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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一部分 近代科技发展史回顾,第二部分 现代科学技术的发展,第三部分 科技进步推动经济变革,第四部分 光通信的前世、今生与未来,内 容 提 要,第一部分 近代科技发展史回顾,一、科学的苏醒，经典科学和机械的时代,（16世纪18世纪）,1543年，哥白尼“天体演化论”太阳中心说，,科学和神学的决裂；,1687年，牛顿“自然哲学与数学原理”，奠定经,典力学的基础；,1750年，蒸汽机、纺织机械发明。,1795年，蒸汽火车出现在欧洲大陆。,工业革命,动力革命,规模生产和铁路使市场形成。,四、当代科学和电子和信息技术奠基时代 （20世纪下半叶）,1946年，电子管计算机ENIAC诞生，数字技术出现；1948年，Bell Lab发明了二极管;,1953年，沃森、克里克提出DNA分子双螺旋结构；1958年，第一块集成电路出现；,1978年，微计算机8086出现；1990年，人类基因组计划启动；,1995年，Internet开通。,信息技术50年漫长的助跑，进入高增长，高技术兴起，知识经济和经济全球化初见端倪。,世界人均GDP的爬坡,康德拉捷也夫曼德林（1920）,“,长周期理论”,经济长波周期：振兴、繁荣、衰退、萧条 大约5055年一个周期,机理：科学发现、技术发明（原始创新）新技术体系、技术群成批出现产业换代、经济向上技术稳定、潜力渐尽经济增长乏力、资本寻求新的机遇,数字化与生物技术？电子信息 电力 铁路机械,1770 1830 1880 1930 1990,罗默（1986）,技术收益递增型增长模型,企业收益=f(企业物质资本，,企业劳动，,社会平均知识水平，,特定企业生产某产品的专业知识),新的现象：,研究和开发产生垄断利润，克服了,资本边界效应递减；技术引进推动资本积累；人才资本是经济增长的内生变量。,f是什么？管理企业资源和环境优化调度。,展望新世纪的科学前景，高新技术为代表的当代科技推动经济发生着巨大的变革，构成第一生产力中最活跃的因素，带动着知识产业的形成。生产力高速发展也使人们面临资源、环境、生态方面越来越大的矛盾，知识经济作为一种新的经济形态在解决这个矛盾方面给我们带来了新的希望。,第二部分现代科学技术的发展,生物、信息、材料、航天,一.生命科学和生物技术,生物技术被认为是21世纪技术的突破点。,1900年，,德符里斯,提出了“细胞核/染色体/DNA”的学说；1953年，沃森（遗传学家）、克里克（物理学家），提出生理,过程的化学规律，DNA“双螺旋结构”;,1990年，“人类基因组”计划启动；1997年，Clone克隆技术。,生物技术的最大突破是人们已经有手段对生物的遗传基因进行破译。破译的结果是基因结构的全顺序，是人类认识生物的基本“字典”。,代表作“人类基因组计划”,人体细胞中有31.746亿组分子密码组成的碱基对，有3.54万组遗传基因；,包含生命的全部空间结构信息和与生命过程相关控制信息；,其复制过程保证生物遗传、稳定和生命时钟进程；,对进化保守区和活跃区的研究，可以认识生命系统的多态性，揭示人类繁衍的历史和体系结构；,现代人20万年前发端非洲，13万年前走向世界各大陆。,DNA,DNA复制,个体的生长，群体的繁衍，都是依赖这个最原始的过程。,2000年6月26日“人类基因组计划”成员国美、英、法、德、日、中宣布人类基因组草图；2001年2月12日公布基因图谱及分析结果。,测序完成以后，2003年前将完成：,碱基对如何组成基因；,每个基因的位置、结构、功能；,DNA（密码）RNA（信使?）蛋白组学。,“后基因组计划”：,药物基因组学；,环境基因组学；,基因组信息学。,意义,通过对人类基因组的研究，发现人类5000种疾病是显性遗传疾病，单基因遗传病1500种。,发现基因缺陷，进行健康基因导入和缺陷修复，生物工程方法研制新药，是未来医药学突破口。,中国的大家庭优势、隔离区优势、多民族优势是重要的遗传信息资源，也是需要保护的重要经济技术资源。,中国1%，生命信息权益,。,反向思维：医学伦理问题，对物种多样化的破坏，转基因食物安全，DNA 中的危险因素。,基因工程向深度和广度前进,我国科学家完成了对水稻基因破译。解释水稻所有的特征和多态性。,对基因复制的原理进行研究，优势基因筛选、评价、裁剪。,新物种的培育，产生优质、高产、抗病、抗碱、抗寒的农作物。,异种基因导入，抗虫棉，含人的凝血因子、血液蛋白的转基因羊活的制药厂。,高等生命产生的新形式Clone克隆,多代克隆，异种受体克隆相继成功。,克隆熊猫问世？,Clone技术有巨大的科学价值，在未来市场上的价值上更是空前的。,科学意义：生命过程，生命演化，遗传的稳定性、多态性和遗传突变。,经济意义：植物细胞培养技术，动物胚胎和细胞培养技术，优势种质资源保存和扩大，大规模工业化生产方式推动农业的产业化。,特殊社会价值：干细胞技术（Stem Cell），用于人体器官移植的人工器官克隆（肌肉、皮肤、心肌?），濒危动物的恢复性培育。,生命科学技术走向本世纪的辉煌,2008年1月17日，英国人工授精与胚胎学管理局正式批准两个研究小组各获得为期一年的研究许可，从现在起进行人兽混合胚胎培育工作。,管理局强调，研究小组培育的人兽胚胎只能用于研究，不可用于临床治疗或植入人体，胚胎只能维持在初期水平，发育时间不得超过两周。,伦敦大学国王学院的研究小组培育混合胚胎，用于已知的因遗传因素导致的疾病如老年痴呆症、脊椎肌萎缩、帕金森氏症等多种疑难疾病的病理研究；纽卡斯尔大学的研究小组希望用这种人兽混合胚胎培育技术，进一步了解干细胞在体内如何发展成各种组织,英国正式批准人兽混合胚胎研究,Chimera（客迈拉）：人兽杂交,Chimera是希腊神话中一只有狮头、羊身和蛇尾的吐火怪兽，是百头怪兽提丰(父亲)和厄喀德那(母亲)杂交的后代。,科学家已经成功把人类基因克隆到细菌和动物身上,。,2003年，,上海第二医科大学将人类皮肤细胞与兔子卵细胞融合,，,培植出人类胚胎干细胞,。,该研究胚胎被体视为首例制造出来的人兽杂交,“,客迈拉,”。,2004年，,美国明尼苏达州马约医学中心将人类干细胞移入猪的胚胎,，,制造,出流着人血的“客迈拉猪”。,2005,年，美国内华达大学将人类干细胞移入绵羊胚胎，制造出“客迈拉羊”。“羊”的肝脏中约,80%,的细胞是人类干细胞。,二、电子信息技术,计算机技术,1944年冯.诺依曼提出,程序存储,和,顺序计算,的概念；,1946年第一台电子计算机ENIAC诞生；,1948年Bell Lab发明了二极管；,1954年年第一台晶体管计算机诞生；,1958年仙童公司诺宜斯发明了第一块集成电路IC；,1968年摩尔、诺宜斯和管理能手格罗夫创立Intel公司，Intel成为现代计算机的主流。,时间 机型 集成度(线宽微米)典型速度,1971年 4004 0.2万门 0.1Mips,1978年 8086 2.9万门 网络经济、知识经济、经济全球化。,生产要素在全球流动，实现资源的在全球范围的优化配置。是机遇也是更大的挑战。,新经济概念,六、知识经济也和每个人息息相关,现代信息化生存和知识经济影响下的新生活将走向我们,数字网关,ISDN、宽带10M,数字影象,数字计算,自动驾驶,数字电视,数字家电 数字健康,我们将面临更多新事物、新要求,网络生活、文化、商务,跨地域远程工作,在线翻译,新材料带来的清洁健康产品和生活方式,生物技术产品将最大限度取代化学产品及能源,转基因食物,基因工程药品,将用人工器官实现无排斥的器官移植,工作生活更多地和现代手段结合，必须适应现代文化、现代生活,管理者将面临专业化的更高要求,交叉学科将成为强者，,传统学科新兴科学，,知识理论现代工具，,科学技术人文精神。,科学技术和迷信愚昧的斗争会更激烈，普及和宣传科学更重要,1972年，UNESC组织大会：“学会生存教育的今天和明天”，提出了终身学习的概念:“Life-Long learning”。,用年轻的心态坚持终身学习成为适者生存的新规律,第四部分 光通信的前世、今生与未来,一、光学的发展,光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。,研究内容,1、光的发射、传播和吸收的规律。,、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光的生理效应等。,、光的本质的研究。,光的传播,-,-,反射、折射、衍射、干涉、偏振等；,与物质的相互作用,-,色散、散射等其它光的作用,；,量子光学,电磁光学,波动光学,几何光学,非线性光学,内容可分为,几何光学、波动光学、,量子光学、现代光学。,几何光学、波动光学-研究光的传播；,非线性光学-研究光与物质作用理论；,电磁光学-基于Maxwell 方程的研究理论；,量子光学-基于量子论的理论；,非线性光学-,光在非线性材料中的传播、强光与材料的相互作用,光学简史,周朝的金燧取火（公元前1000年）,古埃及金字塔出土的平面镜（公元前1000年）；,墨经中的光线传播，平面镜、凹面镜、凸面镜的成像（公元前400年）；,Euclid 的反射光学（公元前400年）；,南宋沈括梦溪笔谈中，针孔成像、球面镜成像、虹霓、月蚀现象的描述。,1.古代光学公元前-16世纪,宏观光学现象的,直观认识,2.经典光学 17世纪-19世纪,Galilei,望远镜,(1610,年,),，发现土星光环；,Kepler,望远镜用于天体观测,(1611),，,Kepler,三定律；,Snell,的折射定律（,1621,年）；,Fermat,原理,:,自然界以时间最短作为行为准则,(1657);,Newton,的微粒学说、色散实验（,1666,年）,;,Romer,根据木星的月蚀测出光速有限 ,214000km/s,(1676,）；,Huggens,的波动学说（,1678,）；,Young,的干涉实验（,1801,）；,Fresnel,的波动理论（,1814,）、反射折射定律（,1832,）；,Fizeau,用旋转齿轮测光速（,315300km/s,）（,1849,）；,Foucault,测出水中光速比空气中光速小（,1850,），与微粒学说矛盾，与波动说吻合；,Maxwell,的电磁波理论,(1873),、光速,Michelson&Morley,的干涉实验（,1887,）；,19世纪末确立了光的波动理论的统治地位。,3.近现代光学1900-,量子论（,1900,）；,Einstein,发现光电效应（,1905,）；,de,Broglie,的物质波理论（,1924,）；,Born,的波粒二像性理论（,1925,）；,激光器的诞生（,1960,）；,Quantum Optics,（,量子光学）；,Nonlinear Optics,（,非线性光学）；,Integrated Optics,（,集成光学）；,Optical Communication,（,光通信）；,Holography,（,全息学）；,Photonics,（,光子学）；,.,现代光学的分支和技术,萌芽时期,（约公元前400年公元16世纪）,成就,发现和总结了一些实验现象，如平面镜成像、透镜成像、凹凸面镜成像、针孔成像的现象和规律。造出了透镜、凹凸面镜、眼镜、暗箱等光学元件。,几何光学时期,（公元16世纪公元19世纪）,成就,建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础；发现了干涉、衍射、偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说初步提出。造出望远镜（,H.Lippershey,，,15871619,年）、显微镜（,Z.Janssen,，,15801656,年），极大地推动了天文、航海、生物学的发展。,为几何光学向波动光学过渡时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。,波动光学时期,（公元19世纪）,成就,惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的直线传播、干涉、衍射和偏振现象，奠定了波动光学的基础；法拉第（,M.Faraday,，,17911897,年）和麦克斯韦（,J.C.Maxwell,，,18311879,年）等人揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，赫兹（,H.R.hertz,，,18571894,年）测得电磁波的传播速度等于光速，确定了光的电磁理论基础。,成功地测定了光的波长，用多种实验方法测定了光在各种介质中的传播速度。,光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很总要的作用，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。,量子光学时期,（公元19世纪末公元20世纪上半叶）,成就,爱因斯坦（,18791947,年）发展了普朗克的能量子假设，提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效应等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。,光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们进一步探索光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。,现代光学时期,20,世纪,60,年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期。,成就,激光问世（,T.H.Maiman,，,1927,），全息术、微波、光纤、红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为现代物理学和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论上出现了许多新的分支学科和边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、量子光学、激光光谱学、集成光学等。,现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认识进一步向前发展，在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作用。,二、光学的应用,1.激 光 技 术,Laser Technology,历 史 回 顾,激光发明的,理论基础,可以追溯到,1917年,，著名物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了,受激吸收和自发辐射跃迁,过程外，还存在,受激辐射跃迁,过程。,1950s:,汤斯（,BELL,实验室）,厘米波研究，雷达轰炸瞄准系统,创新,:,用原子或分子作为单色电磁波的振荡器,1954,年,:,制成氨分子振荡器,:1.25 cm,Maser,1958,年,论文,-,红外与光学激射器,-,激光器的,起点,1960,年,梅曼,红宝石激光器,世界第一,用,Xe,灯泵浦,该领域的有关诺贝尔奖,1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的发明,1971:,Dennis Gabor,激光全息术,1981:,洛.布隆姆贝根,激光光谱学,1997:,朱隶文等三人,激光冷却和陷俘原子,朱隶文系美籍华人,1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究院院士,2005：,罗伊,格劳伯，,对光学相干的量子理论的贡献;,约翰,霍尔,、奥多尔,汉斯：,基于激光的精密光谱学研究,哈佛大学罗伊,格劳伯,（下图左）、科罗拉多大学约翰,霍尔,和德国路德维希-马克西米利安大学特奥多尔,汉斯,（下图右）。,激光的特性,方向性好,：,光束几乎在一条直线上传播,发散角几毫弧度,单色性好,:,He-Ne激光的谱线宽度约2X10,-9,nm,相干性好：,He-Ne的相干长度200Km，而普通光源中最好的氪灯为0.78m,高亮度：,普通激光的亮度比太阳高100亿倍,可调谐：,通过改变腔长可改变波长,可调制：,振幅、偏振方向及频率等参数可以调制（光通信采用）,能量可压缩：,激光脉冲的持续时间 可以短到皮秒、飞秒、阿秒,例：,红宝石激光器的工作原理,激光器的组成,1.工作物质;2.谐振腔;3.泵浦源,本实验室的,YAG,激光器的腔体结构图,激光技术的应用,测量：,测距，干涉计量法,加工：,焊接，,打孔,，,切割,，,雕刻,农业：,育种,医学：,美容，治疗近视眼，激光手术,军事：,能量武器，制导,信息处理：,信息存储与读取，激光打印，照排,通信：,光通信，光放大,科研应用：,高新技术的攻关,实例 1,激 光 切 缝,激光切割技术,：,与其它切割工艺相比，具有高速度、高精度和高适应性，割缝细、热影响区小（变形小）、切割端面质量好、切割无噪音、焊缝区组织和性能与母材接近等优点；而且，加工只需简单夹具，无需模具，可代替采用复杂模具冲切的加工方法，能够大大缩短生产周期，降低生产成本。例如可以对石油套管进行切缝；可以对金属管材、板材进行切割，利用激光切缝技术可以降低金刚石圆锯片工作过程中产生的严重噪声污染等。,激光淬火技术,：,又称激光相变硬化，是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。具有加热速度快、淬火硬度高、淬火部位可控、不需淬火介质等优点。,实例 2,激光淬火,实例3,激光打标与钻孔,激光打孔的典型值：,几十到200 um，最小25um,2000年以前全世界400多台激光钻孔设备 其中300台在日本,图：,激光打标（孔）,实 例 4,大幅面玻璃内雕,玻璃雕刻机,实例5,激光治疗仪,脉冲Ho:YAG激光治疗仪,（德国,0.8,m,3J,20Hz,光纤输出）,脉冲Er:YAG激光治疗仪,（美国,2.94,m,30w,2J,七关节输出）,波长为6705nm，功率连续可调，最大光纤末端输出功率2瓦,医用半导体激光,器,实例5,激光治疗仪,实例6,激光炸弹,1.光纤通信技术,Fiber Communication,Technology,History of Fiber Optics,Total Internal reflection is the basic idea of fiber optic,John Tyndall demonstration in 1870,历 史 回 顾,2000多年前:烽火台灯光、旗语,1880年:光电话无线光通信,1930年：提出光纤通信的想法,1966年：“光纤之父”高锟博士首次提出减少光纤损耗的思路。,1970年：贝尔研究所林严雄做出在室温下可连续工作的半导体激光器。,1970年：康宁公司的卡普隆(Kapron)作出损耗为20dB/km光纤。,1977年：芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。,瑞典皇家科学院2009年10月6日宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟（Charles K.Kao）以及美国科学家威拉德博伊尔（Willard S.Boyle）和乔治史密斯（George E.Smith）。,高锟博士获奖是由于研究光纤中的光传输和在光学通信领域的应用方面取得的开创性成就。两位美国科学家获奖是因为发明半导体成像器件，即CCD（电荷耦合器）。也是近年来做出重大应用价值技术发明成果的工程科学家获诺贝尔物理学奖事例。,早在1966年7月，高锟博士在英国电子工程学会年报发表“光频率的介质纤维表面波导”的论文,提出用石英基玻璃纤维进行长距离和大容量信息传输的通信原理，这是关于光纤应用的开创性和奠基性论文。因此，高锟博士被称为“光纤之父”。高锟博士获此殊荣，可谓名至实归。,在高锟预言的激发和推动下，很多公司投入光纤通信系统的研究。1970年，美国康宁公司的R.D.Maurer等人首次拉出了世界上第一根损耗低于20dB/km的光纤，为光信号的长距离传输奠定了现实基础。同年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后研制成功室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs半导体激光器，为光纤通信系统提供了一种实用化的光源。光纤技术和半导体激光器技术的突破解决了光通信的两个技术关键，即可以高速调制的相干光源和低损耗的光传输介质。从此，人类进入了光通信时代。,光纤通信的优点,通信容量大,中继距离长,不受电磁干扰,资源丰富,光纤重量轻、体积小,光纤通信的原理,光是,一种电磁波,可见光,350nm750nm,光纤通信所用的波长,8001600nm,光的反射、折射、全反射,电磁波谱,1,cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm ,波長,10,G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f(Hz),1.6,um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm,光通信使用范围,红外线,紫外线,光纤的衰减,光纤的衰减图,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm,OH-,OH-,OH-,第一窗口,第二窗口,第三窗口,衰减(dB/km),水峰值,6,5,4,3,2,1,How Does fiber optic transmit light,纤芯,包层,保护套,光纤通信系统,方框图：,信号,光发,射机,光源,中继器,检测器,光接,收机,信号,电E/光O转换,光纤,光O/电E转换,发送单元,传输单元,接收单元,连接器件,调制编码,解调解码,A Light Sources,LED(Light emitting diode),ILD(injection laser diode),Detectors,Detector is the receiving end of a fiber optic link.,There are two kinds of Detectors,PIN(Positive Intrinsic Negative),APD(Avalanche photo diodes),PIN,APD,常用连接器类型,SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack,Several applications of fiber optics,Configuration of a Fiber Optic Sensor System,致 谢,向文中引用的所有资料的作者致谢！,文中引用的资料的作者恕未一一列出。,报告中不当与错误，,请各位批评指正！,谢 谢!Thank You!,祝各位老师,快乐幸福！,万事如意！,