科技创新交融，光电洞穿未来
8月6日深圳大学光电工程学院教授、博士生导师彭文达做客深圳市民文化大讲堂，在市图书馆五楼报告厅举行题为《光电子学及应用浅说》的讲座。彭老师为我们解析了光电知识应用的广泛性和重要性。
什么是光学？
起初，牛顿认为光是由粒子组成的，惠更斯运用生活例子来反驳。惠更斯认为光传播过程中各粒子必然互相碰撞，这会导致光传播方向的改变，而事实并非如此。随后牛顿提出两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子,第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。直至1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文,他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。正是这些科学家的努力，才揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。
2013年12月20日联合国会议强调指出提高全球对光科学技术的认识和加强这方面的教育，对于发达国家和发展中国家应对可持续发展、能源、社区保健和提高生活质量的挑战至关重要，考虑到光科学技术的应用对现有和未来医药、能源、信息和通信、光纤学、天文学、建筑、考古、娱乐和文化的进步至关重要等原因，决定宣布2015年为“光和光基技术国际年”。
2015年恰值光科学史上一系列重要的里程碑周年纪念，包括1015年伊本·海赛姆的光学著作、1815年菲涅尔提出的光波概念、1865年马克斯韦尔提出的光电磁传播理论、1905年爱因斯坦的光电效应理论和1915年通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素，以及1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景，为这些发现举办周年纪念活动将提供一个重要的机会，可突出宣传科学发现在不同领域的连续性。
杨国桢院士说，光学在人类健康、通讯、经济、环境、人类生活改进等方面都做出巨大的贡献，然而光科学及其应用带来的直接改善人类生活的革命性技术，却经常不为大家所熟知。 从航空航天到日常的生产和生活，光学无处不在。
1、激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚
波色-爱因斯坦凝聚（BEC）是爱因斯坦1924年提出对波色用新的统计法用于理想原子气体的建议。BEC是一种相变，在相变中宏观数量的波色粒子聚集在同一量子态上，这个量子态是一个新的物质状态，可以通过降低温度、提高粒子数密度来实现。技术上一般采用激光冷却和蒸发冷却使温度降到100nk，在这个温度下很多原子可以实现波色爱因斯坦凝聚。
1997年朱棣文等三位科学家发现了激光冷却和囚禁原子的方法，并被实验验证。
激光冷却：激光打到原子上，原子因吸收光子损失一部分前进的动量，吸收了光子的原子激发到高能量状态而发射光子，原子得到一部分反冲动量。这一过程重复多次，原子吸收光子时，总是损失前进的动量，发射时得到的反冲动量却是沿各种方向，平均为零，这样原子被减速（冷却），速度最终趋于零。用激光冷却的方法，温度可以达到1mk，如果结合如蒸发冷却，温度可以达到100nk，这是目前自然界最低温度。
2、激光光纤通信
1966年华裔科学家高琨提出光纤通信原理，基本思想是利用光全反射原理使光在纤维中传播。这项工作最终促使光纤通信系统问世，为当今互联网的发展铺平了道路，光纤通信得到了大规模应用，高锟因此荣获2009年诺贝尔奖物理学奖。
3、光学发展在奠定现代科学基础中的关键作用
现代科学技术最重要的三个基础是：相对论、量子力学和DNA分子的双螺旋结构的测定，光学在这三方面都做出重要贡献。狭义相对论的实验基础是光速不变原理，广义相对论的实验基础虽然和光学没有直接关系，但是与光学相关的两个实验，光谱谱线红移、光线弯曲是广义相对论最核心的实验推论；量子力学代表性的结果是光的量子化；DNA分子的双螺旋结构的测定标志着生命科学研究进入了新的历史时代，女科学家富兰克林的DNA的X射线衍射图样对推测DNA分子双螺旋结构起到关键的作用。
电子学主要研究电子的特性与行为及其在真空或物质中的运动与控制。包括真空电子学、气体电子学、固体电子学等。光子学研究光子的特性与行为及其与物质的相互作用以及光子在自由空间或物质的运动和控制。光电子学：是电子学与光子学相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的机制或机理。
1、光学与电子学融合：
第一阶段：19世纪60年代，Maxwell提出光也是电磁波；
第二阶段：19世纪末～20世纪初，光电效应的实验和理论发展；
第三阶段：1960年第一台激光器的诞生，它是光学发展史上的一项重大的革命，也是20世纪最主要的重大发现之一，它将人类带入了光子时代。
2、量子论的发展：
爱因斯坦是第一位意识到量子概念的普遍意义并将其运用到其他问题上的科学家，他建立了光量子理论解释光电效应中出现的新现象。此外，玻尔、德布罗意等许多科学家也对量子论的发展作出了重要贡献。量子论的发展经历了三个主要阶段：古典量子论（普朗克、爱因斯坦、玻尔、索未菲、康普顿），量子力学（德布罗意、薛定谔、海森伯、约尔丹、玻恩）以及最新的相对论量子力学或量子场论。
光电技术的概念与分类
光电技术的领域十分宽广，主要是成像和光源。以光电子学为基础，综合利用光学、精密机械、电子学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科。涉及光电技术的行业发展得很快, 在光通讯、激光、光电显示、光学、太阳能光伏、光电工程、物流网等领域尤为突出。
按波长划分：红外光学、可视光学、紫外光学、X射线光学；
按空间划分：空间光学、大气光学、海洋光学；
按时间划分：静态光学、瞬态光学、飞秒光学、阿秒光学（后三种也可称超快光学）；
按特征划分：几何光学、物理光学、应用光学、非线性光学、显微光学、近场光学、全息光学、二元光学、傅里叶光学、计算光学；
按介质划分：薄膜光学、纤维光学、梯度光学、集成光学；
按学科划分：光化学、光生物学、生物医学光子学、光微电子学；
按应用划分：照明（白炽灯、日光灯、弧光灯、固态灯）；显示（CRT、PDP、LCD、LED、OLED、激光电视）；成像（光机相机、CCD、CMOS、高速摄像机、光谱成像仪）；激光器:(气体、固体、染料、准分子、化学、半导体、光纤）； 通讯（光纤通信、光无线通信）；医学（X射线、CT、OCT、液相光谱、气相光谱）；安全（光电传感、光电控制）；军事（微光夜视、红外、光学预警、激光制导、光纤制导、光无线通信、光电对抗、C3I）。
第一：1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。
上海外滩迷人的（电光源）灯光夜景
电光源分两种：
1. LED（Lighy Emitting Diode）
又称发光二极管，利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。由于白光LED光效的迅速提高，加上体积小、耐震动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、光色接近白炽灯光色、低压驱动、无汞和铅污染，将发展成为可用来代替白炽灯和荧光灯的主要绿色光源。
2.OLED——有机发光二极管（Organic Light Emitting Diodes）。
按照采用的有机发光材料的不同，OLED可分为两大类：小分子有机发光二极管SMOLED和聚合物发光显示器PLED。前者是柯达公司发明的有机电致发光膜制成的OLED，后者是剑桥显示技术公司开发的基于聚合物的OLED，即PLED，又被称为LEP（Light Emitting Polymer）。有机发光层夹在金属阴极和镀覆了透明导电膜的玻璃阳极之间，整个有机发光层由空穴注入层、空穴传输层、发射层和电子传输层组成。当一个合适的电压（典型的在2～10伏）加到该元件上时，发射层中注入的正电荷和负电荷再结合而发光（电致发光效应）。
第二：1895年德国科学家伦琴发现的x射线源。
“x”是未知的符号，但那神秘的、肉眼不可见的光源从被发现起就显示了她的巨大生命力：在伦琴的论文中，首先显示的是她夫人手的x射线图，手指骨连同戒指一起清晰地展现在人们眼前。如今，任何医院都少不了x射线源。
第三：20世纪60年代美国和前苏联一批科学家创制的激光光源。
激光，大到核聚变用的10万亿瓦的激光，小到超市用的激光扫描器、演讲时用的激光笔，还有医院用的激光刀。激光高度的准直性使百瓦激光从地球射到月球，再反射回地球，从而可精确地测定地球与月球之间的距离。
第四：同步辐射光源。
此光源的产生机理在20世纪初就由英国科学家提出，但直到1947年才在同步加速器上被观察到，从而得名为同步辐射。在1967年以后逐渐为人们认识到其巨大的应用潜力。
光产生的机理有两种：一是原子内电子状态从高到低的跃迁产生的光辐射；二是带电粒子，特别是电子运动速度发生变化时伴随产生的光辐射。前三种光源的产生机制主要是第一种，同步光源则完全是第二种。
同步辐射光源的发展和特性
电磁场理论早就预言：在真空中以光速运动的相对论带电粒子在二极磁场作用下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光，并称产生和利用同步辐射光的科学装置为同步辐射光源或装置。同步辐射光的特性有：
宽波段：波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光。
高准直：发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。
高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。
高纯净：是在超高真空中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非常纯净的光。
高亮度：是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度，第三代同步辐射光源的 X射线亮度是 X光机的上千亿倍。
窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在10-11~10-8秒(几十皮秒至几十纳秒)之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，这种特性对“变化过程”的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。
可精确预知：光子通量、角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为辐射计量——特别是真空紫外到 X射线波段计量的标准光源。
此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。
受控热核反应
受控热核聚变目前有两类约束方式－磁约束（托卡马克）和惯性约束。
惯性约束主要有激光－惯性约束聚变( ICF)和Z-pinch（箍缩）。
其中惯性约束聚变驱动方式的物理过程为：加热: 激光（或离子束，X光辐射）照射靶丸，快速加热表面；压缩: 靶丸表面物质向外喷射，形成的反冲压力将靶丸向心压缩；点火: 靶心燃料被压缩到20倍铅密度，并在108度高温下点火；燃烧: 发生热核爆炸并迅速扩展到整个燃料，从而释放核能，并大于输入能量若干倍 。
激光聚变近期发展目标是等离子体物理基础研究与国防建设；长远发展目标是提供新能源；激光聚变的途径:有直接驱动和间接驱动。
军用光电技术的应用
1、红外探测：红外探测器是红外系统、热成像系统的核心组成部分。红外探测器的研究，始终是红外物理和红外技术发展的核心。目前，利用固体受辐射照射而发生电学性质改变的光电效应制成的光子探测器的敏感范围已延伸到30微米波段以上，近、中、远红外的单元探测器的性能不少也已达到或接近背景限的理论水平。理论上一般多按工作转换机理来分类，就其工作机理而言，一般可分为热探测器和光子探测器(或称光电探测器)两大类。
2、微光夜视
3、红外夜视仪
4、激光制导：导精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低、是一种新的有效的制导体制，利用激光获得制导信息或传输制导指令使导弹按一定导引规律飞向目标的制导方法,在武器制导系统中被广泛应用。
5、激光武器是一种定向能武器，利用强大的定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效。它是利用高亮度强激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星和人员等目标的高技术新概念武器。强激光武器有着其它武器无可比拟的优点，强激光武器具有速度快、精度高、拦截距离远、火力转移迅速、不受外界电磁波干扰、持续战斗力强等优点。激光武器已经日趋成熟并将在今后战场上发挥重要作用。
6、石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
7、“穿戴式智能设备”是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，穿戴式技术在国际计算机学术界和工业界一直都备受关注，只不过由于造价成本高和技术复杂，很多相关设备仅仅停留在概念领域。随着移动互联网的发展、技术进步和高性能低功耗处理芯片的推出等，部分穿戴式设备已经从概念化走向商用化。
随着时代的发展，科技的进步，
光电子学的发展越来越受人们所关注并被广泛应用。
互联网、智慧城市、智慧交通、智慧家居、智慧穿戴
等都离不开光电技术及光电器件，光电时代离我们还会远吗？
嘉宾简介：彭文达
深圳大学光电工程学院教授、博士生导师，享受国务院特殊津贴专家。曾任中科院西安光机所副所长、党委书记、中科院国防技术专业组光电子组组长。主要从事光电转换和超快诊断技术研究。
本文根据讲座现场嘉宾讲解与PPT、速记稿进行整理编辑。