现代技术的前沿领域.doc

现代技术的前沿领域现代技术的前沿领域现代技术已发展成为一个庞大的复杂系统，主要由三大基本技术：即物质变化技术、能量转换技术和信息控制技术组成。物质、能量和信息构成了世界的三大要素，由此考察技术活动则可以从纷繁复杂的技术类别中发现其主要脉络。迄今尚无公认的技术分类标准，因而我仅就一些与日常生产和生活及人类的未来密切相关的现代技术前沿领域加以论述。这些技术主要有：信息技术(包括电子技术、光电子技术和计算机技术)、材料技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环境工程技术、海洋技术、空间技术等。一、信息技术(一)信息技术概论人类伊始就离不开信息活动，但作为一门科学，却始创于20世纪40年代后期。N.维纳指出：信息既不是物质、又不是能量，信息就是信息，即提出了信息是存在于客观世界的第三要素的著名论断。美国学者C.E.仙农创造了不同于先前所有物质单位体系的信息单位比特(Bit)，从而第一次系统地给出了信息的定量描述，并用数学公式把信息传递过程中的物质、能量和信息之间的相互作用和依存关系统一起来。维纳和仙农在物理性空间之外，又揭示出一个信息空间，这是人类认识史上一次重大的飞跃。信息的定义，至今众所不一。可以简单的理解为消息或信号，在信息论中，信息的定义则为信源的不确定度。它的意识是，如果某一信源只能产生一个消息，且始终不变，则说它发出的信息量等于零，实际上这便是从信息量的角度给信息的一种定义。信息技术指获取、传递、处理和利用信息的技术。如果从信息学的角度则可把信息技术分为信息获取技术、信息传递技术、信息处理技术、信息利用技术和信息技术的支撑技术。1.信息获取技术它包括信息测量、感知、采集和存储技术，特别是直接获取自然信息的技术。信息测量包括电与非电性信息的测量，如何把自然的电信号、磁信号，以及其他的非电磁性信号测量出来，这包括利用传感技术、接收技术等测量技术，这种测量本身实际上也包含着信息的转换，因为通常的测量过程，往往是把自然信息通过传感器转化成光的或电的信息，以便记录与存储。信息的存储主要包括典型的磁存储和光存储。信息的感知包括文字、图象、声音识别以及自然语言的理解等。信息的采集既包括上述用传感器方法进行采集(或测量)获取信息的方法，也包括对社会信息或机器信息的人工采集，即由人去直接感知和收集。2.信息传递技术它包括各种信息的发送、传输、接交、显示、记录技术，特别是人一机信息交换技术，这门技术的主体是通信技术。通信技术则包括电话(有线的或无线的)通讯、电报通信和网络通信等。从物理的角度而言，则可分为有线和无线电通信、声通信和光通信等。3.信息处理技术它包括各种信息的转换、加工、放大、增殖、滤波、提取和压缩技术，特别是数字信息处理与知识信息处理技术。这门技术的主体是计算机技术，包括计算机系统技术，软、硬件技术等。4.信息利用技术它包括利用信息进行控制、管理、指挥、决策等，特别是人一机协调的智能自动控制和管理技术。实际上，现代科学仪器中都配备有计算机系统，自控机床中也配备有专用计算机，这些都是实现信息利用的实例。此外，自动化管理系统，办公自动化系统则是计算机技术、通信技术、管理科学和行为科学等结合而成的一种信息利用技术。5.信息技术的支撑技术这是指实现信息技术所涉及的技术。当前信息技术的主要支撑技术是电子技术，特别是微电子技术，另一支撑技术则是激光技术，它与通信密切相关。当然，信息技术的支撑技术还包括一些其他方面，如激光信息技术、生物信息技术等。由于信息的获取、传递和利用及支撑技术都与计算机技术、电子技术、光电子技术等密切相关，下面我们将对上述三种技术分别予以阐述。(二)计算机技术计算机技术泛指计算机领域中所运用的技术，如计算机系统与网络技术，软、硬件技术等。由于计算机已被广泛应用，这里仅作简单论述。1.计算机的基本组成计算机是通用的信息处理工具，可以处理数据、文字、图形、图像、声音等多种类型的信息。当今计算机已进入处理多媒体信息的时代，它的输入和输出都可以采用声音、文字、图形和图像形式。计算机系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括输入、输出系统、存储系统、处理机子系统和通信子系统。软件部分包括操作系统、数据库管理系统、网络软件等各应用软件。大的计算机系统，如通信计算机系统可以包括许多处理机互联网形式构成，甚至一个系统可多达上万个子处理机。这样的计算机系统还需要配置许多外围设备，如磁盘机、光盘机等。2，计算机系统的分类计算机是按存储程序控制运行的。程序分许多指令，在执行时计算机将指令按一定顺序执行。在计算机中存在着两类信息流，即指令流和数据流。由此，计算机可分为：单指令流-单数据流SISD系统，个人用PC机就属此类；单指令流-多数据流SIMD系统，此类计算机系统主要用于专门数据处理(如科学计算等)；多指令流-多数据流MIMD系统，这类MIMD最简单的形式是主机-外围机系统，复杂形式是计算机网络系统。大规模并行处理MPP巨型机系统，一般采用SIMD和MIMD系统。3.计算机硬件技术计算机硬件包括输入设备、输出设备、存储器、处理机四大部分。输入设备包括文字与数字输入设备，如键盘输入设备、光学阅读机等；图形输人设备，如自动扫描仪，人工输入设备等。输出设备包括打印机、显示器、机电绘图仪等部分。存储器一般包括高速缓冲存储器(缓存)、主存储器和辅助存储器。主存储器一般由大规模储存成电路存储芯片构成，是由中央处理器直接随机存取的存储器。辅助存储器目前一般采用磁盘和光盘两种，此外还有磁带存储器，它的优点是可脱机保存数据。高速缓冲存储器是介于中央处理机和主存储器之间的，和主存储器一起构成的一级存储器。处理机是计算机的核心，它包括运算器、控制器、中断系统和通用寄存器和堆栈等。其中通用寄存器和堆栈指用于直接与运算器联系的最快速的小容量存储器，它是计算机中最高层次的存储器。4.计算机软件技术计算机软件指计算机系统中的程序和有关的文件。它可分为三类：系统软件、支援软件和应用软件。应用软件指应用领域的专用软件。支援软件是支援其他软件的编辑用软件，如绘图软件、程序编辑软件等。系统软件则与具体应用无关，如操作系统软件等。(三)光电技术在信息技术领域光电技术主要指光存储技术与光通信技术，这两种技术都是激光技术的应用，当然激光技术还有其他多种应用技术，如激光医疗、激光测距等。因此我们将对激光及上述两方面的应用进行论述。1.激光与激光器激光是原子受激发而辐射的光被放大而成，原来称为LASER音译莱塞，为揭示激光的物理本质，1964年经科学院讨论，定名为激光。激光与普通光相比，具有单色性(单波长)、方向性、高强度三大特征，这些特征决定了激光的强相干性。单色性决定了激光的时间相干性，方向性决定了激光的空间相干性。高强度又称高亮度，即激光容易通过聚焦而获得很细的光束，以至其亮度可高达太阳亮度的1014倍。正因为激光具有上述特征，才使得激光在众多领域中得到广泛应用。激光器有多种类型，按产生激光的材料可分类气体激光器、固体激光器、半导体激光器、固体可调谐激光器、自由电子激光器、化学激光器、X射线激光器及多级激光放大器。常见的氦一氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器为气体激光器；红宝石激光器、YAG激光器为固体激光器；目前讲课时用的激光指示器为半导体激光器，当前，激光器研制技术的前沿主要集中于三个方面：一是特大功率激光器的研制，即激光炮的研制，利用它可在瞬间摧毁导弹之类的飞行器。另一个前沿则是飞秒激光器或亚阿秒激光器的研制，即激光器的脉冲宽度在10-15秒(飞秒)数量级或更高。第三个前沿领域是X射线激光器的研制，由于X射线激光器的波长非常短，应用前景极为广阔，如生物活细胞的全息摄影、X射线显微镜、微探测等。X射线激光器属于激光家族的新成员和高贵阶层。2.光存储技术与光盘利用光子与物质的相互作用将各种信息，如图象、语言、文字等数据记录下来，需要时再将其读出的技术称为光存储技术。照相和电影是光学存储技术早期的伟大成就。20世纪80年代光子存储技术获得了突飞猛进的发展，其声盘(CD)、影碟(VCD)和多用途光盘(DVD)的问世是标志了光存储时代的到来。这是因为光存储器密度大、容量高，一张容量为47.5吉字节(4.7GB)的单面单层DVD可播放133分钟电影，相当于一部故事片。另外，光全息存储技术是容量更为巨大的研究和开放方向，光盘是面存储，全息存储器是体存储。光盘存储器是在光盘表面烧制出光斑制成的，光斑直径约为1微米，甚至一微米以下，所以光盘的存储量非常大，即一平方厘米的面积上就有108109个光斑(即记录点)。然而，全息存储器是体存储，每立方厘米可存储1012-1013个数据，这还是指在可见光波段而言。全息存储器还具有许多普通光盘所没有的优点，它不仅存储量巨大，而且存储信息不被丢失。即使某一部位有较大损伤也不会造成信息的丢失，这是因为它像全息照片一样，每一小块都保留着记录的全部信息，而且它是体存储，信息是在材料的内部记录的，因此不易因磨损而丢失。此外，全息存储的读、写速度极快，采用的是并行写入和读出方式。不同于光盘是串行写入与读出方式，每次只能读(写)一个记录，然后通过高速扫描提高读(写)速度。并行方式指一次便可读(写)许多记录，数据传输速率可达每秒109比特。但这种方法制作技术难度比光盘要大得多，目前尚达不到实际应用阶段，但它是光存储技术的发展方向，也是世界科研领域的一个研究热点，相信最近几年商业化气息存储器便会面世。3.光通信技术光通信是20世纪最伟大的科技成就之一。光通信的应用克服了电子通信的频带瓶颈，使超大容量太比特(1012比特)通讯成为现实。而超大容量通讯则是实施多媒体信息技术的保证。现在人们常说的信息高速公路的核心技术便是光通讯技术。现代光通讯技术依仗两项科技进步，一项是激光的发明，特别是半导体激光器的发明，它为光通讯技术解决了光源问题。另一项是光纤的发明，特别是20世纪80年代掺铒光纤放大器的问世，它为光信号直接放大，使超长距离通信中继技术既可靠又简单，从而将电子通信彻底挤出地面长距离通讯。光通信有六大特点。(1)极宽的通信带宽，可传送极巨大容量的信息，近以目前利用的近红外(波长为0.75-5m)、可见光(0.4-0.75m)和紫外(0.2-0.4m)波段光波而言，其通信容量应比微波(电通信使用的厘米波和毫米波)大上万倍以上。(2)光纤尺寸小，重量轻，方便运输和敷设。(3)传输损耗低，可长距离传输，并节省能源。(4)抗电磁干扰力强，既不怕对外部电磁干扰。(5)保密性能强，信号不会泄露，无法窃听。(6)节约有色金属，价格低廉。光纤通信原理与电子通信原理基本相似，不同之处在于它是以光波为信息载体并通过光纤传输的，其原理框图如图7-10所示。光通信技术是高技术，即存在一系列技术难题，也是光通信市场竞争中的主要问题。已经应用于光通信中的高性能半导体激光器的进一步研制和开发，光纤质量(色散影响的克服)的进一步提高等。4.激光的其它应用激光除上述重要应用外，在许多领域都有着广泛应用，下面简单介绍一些应用实例。激光加工：即主要利用激光的高强度、方向性好进行工业加工，如激光精密打孔，可打出极细、又深又直的孔，目前已打出直径仅为0.5微米的细孔；激光切割与裁剪，这种切割，切口极窄、可随意设计切割曲线、精度高、便于自动控制、无噪声；激光焊接不受材料限制，工艺精细，焊缝质量高；此外，激光还常用于雕刻、材料表面改性处理以及微电子技术和纳米材料技术等方面。激光医疗：包括激光手术刀的应用、激光心血管成形术、激光照射(治皮肤病和癌症)、激光针灸术、激光美容术等。(四)电子技术1.电子技术概论电子技术的物理基础是电子学，电子学的研究对象是关于电子(包括带电粒子)、电磁波，以及它们之间的相互作用的物理现象及规律。电磁波是获取信息的主要手段之一，更是远距离无线传输信息的惟一载体。电子信息技术是当今电子技术的最重要的方面。其中包括电子通讯技术和信息处理技术。电子通讯始于20世纪初，如电话、电报、广播、电视等。20世纪50年代，由于半导体晶体管和电子计算机的发明，以及大规模集成技术的发展，电子信息技术如虎添翼，得到了迅猛的发展和应用。90年代以后我国开始广泛应用的卫星电视、全球通移动电话等都属电子通信。信息处理的元器件不断更新换代，第一代为电真空器件(尺寸为厘米级)、第二代为晶体管(毫米级)、第三代为集成电路(微米级)、第四代为超大规模集成电路(亚微米级)、第五代将为分子电子器件和单元子操作技术(纳米级)。目前国际上已进入第四代，第五代尚处在科研探索之中，同时也是电子技术发展的前沿。电子元器件必须组装成各种电子电路才能应用，基本电子电路有：振荡器、放大器、调制器、解调器、变频器以及各种专用电路等。而复杂的电子系统如通信系统、计算机系统、自动控制系统、遥感遥测系统等则都是由基本电子电路组成的。总之，电子技术作为信息技术的物理和技术基础，它的发展速度。是惊人的，并深刻地影响着科学技术和社会的发展。2.基本电子元件和基本电路电子元器件是一个种类繁多的巨大家族。最重要和最常用的基本电子元件有：电阻器、电容器、电感器和变压器和各种电子管(即真空电子管)、晶体管等。基本电路包括：整流稳压电路、放大电路(或称放大器)、振荡器、调制器、解调器等。整流稳压电路：作用是将交流电转换成直流电并保持电压稳定，这是所有电子系统工作稳定的先决条件。放大器：作用是将输入信号的幅度或电压放大，它是所有电子系统中最重要的电路之一。目前多数为晶体管放大器，其核心是晶体三极管或场效应晶体管，常用三极管放大电路如图7-ll所示。振荡器：是将直流电能转换成交流电压或电流的幅度随时间周期性等幅度变化的交流电能的电路，利用振荡器可以产生正弦波、矩形波等电信号，其频率范围从音频一直覆盖到毫米波、亚毫米波。振荡器广泛应用于通信、广播、雷达、计算机和电子测量仪器中。调制器：在广播、通讯等系统中用来传送信息的电磁波一般频率很高，称为载波，即载有信号的电磁波，把信息载人载波的电路称为调制器。调制器分三种：(1)调幅器，它是使载波的振幅随信号变化；(2)调频器，它是使载波的瞬时频率随信号变化；(3)调相器是调制载波相位的电路。解调器：它的功能与调制器相反，它是把载入载波中的原信息提取出来的电路。3.主要的电子技术电子技术主要包括：半导体技术、集成电路技术等。半导体技术：半导体器件是20世纪40年代发展起来的，通常的半导体材料为元素周期表中第三和第五主族中的一些元素及其化合物，如锗、硅、砷化镓、磷化铟等。半导体器件则是用它们极高纯度(99.999 999%-99.999 999 9%)的晶体通过特殊掺杂制成PN结及其它结构而成，典型的半导体三极管结构如图7-12所示。除半导体三极管外，还有双极型晶体管、场效应晶体管、波二极管、雪崩二极管、变容二极管、半导体传感器、超导器件等多种元器件。在半导体技术的发展中，微型化是发展中的关键性问题之一，由此也发展微电子加工技术。把微电子加工技术与机械和自动控制技术相结合又发展起来一种微电子机械，据报道一些先进国家已经可以制造直径小于l毫米的微型机