光学技术已经成为现代应用技术的主角 ——《光学与光子学》读书摘要

11/09/2022，光纤在线讯    《光学与光子学-美国不可或缺的关键技术》这本是是由美国国家科学院、国家科学研究委员会编制，经中国科学技术部曹健林为首，联合中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、吉林/长春理工/南开/东北师范/电子科技大学等人翻译，于2015年科学出版社出版的。



本书主要论述了近15年来光学与光子学领域的科技进步、随之产生的技术机遇和美国视角下的世界技术前沿现状，并提出了确保美国保持全球领先地位的建议。分别从通信、信息处理和数据存储、国防与国家安全、能源、健康与医疗、先进制造技术、先进光子测量与应用、战略光学材料、显示技术八方面技术应用进行分析，总结研究成果、指出面临的重大挑战性问题，并给出相应的建议。

原文编写时间大概在2010年左右，经过10多年的技术变革和应用发展，书中提到的大部分前沿技术和重大成果已经革新了，提到的挑战性问题部分早已经被突破，又出现了新的挑战。变得是现状，不变的是方向。现在再看这本书，他对于光学和光子学在生活中不同领域的应用做了比较全面的概括，对每项应用未来发展的方向及存在的挑战都做的分析和总结，并给出的重要指导意见，对我们仍然具有很重要的指示和参考价值，值得我们去仔细阅读。

读了这本书，我对于光学和光子学的应用有了更全面和深刻的了解，以前只熟悉光学在光通信和激光行业的应用，显然，现在光学和光子学技术已经成为现代应用技术的主角，普遍应用到通信、信息处理和数据存储、国防与国家安全、能源、健康与医疗、先进制造技术、先进光子测量与应用、战略光学材料、显示技术等领域。广泛的应用对人类生活产生巨大影响,它与我们的日常生活息息相关。

我们普通的家庭生活中，用到的很多家电家具都是光学技术的应用的成果。我们使用的太阳能热水器，利用太阳光的热辐射来加热水；我们使用的LED照明灯，是利用第四代绿色光源LED做成的一种照明灯具；我们使用的光猫，是将光信号转换成电信号的收发通信设备；我们使用的智能家居，利用光电传感器实现对用品的控制。

每个人生病了都需要去医院，光学技术在健康与医疗方面的应用，改变了我们的生活方式，改变了我老旧的观念。随着科技进一步发达，医生的医术越来越高明，但是让我们纳闷的是，只要有身体不适去医院看病时，医生都会开出很多检查单子如B超、抽血检查、CT或核磁共振，各项检查费用都不低。为什么明明是去找医生看病，结果却是找了一堆子仪器设备在给我们看病呢，一定是医院为了挣钱呗。实质上呢，这些现代化仪器，尤其是光学和光子学仪器的使用是必要的。一、利于主治医生判断，只依靠医生判断准确率并不是100%，一旦出现诊断错误，就会耽误病人的治疗，借助一些仪器检查，检查结果比医生的主观想法更准确和客观，最大程度降低误诊率。比如因胸部疼痛进入急诊的病人几乎无一例外地要接受CT或核磁共振的高分辨率三维扫描，扫描结果可帮助诊断突发心脏病、肺栓塞或中风。二、有的疾病症状不是很典型，比如心肌梗死，胸骨剧烈疼痛是典型症状，然而不少人会出现不典型的表现，如下颌疼痛、后背痛和牙痛、腹部疼痛和左肩膀疼痛等，因此往往被人们所忽略。当出现不明原因的症状时，必须依赖于一系列的检查项目来明确诊断。三、某些疾病症状往往会伪装，虽然症状像这个疾病，但经过检查后才发现是其他疾病。就拿便血来说，常常被认为是痔疮，不过极有可能是结直肠癌，必须进行肠镜检查去排除。四，中西医的区别，中医讲究望闻问切，每个医生的方法不一样，得出来的结论和治疗方案也有很大差异，因此检查相对来说比较简单。西医通过检测数据来判断疾病严重程度，根本没有特殊的处理方法，只能通过多次检查来准确判断，然后再制定合适的治疗方案。总之，医生猜测和仪器诊断缺一不可。大多数疾病通过一系列检查后才能明确诊断，只要找出真正的背后原因，才能彻底治疗或控制疾病，不仅仅节省治疗费用，而且也减轻身体承受的痛苦。以后，我们身体不适就医时，一定要听从医生建议，不可太自我为中心。

这本书是由西安博高光电的周总推荐，我和刘博、周总、宋二彪（和心）四人以一个读书小组分工的去读的，我负责的是第五、六章，光学与光子学在能源、医疗与健康方面的应用。以下是第五、六章的摘要。

第五章  能源
5.1引言：
太阳能有望产出数倍于目前和可见的未来美国消耗的电量，太阳能发电需要达到“电网平价”，才能与新型天然气或煤发电相竞争，就能使国家整体经济收益。固态照明是照明领域的下一个发展方向，用于许多特殊用途并将迅速成为一般照明的新标准。

5.2太阳能发电：
太阳能发电作为一种可再生能源，可以实现能源独立和环境稳定，具有一次投入资金大，建成不需要像化石染料厂定期支付燃料费用的特点。相较于其他技术，成本稍高，目前只能满足能源需求的一小部分。太阳能发电在家庭用电，离网发电、大规模发电方面具有优势，在无法接入电网，不方便接入电网情形下，应用变得十分普遍。当前，大规模的太阳能发电场还不具备与其他能源相竞争的能力，趋势是成本正在下降，可以合理预见，未来太阳能发电厂将成为具备成本竞争力的新型电厂。

太阳能技术主要分两类：光伏（PV），太阳辐射直接转化成电能；聚光太阳能发电（CSP），采用光学元件聚焦太阳能，通过加热的液体驱动涡轮机发电。 

5.2.1 光伏系统              
尽管预计2010-2017年光伏装机容量将快速增长至185000兆瓦，大部分位于欧洲，也只能满足能源需求的一小部分，大规模普及的障碍就是比其他可替代能源昂贵，很大程度上依赖政府补贴和奖励。

光伏太阳能技术演进：
第一代硅电池技术：依赖硅（Si）PN结的光伏技术。转换效率是所有技术中最高的（14%-22%）。预计2017年之前，仍将占据领导地位。推进第一代电池的重点是：降低生产成本，难度大

第二代光伏技术：
太阳能电池由薄膜硅或其他沉积在玻璃或柔性衬底上的半导体构成。这些薄膜虽没有第一代装置转换效率高，但大幅度降低的生产成本，缺点是所用材料是稀有剧毒材料，是否会释放到环境中有待测试

第三代聚光光伏技术：
是一种替代方式，利用不太昂贵的光学系统将光聚集在高效光伏电池的一小块面积，较少所需的光伏材料：必须将太阳能电池板放在太阳能跟踪器上，精确对准太阳，受限制的光接收角度决定系统只能捕捉直射的阳光（阴天不起作用）

5.22 聚光太阳能发电系统：
是替代光伏发电的一种方式，能有效存储能量，加热的中间介质可以存储能量并在需要的时候使用，不需要电池，能量转换效率和光伏发电媲美，主要缺点需要存储产生的电能。

聚光太阳能系统有效的形式包括：抛物面槽式聚光器，以油做中间介质；太阳能塔，以熔融盐做中间介质，吸收能量被加热高达1000度，用于发电，温差大，效率高于普通槽型技术；
碟式聚光器，原理和太阳能发电塔类似，可以缩至小单元的新兴技术。

5.23 混合系统
关于集成CPV和CSP系统的研究正在进行之中，混合系统的设计空间还有待开发。

5.24 与现有和潜在的其他燃料来源相比，太阳能发电的平准化成本展望
最有可能率先将太阳能大电厂大规模投入商用的是太阳辐射多且其他能源贵的地方。经各种太阳能技术在最佳地点下的预计平准化能源成本预测，表明许多太阳能技术具备与传统能源相竞争的潜力。

5.3固态照明
照明演进：从白炽灯（主要将输入能量转化为红外辐射或热能，不是可见光）到荧光灯（比白炽灯效率高，需要几分钟时间才能达到全亮度，颜色平衡也是一个问题）到汞蒸气和钠蒸汽灯（汞启动时间长，有毒性，禁用；钠灯光谱颜色不被人们喜欢）到固态照明LED，LED灯具有使用范围广，耐用（交通信号，汽车灯）、光效高的特点，但是，LED生产难以扩大规模，成本非常高。

5.4 研究成果
大规模的太阳能发电正取得空前的进步，以求实现与化石燃料发电平价的成本目标，成本平价将分阶段执行；
如果能实现成本平价，太阳能发电将成为最具吸引力的新型发电途径；
有阳光直射的地区，最佳聚光方式是实现大规模高效太阳能发电厂的关键；
固态照明正在效率，亮度，色平衡和成本方面实现重大进步。

5.5 建议和重大挑战性问题 
重要建议：能源部应该在2020年之前在全美范围内制定电网评价计划（在没有补贴情况下）；
美国能源部应大力鼓励开发高效发光二极管（LED）以用于通用照明和其他应用；

第六章  健康与医疗
6.1 引言
在开发和引进创新医疗仪器中，光子学技术扮演着重要角色，提供行之有效且最低成本的方法用于诊断、治疗和疾病预防，保持公民健康。
光子生物学主要研究光（电磁辐射）与生物机体和生物活性大分子如，蛋白质（血红蛋白），核酸（DNA）和代谢产物之间的相互作用。
光与生物材料和生物体以不同的方式相互作用，相互作用取决于光子的能量或颜色

6.2 技术对医学影响之历史概况
考虑到医生主要依靠视觉进行诊断，书中认为光学和成像在改善医疗保健中起到了关键性作用。
除了让医生看到肉眼看不到的东西之外，最先进的光学技术还提高了检测的灵敏度和指向性，远远超出了医生的味觉，嗅觉，听觉和触觉的能力范围。

6.3 现代医疗实践中的光学和光子学
CT和核磁共振成像，高分辨率三维扫描：结果帮助诊断突发心脏病、肺栓塞或中风等
利用光子，人体组织结构对一定波长的光子是完全透明的，从而能形成全面、高分辨率的三维解剖学图像。 CT利用X射线光子，核磁共振利用射频光子；
新型激光技术提供一种快速识别药物的方法：激光激发药片，与数据库中药物光谱比对，确定药物主要成分；
利用发光二极管和固态探测器开发出一次性光学探头，精确的测量血液中氧含量，在手术中反馈患者的情况；
内窥镜提供器官近摄图，小切口实施激光手术，或筛查结肠诊断食道癌的医疗方法；
监测慢性病和用于门诊手术（眼科激光手术；
其他用处。

6.4 技术进步拓展光子学的新应用
技术进步拓展光子学新应用：基因测序

6.5 技术进步为光子学在未来应用提供契机
技术进步极大地拓展了生物医学光学仪器的使用功能，新型光源和光学材料、成像设备、微流体技术及检测方法，都将明显提高生物医学光学仪器的测量速度、灵敏度和精确度
1、核酸序列检测和突变检测
2、通过蛋白质和组织阵列进行蛋白质组学分析
3、高通量筛选技术
4、流式细胞术质谱分析
5、眼科学：采用光学相干断层扫描（OCT），一种显微镜激光雷达成像技术，进行激光外科手术或病情诊断
6、图像引导外科手术技术：固态肿瘤手术切除，完全切除肿瘤又能维持周围组织的完整性和功能，在两者间权衡
7、双能CT和定量图像分析
8、生物医学光学对干细胞的研究

6.6 研究成果
光学仪器将作为主要技术，促使我们在免疫系统的认知方面取得进步；
显微成像技术将提供重要的无损伤方法检测干细胞衍生组织的成长过程，有助于确保移植的安全性和有效性；
采用固态光源和探测器的光学技术与微流体技术相结合，提供自动化、低成本、便携式的医疗设备；
自动图像分析软件能从新一代成像仪器获得三维无损影像数据中提取关键特征的可靠定量测定值，从而提高诊断的可靠性，缩短时间，降低成本；

6.7 建议
工业界、医疗诊断、保健行业、软件和信息技术行业、仪器行业等都应和学术界及政府合作，共同推动技术进步和应用。