光信息科学与技术导论

1、光信息科学与技术导论 曾经的无知少年，如今的有志青年，曾经的我怀着一颗“十年寒窗苦读，一心只为功名”的心，曾经梦想着“春风得意马蹄疾，一日看尽长安花”的美好场景，也许10年对我们这群孩子来说很不平凡，因为从此我们摆脱了高考的压力，飞出了父母的羽翼，开始了我们的大学生活，都来到了北京信息科技大学光信息科学与技术专业。（一）专业认识、发展、应用与就业前景光信息科学与技术是理学/工学（与学校分科方向有关）学科的一类，其培养目标是具有扎实的数学、物理、电子和计算机的基础知识，系统地掌握光学信息处理技术、现代电子学技术和计算机应用技术的基本技能，能在光通信、光学信息处理、以及相关的电子信息科学、计算机科

2、学等信息技术领域、特别是光机电算一体化产业从事科学研究、产品设计和开发、生产技术或管理的面向二十一世纪的高级专门人才。知识技能要求：掌握数学、物理等方面的基本理论和基本知识；掌握光信息科学的基本知识和基本实验技能；了解相近专业的一般原理和知识；熟悉国家信息产业政策及国内外有关知识产权的法律法规；了解光信息科学与技术的理论前沿、应用前景和最新发展动态，以及信息产业发展状况；掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力。中国的光学与光电子材料研究已进入应用和产业化的发展阶段。其中主要有以下几

3、个方面：在半导体光电子材料3方面：在中国，用于集成电路（IC）和太阳能电池单晶硅（Si）年产量约为400吨。用于光电子器件的GaAs单晶、用于LED和LD的InP单晶和用于红、绿色LED的GaP芯片材料已实用化。用于蓝光LD和蓝、绿光LED和GaN、SiC等宽禁带半导体材料正在研发中。在激光晶体材料方面：华北光电技术研究所研制的Nd:YAG晶坯性能指标达到国际先进水平。华博技术有限公司的YAG激光棒年批量生产能力为3000根。中国已成为矾酸钇（YVO4）晶体的生产出口大国。中国科学院福建物质结构研究所研制成大尺寸YVO4单晶，并加工成偏振晶体器件。北京烁光特晶体科技有限公司已建成年产200公斤

4、YVO4 单晶生产线。上海光机所研制的掺钛蓝宝石激光晶体也已经出口美国、日本、俄罗斯等国家。中国研制的Nd:YAG和Nd:YVO4激光晶体，其主要技术指标达到国际先进水平，出口产品数量约占国际市场1/3。在非线性光学晶体方面：中国研制的偏硼酸钡（BBO）、三硼酸锂（LBO）等优质的非线性光学材料，系国际首创，用于激光光源在可见光区的频率转换。用于激光倍频、光参量振荡、电光调Q和声光、电光器件的铌酸锂（LN）单晶中国的年生产能力约为10 吨。在光纤光缆方面，光电子材料发展的重点为：高功率、可调谐、LD泵浦和新波长激光晶体等；超高亮度（LED）、半导体激光器（LD）用GaAs,Gap,GaN基外延

5、材料等；STN，TFT显示器用液晶材料等；用于密集波分复系统的G.655非零色散位移光纤及大尺寸光纤预制棒等。在元器件发展应用尤为典型包括：光学仪器，光电检测仪器，光学遥感、遥测仪器，机器人视觉，光学检测和测量、夜视和侦察，微光夜视仪，红外夜视仪，高分辨率的成像卫星，侦察相机，高灵敏探测器平面阵列（FRA)，快速三维模型测量；计量学（定位，位置，线度，准直)；机器视觉（特征，方位和缺陷）；光学传感器（成分，温度，PH值探测等）。（1）光通信与光纤传感器件（光电传感技术、光纤通信原理与技术、光通信实验等）这里可包括光纤光缆，光电子材料，集成光电子器件，光电元、器件，光纤通信器件（光纤无源器件，光

6、纤有源器件），光纤传感器件，光纤激光器，光端机，光纤通讯机及设备，光纤数据传输设备；光纤陀螺仪；光纤控制的相控阵雷达，光纤地面和卫星通信系统等等。中国现有光纤通信企业320余家，其中光纤光缆193家，光电器件46家，光缆材料和配套件企业22家，通信专用仪表9家，光通信传输设备50家。产值240亿元，销售额262亿元。“十五”期间中国光通信产业发展重点为光传输、光接入、光传送网产品、光纤光缆和光电器件五个方面。（2）激光器件及应用（光学、物理光学、非线性光学、激光原理和技术、光信息处理等）包括激光器件（光纤，半导体、固体、气体、准分子及其它），激光加工，激光全息，激光医疗仪器，激光测距，激光雷达

7、，激光跟踪，激光制导，光学陀螺仪，交通控制系统，光导航设备与系统，目标指示器，干扰发射机和通信设备等。中国从事激光技术研究、激光应用产品研制生产的单位约有400余家（不含激光音像设备生产单位），全国激光产品市场年销售额约为32.4亿元人民币（此数据不包括激光音像设备、激光通信工程、激光条码检测及激光二次效益如激光医疗收入等）。（3）光信息输入与存贮（电工电子技术、计算机技术、光学基础）随着计算机、网络技术和数字媒体技术的发展，光输出入类设备，如扫描仪、打印机、复印机、传真机和数码相机等办公自动化设备，以及光存储类产品，如CD-ROM、CD-RW和DVD-ROM光盘机，以及记录用的CD-R 光盘

8、机和可重复读写型的CD-RW 光盘机，迅速地进入了人们的生活和工作。各种新型的办公消费、娱乐类的光电产品将成为21世纪人们生活中的必需品。就业前景：全世界光电子技术产业的市场规模己达1万亿美元。国外光电子产业主要在美国、西欧和日本。中国的光电子技术产品市场的年增长率，始终保持在两位数的高速增长势头。随着信息光电子技术、激光加工技术、激光医疗与光子生物学、激光全息、光电传感、显示技术等光电技术的快速发展以及光电科技与数字技术、多媒体技术、机电技术等领域的结合与渗透，中国已经形成以下市场可观、发展潜力巨大的光电子产业。（二）专业所学知识主干课程：高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、大学

9、物理实验、工程制图、精密机械设计基础、复变函数与积分变换，应用光学，电路分析、模拟电子技术、信号与系统，波动光学，现在光学实验，数字电子技术、软件技术基础，数字信号处理、数字图像处理技术、信息光学、光学设计、激光原理与应用、传感技术、通信原理、单片机原理与应用、光存储与显示、现代电子技术、光电检测技术、光纤通信等。（三）对专业所学知识的认识与感想谈谈自己对信号与系统的认识，时间函数x(t)及自变量代表时间的离散序列x(n)是信号的时域的基本表示方式。此外，无论是连续信号还是离散序列，都可以在频域中用它的傅里叶变换（即频谱函数）表示，也可以在“复频域”中用相应的拉普拉斯变换或z变换表示。与此对应

10、，连续或离散系统的特性可在时域中用微分方程或差分方程描述，也可分别用冲激响应h(t)或h（n）描述；或频域中用频率响应H(j)、H（ej）或传递函数H(s)、H(z)描述。研究在给定的激励下通过系统的响应，可以在时域下用解微分方程或差分方程的方法，或通过激励信号与冲激响应的卷积进行，也可以在频域下，分别将连续信号或离散序列的傅里叶变换、拉普拉斯变换或z变换与系统的频率响应或传递函数相乘，得出响应的傅里叶变换、拉普拉斯变换或z变换，再进行反变换。就得到了以时间函数或离散序列表示的响应。谈谈对数字电子技术的认识，数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，.逻辑门电路组合和时序电路

11、的分析和设计、集成芯片各脚功能。555定时器等。 随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，我们可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。自20世纪70年代开始，这种用数字电路处理模拟信号的所谓“数字化”浪潮已经席卷了电子技术几乎所有的应用领域。模拟信号有无穷多种可能的波形，同一个波形稍微变化就成了另一种波形，而数字信号只有两种波形（高电平和低电平），这就为信号的接收与处理提供了方便。模拟信号由于它的多变性极容易受到干扰，其中包括来自信道的

12、和电子器件的干扰，模拟器件难以保证高的精度（如放大器有饱和失真、截止失真、交越失真，集成电路难免有零点漂移）。而数字电路中有限的波形种类保证了它具有极强的抗干扰性，受扰动的波形只要不超过一定门限总能够通过一些整形电路（如斯密特门）恢复出来，从而保证了极高的准确性和可信性，而且基于门电路、集成芯片所组成的数字电路也简单可靠、维护调度方便，很适合于信息的处理。谈谈对光纤通信技术的认识，光导纤维通信简称光纤通信，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。纤由纤芯，包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微

13、米，中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同，从而实现光信号在纤芯内的全反射也就是光信号的传输，涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分：光纤光缆技术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。谈谈对应用光学的认识，应用光学的传统概念是指经过光学仪器（望远镜、显微镜、照相机、投影仪）等光学系统的理论与设计，它的内容主要是几何光学和波动光学。随着光学学科的飞速发展，如激光的出现及其广泛的应用，光纤通信和光电子成像技术的发展，光学与计算机技术的结合等都使光

14、学仪器经历着由传统到现代的巨大转变。作为光学工程基础的应用光学其内涵也在扩展，它正逐步涵盖了某些现代光学的基础内容。1是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。谈谈对物理光学的认识，光学中研

15、究光的属性和光在媒质中传播时各种性质的学科。以光是一种波动为基础的物理光学，称为波动光学；以光是一种粒子为基础的物理光学，称为量子光学。本书以光的波动性为主要研究对象，从电磁波理论和傅里叶分析两个角度，研究光的传播、干涉、衍射、偏振性质，以及光的信息处理。在这些经典内容的编排上，力求结构合理、铺垫充分、线索清晰。除了基础内容外，还适当增加了光压、光子晶体、干涉条纹分析等，以反映科学研究和工程应用中的热点问题。在物理光学中，认为光是一种电磁波。在光的电磁场理论基础上，研究光在介质中的传播规律，如光的干涉、光的衍射、光的偏振等物理现象，进而研究这些规律和现象的应用。它是一门经典理论与近代技术相结合的应用性很强的课程。谈谈对激光原理及应用的认识，激光原理及应用主要介绍了激光发展简史及激光的特性，激光产生的基本原理，光学谐振腔与激光模式，高斯光束，激光工作物质的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制