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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