感和具有检测功能的光导纤维作为传感元件。而在另一类光纤传感器中，光导纤维仅作为传播光线的介质，对外界信息的“感觉”的功能是依靠其他功能元件来完成的，这类光纤传感器还被称为传光型传感器。由于传光型传感器结构比较简单，目前全世界技术领域内正在使用的光纤传感器中，这种类型的传感器占绝大多数。 |
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