11/09/2022，光纖在線訊    《光學(xué)與光子學(xué)-美國不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)》這本是是由美國國家科學(xué)院、國家科學(xué)研究委員會編制，經(jīng)中國科學(xué)技術(shù)部曹健林為首，聯(lián)合中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、吉林/長春理工/南開/東北師范/電子科技大學(xué)等人翻譯，于2015年科學(xué)出版社出版的。



本書主要論述了近15年來光學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域的科技進(jìn)步、隨之產(chǎn)生的技術(shù)機(jī)遇和美國視角下的世界技術(shù)前沿現(xiàn)狀，并提出了確保美國保持全球領(lǐng)先地位的建議。分別從通信、信息處理和數(shù)據(jù)存儲、國防與國家安全、能源、健康與醫(yī)療、先進(jìn)制造技術(shù)、先進(jìn)光子測量與應(yīng)用、戰(zhàn)略光學(xué)材料、顯示技術(shù)八方面技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析，總結(jié)研究成果、指出面臨的重大挑戰(zhàn)性問題，并給出相應(yīng)的建議。

原文編寫時間大概在2010年左右，經(jīng)過10多年的技術(shù)變革和應(yīng)用發(fā)展，書中提到的大部分前沿技術(shù)和重大成果已經(jīng)革新了，提到的挑戰(zhàn)性問題部分早已經(jīng)被突破，又出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)。變得是現(xiàn)狀，不變的是方向�，F(xiàn)在再看這本書，他對于光學(xué)和光子學(xué)在生活中不同領(lǐng)域的應(yīng)用做了比較全面的概括，對每項(xiàng)應(yīng)用未來發(fā)展的方向及存在的挑戰(zhàn)都做的分析和總結(jié)，并給出的重要指導(dǎo)意見，對我們?nèi)匀痪哂泻苤匾�的指示和參考價值，值得我們?nèi)プ屑?xì)閱讀。

讀了這本書，我對于光學(xué)和光子學(xué)的應(yīng)用有了更全面和深刻的了解，以前只熟悉光學(xué)在光通信和激光行業(yè)的應(yīng)用，顯然，現(xiàn)在光學(xué)和光子學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)的主角，普遍應(yīng)用到通信、信息處理和數(shù)據(jù)存儲、國防與國家安全、能源、健康與醫(yī)療、先進(jìn)制造技術(shù)、先進(jìn)光子測量與應(yīng)用、戰(zhàn)略光學(xué)材料、顯示技術(shù)等領(lǐng)域。廣泛的應(yīng)用對人類生活產(chǎn)生巨大影響,它與我們的日常生活息息相關(guān)。

我們普通的家庭生活中，用到的很多家電家具都是光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用的成果。我們使用的太陽能熱水器，利用太陽光的熱輻射來加熱水；我們使用的LED照明燈，是利用第四代綠色光源LED做成的一種照明燈具；我們使用的光貓，是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的收發(fā)通信設(shè)備；我們使用的智能家居，利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)對用品的控制。

每個人生病了都需要去醫(yī)院，光學(xué)技術(shù)在健康與醫(yī)療方面的應(yīng)用，改變了我們的生活方式，改變了我老舊的觀念。隨著科技進(jìn)一步發(fā)達(dá)，醫(yī)生的醫(yī)術(shù)越來越高明，但是讓我們納悶的是，只要有身體不適去醫(yī)院看病時，醫(yī)生都會開出很多檢查單子如B超、抽血檢查、CT或核磁共振，各項(xiàng)檢查費(fèi)用都不低。為什么明明是去找醫(yī)生看病，結(jié)果卻是找了一堆子儀器設(shè)備在給我們看病呢，一定是醫(yī)院為了掙錢唄。實(shí)質(zhì)上呢，這些現(xiàn)代化儀器，尤其是光學(xué)和光子學(xué)儀器的使用是必要的。一、利于主治醫(yī)生判斷，只依靠醫(yī)生判斷準(zhǔn)確率并不是100%，一旦出現(xiàn)診斷錯誤，就會耽誤病人的治療，借助一些儀器檢查，檢查結(jié)果比醫(yī)生的主觀想法更準(zhǔn)確和客觀，最大程度降低誤診率。比如因胸部疼痛進(jìn)入急診的病人幾乎無一例外地要接受CT或核磁共振的高分辨率三維掃描，掃描結(jié)果可幫助診斷突發(fā)心臟病、肺栓塞或中風(fēng)。二、有的疾病癥狀不是很典型，比如心肌梗死，胸骨劇烈疼痛是典型癥狀，然而不少人會出現(xiàn)不典型的表現(xiàn)，如下頜疼痛、后背痛和牙痛、腹部疼痛和左肩膀疼痛等，因此往往被人們所忽略。當(dāng)出現(xiàn)不明原因的癥狀時，必須依賴于一系列的檢查項(xiàng)目來明確診斷。三、某些疾病癥狀往往會偽裝，雖然癥狀像這個疾病，但經(jīng)過檢查后才發(fā)現(xiàn)是其他疾病。就拿便血來說，常常被認(rèn)為是痔瘡，不過極有可能是結(jié)直腸癌，必須進(jìn)行腸鏡檢查去排除。四，中西醫(yī)的區(qū)別，中醫(yī)講究望聞問切，每個醫(yī)生的方法不一樣，得出來的結(jié)論和治療方案也有很大差異，因此檢查相對來說比較簡單。西醫(yī)通過檢測數(shù)據(jù)來判斷疾病嚴(yán)重程度，根本沒有特殊的處理方法，只能通過多次檢查來準(zhǔn)確判斷，然后再制定合適的治療方案。總之，醫(yī)生猜測和儀器診斷缺一不可。大多數(shù)疾病通過一系列檢查后才能明確診斷，只要找出真正的背后原因，才能徹底治療或控制疾病，不僅僅節(jié)省治療費(fèi)用，而且也減輕身體承受的痛苦。以后，我們身體不適就醫(yī)時，一定要聽從醫(yī)生建議，不可太自我為中心。

這本書是由西安博高光電的周總推薦，我和劉博、周總、宋二彪（和心）四人以一個讀書小組分工的去讀的，我負(fù)責(zé)的是第五、六章，光學(xué)與光子學(xué)在能源、醫(yī)療與健康方面的應(yīng)用。以下是第五、六章的摘要。

第五章  能源
5.1引言：
太陽能有望產(chǎn)出數(shù)倍于目前和可見的未來美國消耗的電量，太陽能發(fā)電需要達(dá)到“電網(wǎng)平價”，才能與新型天然氣或煤發(fā)電相競爭，就能使國家整體經(jīng)濟(jì)收益。固態(tài)照明是照明領(lǐng)域的下一個發(fā)展方向，用于許多特殊用途并將迅速成為一般照明的新標(biāo)準(zhǔn)。

5.2太陽能發(fā)電：
太陽能發(fā)電作為一種可再生能源，可以實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立和環(huán)境穩(wěn)定，具有一次投入資金大，建成不需要像化石染料廠定期支付燃料費(fèi)用的特點(diǎn)。相較于其他技術(shù)，成本稍高，目前只能滿足能源需求的一小部分。太陽能發(fā)電在家庭用電，離網(wǎng)發(fā)電、大規(guī)模發(fā)電方面具有優(yōu)勢，在無法接入電網(wǎng)，不方便接入電網(wǎng)情形下，應(yīng)用變得十分普遍。當(dāng)前，大規(guī)模的太陽能發(fā)電場還不具備與其他能源相競爭的能力，趨勢是成本正在下降，可以合理預(yù)見，未來太陽能發(fā)電廠將成為具備成本競爭力的新型電廠。

太陽能技術(shù)主要分兩類：光伏（PV），太陽輻射直接轉(zhuǎn)化成電能；聚光太陽能發(fā)電（CSP），采用光學(xué)元件聚焦太陽能，通過加熱的液體驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。 

5.2.1 光伏系統(tǒng)              
盡管預(yù)計2010-2017年光伏裝機(jī)容量將快速增長至185000兆瓦，大部分位于歐洲，也只能滿足能源需求的一小部分，大規(guī)模普及的障礙就是比其他可替代能源昂貴，很大程度上依賴政府補(bǔ)貼和獎勵。

光伏太陽能技術(shù)演進(jìn)：
第一代硅電池技術(shù)：依賴硅（Si）PN結(jié)的光伏技術(shù)。轉(zhuǎn)換效率是所有技術(shù)中最高的（14%-22%）。預(yù)計2017年之前，仍將占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。推進(jìn)第一代電池的重點(diǎn)是：降低生產(chǎn)成本，難度大

第二代光伏技術(shù)：
太陽能電池由薄膜硅或其他沉積在玻璃或柔性襯底上的半導(dǎo)體構(gòu)成。這些薄膜雖沒有第一代裝置轉(zhuǎn)換效率高，但大幅度降低的生產(chǎn)成本，缺點(diǎn)是所用材料是稀有劇毒材料，是否會釋放到環(huán)境中有待測試

第三代聚光光伏技術(shù)：
是一種替代方式，利用不太昂貴的光學(xué)系統(tǒng)將光聚集在高效光伏電池的一小塊面積，較少所需的光伏材料：必須將太陽能電池板放在太陽能跟蹤器上，精確對準(zhǔn)太陽，受限制的光接收角度決定系統(tǒng)只能捕捉直射的陽光（陰天不起作用）

5.22 聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)：
是替代光伏發(fā)電的一種方式，能有效存儲能量，加熱的中間介質(zhì)可以存儲能量并在需要的時候使用，不需要電池，能量轉(zhuǎn)換效率和光伏發(fā)電媲美，主要缺點(diǎn)需要存儲產(chǎn)生的電能。

聚光太陽能系統(tǒng)有效的形式包括：拋物面槽式聚光器，以油做中間介質(zhì)；太陽能塔，以熔融鹽做中間介質(zhì)，吸收能量被加熱高達(dá)1000度，用于發(fā)電，溫差大，效率高于普通槽型技術(shù)；
碟式聚光器，原理和太陽能發(fā)電塔類似，可以縮至小單元的新興技術(shù)。

5.23 混合系統(tǒng)
關(guān)于集成CPV和CSP系統(tǒng)的研究正在進(jìn)行之中，混合系統(tǒng)的設(shè)計空間還有待開發(fā)。

5.24 與現(xiàn)有和潛在的其他燃料來源相比，太陽能發(fā)電的平準(zhǔn)化成本展望
最有可能率先將太陽能大電廠大規(guī)模投入商用的是太陽輻射多且其他能源貴的地方。經(jīng)各種太陽能技術(shù)在最佳地點(diǎn)下的預(yù)計平準(zhǔn)化能源成本預(yù)測，表明許多太陽能技術(shù)具備與傳統(tǒng)能源相競爭的潛力。

5.3固態(tài)照明
照明演進(jìn)：從白熾燈（主要將輸入能量轉(zhuǎn)化為紅外輻射或熱能，不是可見光）到熒光燈（比白熾燈效率高，需要幾分鐘時間才能達(dá)到全亮度，顏色平衡也是一個問題）到汞蒸氣和鈉蒸汽燈（汞啟動時間長，有毒性，禁用；鈉燈光譜顏色不被人們喜歡）到固態(tài)照明LED，LED燈具有使用范圍廣，耐用（交通信號，汽車燈）、光效高的特點(diǎn)，但是，LED生產(chǎn)難以擴(kuò)大規(guī)模，成本非常高。

5.4 研究成果
大規(guī)模的太陽能發(fā)電正取得空前的進(jìn)步，以求實(shí)現(xiàn)與化石燃料發(fā)電平價的成本目標(biāo)，成本平價將分階段執(zhí)行；
如果能實(shí)現(xiàn)成本平價，太陽能發(fā)電將成為最具吸引力的新型發(fā)電途徑；
有陽光直射的地區(qū)，最佳聚光方式是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效太陽能發(fā)電廠的關(guān)鍵；
固態(tài)照明正在效率，亮度，色平衡和成本方面實(shí)現(xiàn)重大進(jìn)步。

5.5 建議和重大挑戰(zhàn)性問題 
重要建議：能源部應(yīng)該在2020年之前在全美范圍內(nèi)制定電網(wǎng)評價計劃（在沒有補(bǔ)貼情況下）；
美國能源部應(yīng)大力鼓勵開發(fā)高效發(fā)光二極管（LED）以用于通用照明和其他應(yīng)用；

第六章  健康與醫(yī)療
6.1 引言
在開發(fā)和引進(jìn)創(chuàng)新醫(yī)療儀器中，光子學(xué)技術(shù)扮演著重要角色，提供行之有效且最低成本的方法用于診斷、治療和疾病預(yù)防，保持公民健康。
光子生物學(xué)主要研究光（電磁輻射）與生物機(jī)體和生物活性大分子如，蛋白質(zhì)（血紅蛋白），核酸（DNA）和代謝產(chǎn)物之間的相互作用。
光與生物材料和生物體以不同的方式相互作用，相互作用取決于光子的能量或顏色

6.2 技術(shù)對醫(yī)學(xué)影響之歷史概況
考慮到醫(yī)生主要依靠視覺進(jìn)行診斷，書中認(rèn)為光學(xué)和成像在改善醫(yī)療保健中起到了關(guān)鍵性作用。
除了讓醫(yī)生看到肉眼看不到的東西之外，最先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)還提高了檢測的靈敏度和指向性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了醫(yī)生的味覺，嗅覺，聽覺和觸覺的能力范圍。

6.3 現(xiàn)代醫(yī)療實(shí)踐中的光學(xué)和光子學(xué)
CT和核磁共振成像，高分辨率三維掃描：結(jié)果幫助診斷突發(fā)心臟病、肺栓塞或中風(fēng)等
利用光子，人體組織結(jié)構(gòu)對一定波長的光子是完全透明的，從而能形成全面、高分辨率的三維解剖學(xué)圖像。 CT利用X射線光子，核磁共振利用射頻光子；
新型激光技術(shù)提供一種快速識別藥物的方法：激光激發(fā)藥片，與數(shù)據(jù)庫中藥物光譜比對，確定藥物主要成分；
利用發(fā)光二極管和固態(tài)探測器開發(fā)出一次性光學(xué)探頭，精確的測量血液中氧含量，在手術(shù)中反饋患者的情況；
內(nèi)窺鏡提供器官近攝圖，小切口實(shí)施激光手術(shù)，或篩查結(jié)腸診斷食道癌的醫(yī)療方法；
監(jiān)測慢性病和用于門診手術(shù)（眼科激光手術(shù)；
其他用處。

6.4 技術(shù)進(jìn)步拓展光子學(xué)的新應(yīng)用
技術(shù)進(jìn)步拓展光子學(xué)新應(yīng)用：基因測序

6.5 技術(shù)進(jìn)步為光子學(xué)在未來應(yīng)用提供契機(jī)
技術(shù)進(jìn)步極大地拓展了生物醫(yī)學(xué)光學(xué)儀器的使用功能，新型光源和光學(xué)材料、成像設(shè)備、微流體技術(shù)及檢測方法，都將明顯提高生物醫(yī)學(xué)光學(xué)儀器的測量速度、靈敏度和精確度
1、核酸序列檢測和突變檢測
2、通過蛋白質(zhì)和組織陣列進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析
3、高通量篩選技術(shù)
4、流式細(xì)胞術(shù)質(zhì)譜分析
5、眼科學(xué)：采用光學(xué)相干斷層掃描（OCT），一種顯微鏡激光雷達(dá)成像技術(shù)，進(jìn)行激光外科手術(shù)或病情診斷
6、圖像引導(dǎo)外科手術(shù)技術(shù)：固態(tài)腫瘤手術(shù)切除，完全切除腫瘤又能維持周圍組織的完整性和功能，在兩者間權(quán)衡
7、雙能CT和定量圖像分析
8、生物醫(yī)學(xué)光學(xué)對干細(xì)胞的研究

6.6 研究成果
光學(xué)儀器將作為主要技術(shù)，促使我們在免疫系統(tǒng)的認(rèn)知方面取得進(jìn)步；
顯微成像技術(shù)將提供重要的無損傷方法檢測干細(xì)胞衍生組織的成長過程，有助于確保移植的安全性和有效性；
采用固態(tài)光源和探測器的光學(xué)技術(shù)與微流體技術(shù)相結(jié)合，提供自動化、低成本、便攜式的醫(yī)療設(shè)備；
自動圖像分析軟件能從新一代成像儀器獲得三維無損影像數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征的可靠定量測定值，從而提高診斷的可靠性，縮短時間，降低成本；

6.7 建議
工業(yè)界、醫(yī)療診斷、保健行業(yè)、軟件和信息技術(shù)行業(yè)、儀器行業(yè)等都應(yīng)和學(xué)術(shù)界及政府合作，共同推動技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用。