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第10章 科学发现与技术发明概述(8)

1946年英国曼彻斯特大学开始建造直径66.5m的固定抛物面射电望远镜;1955年建成当时世界上最大的76m直径的可转抛物面射电望远镜。1962年Ryle发明了综合孔径射电望远镜并获得了1974年诺贝尔物理学奖。20世纪60年代末至70年代初,一方面不仅建成了一批技术上成熟、有很高灵敏度和分辨率的综合孔径射电望远镜,还发明了有极高分辨率的现代射电望远镜;另一方面,还在计算技术基础上改进了经典射电望远镜天线的设计,使得灵敏度、分辨率和观测波段都大大超过了以往的望远镜。其中,美国的超常基线阵列(VLBA)由10个抛物天线组成,横跨从夏威夷到圣科洛伊克斯8000km的距离,其精度是哈勃太空望远镜的500倍,是人眼的60万倍。它所达到的分辨率相当于让一个人站在纽约看洛杉矶的报纸。为了揭开宇宙深处的奥秘,美国在1962年策划了“空间望远镜”的研制。1990年4月25日,航天飞机“发现号”将“哈勃”空间光学望远镜发射进入太空轨道。空间望远镜避免了大气对天文观测的干扰,可以看到比地面望远镜远7倍的深空、弱50倍的恒星及扩展350倍宇宙空间,其灵敏度和分辨率比地面望远镜强10倍,可为天文学家发现地面无法观测到的天体现象。

3.光能利用技术

虽然人们早就知道,太阳一出身上暖洋洋,但是人们把光作为一种能量进行利用的技术却是比较晚的事。光能利用技术主要是太阳能利用技术,其次,随着激光的出现,在生产加工、医疗以及军事等领域开始利用激光光能。到目前为止,人类对于光能的利用仍然远不及电能、机械能的利用那样广泛。

据记载,人类对太阳能的利用早在三千多年前就开始了。但将太阳能作为一种动力的能源加以利用,只有三百多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”,“未来能源结构的基础”,则是近年来的事。

自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存,人类最早有意识地利用太阳能是将物体利用太阳能晒干,以便保存,如制盐和晒咸鱼等。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。

在1615-1900年之间,世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其他太阳能装置。

这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光,发动机功率不大,价格昂贵,实用价值不大。自20世纪以来,太阳能利用技术的发展大体可分为七个阶段。

第一阶段(1900-1920年),太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置,但采用的聚光方式多样化,实用目的比较明确,造价仍然很高。

第二阶段(1920-1945年),由于矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战(1935-1945年),太阳能研究工作处于低潮。

第三阶段(1945-1965年),随着石油和天然气资源的迅速减少,逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展,成立了太阳能学术组织,再次兴起太阳能研究热潮。在这一阶段里,加强了太阳能基础理论和基础材料的研究,取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展,技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展,建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。

第四阶段(1965-1973年),由于太阳能利用技术处于成长阶段,尚不成熟,并且投资大,效果不理想,难以与常规能源竞争,因而得不到公众、企业和政府的重视和支持,太阳能的研究工作停滞不前。

第五阶段(1973-1980年),许多国家,尤其是工业发达国家,为了减少对石油的依赖,重新加强了对太阳能及其他可再生能源技术发展的支持,在世界上再次兴起了开发利用太阳能的热潮。如1973年,美国制订了政府级阳光发电计划,太阳能研究经费大幅度增长,并且成立太阳能开发银行,促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制订的“阳光计划”等。此阶段研究领域不断扩大,研究工作日益深入,取得了一批较大成果,如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。太阳热水器、太阳电池等,一些太阳能产品开始实现商业化,太阳能产业初步建立,但规模较小,经济效益尚不理想。我国在这一时期也开始进行太阳能的开发与利用,如在农村推广应用太阳灶,在城市研制开发太阳能热水器,空间用的太阳电池开始在地面应用等。

第六阶段(1980-1992年),随着世界石油价格大幅度回落,而太阳能产品价格居高不下,太阳能技术没有重大突破,太阳能利用效率低和成本高,导致人们开发利用太阳能的信心下降;同时核电发展较快,对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。因此进入20世纪80年代后,太阳能的开发利用再次陷入低潮。

第七阶段(1992-至今),由于大量燃烧矿物能源造成了全球性的环境污染和生态破坏,对人类的生存和发展构成威胁。因此,1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”之后,世界各国加强了清洁能源技术的开发,将利用太阳能与环境保护结合在一起,使太阳能利用工作走出低谷,逐渐得到加强,世界太阳能利用又进入一个发展期。近年来,为了应对能源紧缺和全球变暖,世界各国对新能源的研究与发展的重视提到了前所未有的高度。2009年,美国奥巴马政府提出新能源政策,中国也陆续出台一系列补贴扶持政策,支持发展太阳能光伏发电产业。可以预计,随着太阳能技术的不断发展,全面利用太阳能的时代即将到来。

在太阳能利用技术发展的同时,由于激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点,激光光能利用技术也得到了大力发展,目前它已广泛应用于材料加工等领域。激光加工的行业包括汽车制造、航天航空、电子、化工、包装、医疗设备等,与计算机数控技术相结合的激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术。

在激光光能的利用上,根据激光束与材料相互作用的机理,大体可分为利用激光的热效应和光化学效应两类。前者是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成目标,如激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等;后者是指激光束照射到物体,借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程,包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。

激光光能利用技术的发展与高功率激光器的发展紧密相关。1960年第一台红宝石激光器问世,1961年红宝石视网膜凝固机在眼科即开始使用,1963年激光手术刀开始用于治疗肿瘤。1964年CO2分子激光器问世,由于其具有较大的连续输出功率开始被应用于材料加工、军事武器、医疗等领域。1972年提出的新型面泵浦、面冷却板条状几何结构的YAG激光器专利使得千瓦级的YAG激光器于20世纪80年代末得以实现,90年代二极管泵浦的YAG激光器的发展,使其在军事领域(激光测距、激光雷达、激光制导等)、激光工业加工、激光医疗和科学研究等方面有逐渐取代CO2分子激光器的趋势。1962年问世的半导体激光器具有效率高、体积小、结构简单、使用方便、价格便宜、工作寿命长、输出谱线范围宽等特点,扩大了激光器的应用范围,20世纪90年代高光功率半导体激光器取得突破性进展,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化。21世纪迅速发展的光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体,使整台机器高度实现光纤一体化。由于其极高的泵浦效率降低了激光器系统制冷和功率需要,能够比传统固体激光器的结构更为紧凑,因此有着十分广阔的应用前景;高功率光纤激光器应用也主要定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业。值得一提的是,2010年洛伦兹·利弗莫尔美国国家实验室(LLNL)国家点火装置(NIF)的科学家成功地实现了一个超历史纪录的激光能量(超过1MJ),科学家利用激光在十亿分之几秒内射击一个靶件,验证了实现聚变点火所需的靶件驱动条件,其最终目标是实现可控核聚变反应。

总之,激光光能的利用,目前仍然处于“初级阶段”,随着大功率激光器的不断发展,激光光能将在各行各业得到更为广泛的应用。

4.光信息技术

光信息技术是近年来发展起来的一门新兴学科,其发展非常迅速。1948年全息术的提出、1955年光学传递函数的建立、1960激光的产生、以及傅里叶变换引入光学、新型光学材料的研制及应用,为光信息技术开辟了广阔的前景。与其他的信息处理手段相比,光信息处理具有并行性和大容量的特点,在信息的采集、显示、传输、存储以及处理各个环节中,光信息技术的地位越来越重要,作用也越来越突出。

将光作为一种信息载体加以利用的技术,都属于光信息技术。视见技术也可以认为是一种光信息技术,不过它有别于通常所指的各类信息技术,所以单独列为一种技术。视见技术是以获取被观察物的光学信息为目的、以人眼作为最终接收器的信息技术;而光信息技术是以光作为信息载体的信息技术。尽管“光学信息”与“以光作为信息载体”二者有十分紧密的联系,但二者的区别也是很明显的。光学信息是指被观察物的折射率、反射率或者发光光谱等方面的信息,是被观察物的固有特征;而以光作为信息载体的含义是,原始信息并不是光学信息,而可能是机械的、电学的、化学的、生物的等各种不同信息,把这些信息调制到光上形成为光信号。

因此,二者有一定的区别。

光信息技术包括光信息的获取技术、光信息的传输技术、光信息的存储技术、光信息的处理技术,以及光信息显示技术。

1)光信息获取技术

一般来说,获取信息主要使用探测器和传感器,对光信息的获取,主要采用光辐射探测及成像技术和光传感技术。1917年,Gase首次利用红外线的光电导效应,研制成功亚硫酸铊光子探测器。基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件,在20世纪50-60年代广泛应用,目前仍在某些场合继续使用。半导体光敏元件在20世纪60年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展,出现了可见光、红外、紫外灯不同波段的半导体光电探测器以及用于图像的传感器CCD和CMOS器件。伴随光纤通信技术的发展,从20世纪70年代开始光纤传感技术迅速发展,它以光波为载体,以光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号,具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、灵敏度高、响应快、重量轻、体积小、外形可变、传输带宽大以及可复用实现分布式测量等突出优点,几乎在各个领域得到研究与应用,成为传感技术的先导,推动着传感技术蓬勃发展。

2)光信息传输技术

光的信息容量极大,传输速度极快,所以用光来传递信息——光通信技术是迄今为止最好的信息传输技术。最早的光通信可上溯至三千年前的烽火狼烟了,这可以说是光通信的开始。尽管从1837年莫尔斯设计出了着名的莫尔斯电码以后,在很长时间内人类的远距离通信都是依靠电磁波,但在20世纪70年代,低损耗石英光纤和长寿命半导体激光器的研制成功,光通信逐步成为通信的核心。1977年美国在芝加哥相距7000m的两电话局之间以光子作为信息载体,首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验,开始了光通信时代。随后研制出单模光纤,使通信容量增长了几个数量级;进一步发现了光纤在1550nm左右有极低的损耗,而且色散也可以做到很小,1550nm波长的光通信占据了光通信的大部分市场。随着掺铒光纤放大器的研制成功,出现了多波长的密集波分系统,使单光纤的传输容量成数倍增长。随着波长数的增加,光纤中光功率也随之增加。因此,光纤的非线性开始显现。为了进一步提高性能,一些新的通信技术被提出来,比如差分数字相移键控技术、偏振编码技术等。目前,单光纤单波长的传输能力已经超过320Gbps,单光纤的传输能力已经超过1Tbps。限制人类传输容量的信道问题基本解决,增加传输能力已经不再是通信的主要矛盾。

当前,人类的信息沟通,主要朝着更灵活、可移动、高可靠、更便捷等方向发展。

所以组网技术发展迅速,如光接入网技术、自动光交换技术等。由于无线通信具有灵活性好、可移动的优点,因此将二者结合发挥各自的优势,是当前的主要研究课题。一些新技术,如射频光通信技术(Radioover Fiber)的提出,就是二者结合的产物。光通信的另一个发展趋势是全光网的研究,目前通信网的电交换机,要频繁地进行光-电-光转换,限制了交换容量的进一步提升,所以全光交换成为当前的重要研究课题。

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