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调研报告概要－光学领域及其问题1

评述4

1 光学：能够促进其它领域发展的“助推器”4

2 趋势与发展7

2.1 信息技术及远距离通信7

2.2 保健、医疗与生命科学8

2.3 光学传感、照明和能源9

2.4 光学在加工制造业中的应用10

2.5 国防11

2.6 光学元件和系统的加工制造12

2.7 研究和教育13

3 重要的结论和建议13

3.1 信息技术与远距离通信14

3.2 保健、医疗与生命科学15

3.3 光学传感、照明与能源16

3.4 国防17

3.5 加工制造业中的光学技术17

3.6 光学元件和系统的加工制造18

3.7 研究和教育18

4 未来展望19

第一章 信息技术和远距离通信中的光学21

1 信息传输23

1.1 远距离传输24

1.1.1 海底传输系统25

1.1.2 陆地传输系统27

1.2 光纤连接到家28

1.3 模拟信号光波传输30

1.3.1 有线电视30

1.3.2 遥感天线30

1.4 空间光通信31

2 信息处理33

2.1 光学数字线路33

2.2 光学网络和转换35

2.2.1 转换36

2.2.2 WDM网络37

2.2.3 高密度光开关38

2.2.4 全光开关39

2.3 光学图像处理和光计算40

2.4 综合问题41

3 光存储42

3.1 市场规模和目前趋势42

3.1.1 存储技术的发展趋势43

3.2 教育问题45

3.3 国际竞争45

3.4 没有解决的关键问题45

3.5 机遇、挑战和障碍45

4 显示器48

4.1 中等尺寸的显示器49

4.2 小型显示器50

4.3 投影显示器51

4.4 超大型显示器51

4.5 军用和航空电子系统用显示器51

4.6 教育和研究开发问题52

5 总结和建议52

5.1 信息传输52

5.2 处理53

5.2.1 数据线路53

5.2.2 光学网络和开关53

5.2.3 光学图像处理和光计算54

5.2.4 概述54

5.3 光存储54

5.4 显示器56

第二章 保健、医疗与生命科学中的光学57

1．外科手术与医疗57

1.1 激光的引入58

1.2 理解光与组织的相互作用59

1.3 最小损伤治疗（MIT）61

1.4 先进激光治疗应用62

1.4.1 激光屈光外科62

1.4.2 心血管应用63

1.4.3 光动力疗法64

1.5 光诊断技术65

1.5.1 血液监测65

1.5.2 探测肿瘤的光学方法66

1.5.3 散射介质中的成像及光谱67

1.5.4 光学相干层析术68

1.5.5 磁共振成像用的激光超偏振气体69

1.5.6 治疗用激光器的反馈控制69

1.6 非技术考虑69

2 生物研究工具70

2.1 可视化技术70

2.1.1 共焦扫描激光显微术70

2.1.2 双光子显微术71

2.1.3 非成像表面显微术72

2.1.4 分子探针的进展72

2.2 测量与分析技术73

2.2.1 流通式血细胞计数器73

2.2.2 生物工程荧光指示剂75

2.3 微操纵技术75

3 生物技术76

3.1 DNA分析76

3.2 制药筛选77

4 总结和建议78

4.1 外科和医疗78

4.2 生物学工具78

4.3 生物技术79

第三章 光学传感、照明和能源80

1 光学传感器和成像系统81

1.1 环境和大气监测81

1.1.1 开路气体监测81

1.1.2 激光雷达遥感82

1.1.3 光学环境生物传感器84

1.2 地球与全球表面监测84

1.2.1 大气与全球气候变化84

1.2.2 地球资源与气象85

1.3 天文与行星探测器86

1.3.1 新型天文望远镜86

1.3.2 行星和太阳探测88

1.4 工业用化学传感器88

1.5 数字视频与热成像摄像机89

1.6 执法检查和安全保密90

1.6.1 监视侦察90

1.6.2 毒品和爆炸物检测91

1.6.3 法医与证据调查91

1.7 日常用光学传感器92

2 照明93

2.1 照明历史、将来的方向和标准93

2.2 新光源和发送系统94

2.2.1 常规照明（白炽、荧光和高强度放电及公共设施）94

2.2.2 硫二聚物（微波放电）灯95

2.2.3 光缆和空心管导光95

2.2.4 控制光反射窗户95

2.2.5 LED照明95

2.2.6 生活娱乐中的激光与照明96

3 运输中的光学传感和照明97

3.1 在飞机上的应用97

3.2 在汽车方面的应用97

4 能源99

4.1 激光受控核聚变99

4.2 用于原子能的铀同位素激光分离100

4.3 空间太阳能电池100

4.4 地面太阳能电池101

4.5 太阳热能102

5 总结与建议102

5.1 光学传感器和成像系统102

5.2 照明103

5.3 光学传感器及交通照明104

5.4 能源104

第四章 国防中的光学105

1 侦察系统107

2 夜视109

3 在大气和空间使用的激光系统111

3.1 激光测距仪、指示器、干扰发射和通信设备112

3.2 激光武器113

4 光纤光学系统114

5 显示器116

6 特殊技术117

6.1 生化种类探测117

6.2 激光陀螺导航118

6.3 光信号处理118

7 总结与建议118

第五章 工业制造中的光学应用121

1 利用光进行加工制造122

1.1 光刻术122

1.1.1 曝光设备123

1.1.2 光掩模123

1.1.3 光刻胶材料124

1.1.4 光刻技术的未来124

1.2 激光材料加工125

1.2.1 焊接应用125

1.2.2 切割和打孔应用126

1.2.3 表面淬火应用127

1.2.4 工业激光市场展望127

1.2.5 精密激光加工协会128

1.3 利用光学技术进行快速模型研究和制造129

1.4 使用光学系统控制制造过程130

1.4.1 计量学130

1.4.2 机器视觉131

2 特殊工业中的应用133

2.1 汽车制造133

2.2 半导体集成电路工业135

2.3 显示器加工业136

2.4 化工业137

2.5 飞机制造业138

2.6 建筑业139

2.7 印刷业140

3 工业制造中不断增加光学元件的应用141

4 总结和建议142

第六章 光学元件和系统的加工制造144

1 引言144

1.1 简史144

1.2 当今光学工业的概述145

2 特殊光学元件的小批量加工146

2.1 球面透镜147

2.2 非球面148

2.3 计算机控制精磨和抛光149

2.4 衍射元件149

2.5 光学薄膜150

2.6 光学玻璃、聚合物和特殊材料151

2.7 专题分析：光刻设备152

2.7.1 镜头材料问题152

2.7.2 下一代光刻设备中的挑战152

2.8 专题研究：用于国家点火装置（NIF）的光学元件153

2.9 关键技术的挑战154

3 光学元件的大批量加工154

3.1 光纤、光纤器件和光波导155

3.1.1 二氧化硅光纤155

3.1.2 非二氧化硅光纤155

3.1.3 光纤器件156

3.1.4 平面波导器件156

3.2 半导体光电子元件156

3.2.1 远距离传输系统元件157

3.2.2 数据通信线路157

3.2.3 通过空气介质的红外线路连结器件157

3.2.4 半导体激光器158

3.2.5 可见光发光二极管158

3.2.6 成像阵列158

3.3 激光器和波导集成组装158

3.4 关键的挑战技术159

4 交叉技术问题159

4.1 光学设计和增加计算机运算能力对其影响160

4.2 测量技术的作用161

4.3 标准162

4.4 光学工业的规模和组成163

5 总结和建议166

第七章 光学研究与教育168

1 引言168

2 研究机遇170

2.1 量子、原子、生物光学170

2.1.1 光对原子的控制170

2.1.2 测量的固有量子极限171

2.1.3 生物光学172

2.2 飞秒光学174

2.2.1 高强度激光与物质的相互作用174

2.2.2 激光在化学中的应用175

2.2.3 飞秒激光技术175

2.2.4 技术应用176

2.3 半导体和先进的固体激光器177

2.3.1 激光光源177

2.4 先进的发光和光控制材料182

2.4.1 非线性频率变换材料182

2.4.2 半导体量子阱材料183

2.4.3 光子带隙材料184

2.4.4 光束成形和聚焦用的材料184

2.4.5 研究和开发材料的机遇184

2.5 极紫外和X射线光学186

2.5.1 X射线显微术186

2.5.2 EUV和X射线186

2.5.3 X射线光学和光源187

3 光学教育188

3.1 美国的光学教育计划188

3.2 光学学术计划的实现方法189

3.3 继续教育190

4 结语和建议190

4.1 主要问题190

4.2 研究机遇191

4.2.1 量子、原子和生物光学191

4.2.2 飞秒光学191

4.2.3 半导体和先进的固体激光器192

4.2.4 发光和控制光的先进材料192

4.2.5 极紫外和X射线193

4.3 光学教育193

附录A 建议汇编194

A1：按章排列次序的主要建议194

A2：按部门分类的主要建议196

附录B 研讨会参加者199

附录C 参考文献208

附录D 总审校、译、校者及编辑者名单213