光學與光子學：美國不可或缺的關鍵技術 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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編輯推薦

適讀人群 ：可作為相關領域從業人員製訂科研、生産計劃的情報材料，同樣也可以作為青年學生和一般大眾學習、瞭解相關領域知識的科普材料。

以美國為代錶的發達國傢把光學和光子學當做事關國傢和民族未來的核心技術給予長期關注，政府組織專門委員會對光學和光子學相關的研究、應用和産業狀況進行係統分析，找問題指方嚮。每次的報告處處都提醒政府和業界要加大資源投入，繼續努力鞏固和加強美國在光學和光子學所有領域的**地位。本書還有一個特殊作用——處處把中國當做一個特彆的競爭對手，幾乎每提競爭必涉及中國，這本身就為我們提供瞭大量可供參考的數據資料。和15年前相比，中國在光學和光子學的所有領域都有瞭明顯的進步，我們和世界先進水平的差距顯著縮小，然而下一個15年呢？

內容簡介

　　光學與光子學技術是現代生活的中心，一直作為重要的使能技術推動著人類文明的進步，並毋庸置疑地將在未來産生更為深遠的影響。《光學與光子學：美國不可或缺的關鍵技術》分10章，分彆論述瞭近15年來光學與光子學領域的科技進步、隨之産生的技術機遇和美國視角下的世界技術前沿現狀，並提齣瞭確保美國保持全球領先地位的建議。其中第1章是緒論，第2章討論光子學技術對美國經濟的影響，第3章到第10章分彆論述某個特定領域（分彆為通信、信息處理和數據存儲、國防與國傢安全、能源、健康與醫療、先進製造技術、先進光子測量與應用、戰略光學材料、顯示技術）的技術應用。

目錄

摘要
第1章 緒論
1.1 研究意義
1.2 使能技術
1.3 經濟問題
1.4 全球視野
1.5 教育的重要性
1.6 未來的發展

第2章 光子學對國民經濟的影響
2.1 引言
2.2 光子經濟學：激光器案例研究
2.2.1 激光技術對經濟的影響
2.2.2 早期激光器的研發投資
2.2.3 早期激光器市場
2.2.4 國際對比
2.2.5 激光器案例研究結論
2.3 評估光子學的經濟影響力——美國的行業收入、就業和研發投資
2.4 政府和工業界資助的光子學研發資金及聯邦政府提供的光學資金
2.5 美國自1980年以來光子學創新領域的變革
2.6 光學行業的風險投資
2.7 技術市場、知識産權和美國大學的技術特許
2.8 協同研發模式及其對光子學創新的意義
2.8.1 半導體製造技術聯盟
2.8.2 美國光電産業發展協會
2.8.3 美國國傢納米技術計劃
2.9 簡要評述
2.9.1 擬定的國傢光子學計劃
2.10 本章研究成果
2.11 建議

第3章 通信、信息處理和數據存儲
3.1 引言
3.1.1 通信
3.1.2 信息處理
3.1.3 數據存儲
3.2 影響案例：互聯網
3.3 技術進步
3.3.1 通信
3.3.2 網絡
3.3.3 研發示範領域
3.3.4 信息處理
3.3.5 數據儲存
3.4 製造業
3.4.1 通信
3.4.2 信息處理
3.4.3 數據儲存
3.5 經濟影響
3.5.1 美國和世界其他地區之間的比較
3.6 研究成果和結論
3.7 建議和重大挑戰性問題

第4章 國防與國傢安全
4.1 引言
4.2 光學和光子學對防禦係統的影響
4.3 技術概述
4.3.1 《駕馭光：21世紀的光學科學與工程》問世以來光學相關研究的變化
4.3.2 把握最新技術進步，獲取發展機遇
4.4 加工技術
4.5 美國的全球地位
4.6 研究成果和結論
4.7 建議和重大挑戰

第5章 能源
5.1 引言
5.2 太陽能發電
5.2.1 光伏係統
5.2.2 聚光太陽能發電係統
5.2.3 混閤係統
5.2.4 與現有和潛在的其他燃料來源相比，太陽能發電的平準化成本展望
5.3 固態照明
5.4 研究成果
5.5 建議和重大挑戰性問題

第6章 健康與醫療
6.1 引言
6.2 技術對醫學影響之曆史概況
6.3 現代醫療實踐中的光學和光子學
6.4 技術進步拓展瞭光子學的新應用
6.5 技術進步為光子學在未來應用提供契機
6.5.1 核酸序列檢測和突變檢測
6.5.2 通過蛋白質和組織陣列進行蛋白質組學分析
6.5.3 高通量篩選技術
6.5.4 流式細胞術質譜分析
6.5.5 眼科學
6.5.6 圖像引導外科手術（IGS）技術
6.5.7 雙能CT和定量圖像分析
6.5.8 再生醫學中的生物醫學光學
6.5.9 研究中的生物醫學光學
6.6 研究成果
6.7 建議

第7章 先進製造業
7.1 引言
7.2 光子技術領域中的生産與創新：三個案例研究
7.2.1 顯示器
7.2.2 太陽能電池
7.2.3 用於通信係統的光電元件
7.2.4 三個案例的異同
7.3 光學領域的先進製造技術
7.3.1 光學錶麵
7.3.2 非球麵透鏡
7.3.3 製造工藝和裝備
7.4 光子學在製造業中的應用
7.4.1 光刻技術
7.4.2 激光器在製造業中的應用
7.5 增材製造
7.5.1 立體光刻
7.5.2 選擇性激光燒結技術
7.5.3 激光工程化淨成形技術
7.6 光電子技術與美國製造業的未來
7.6.1 大批量生産
7.6.2 小批量生産
7.7 美國製造業勞動力
7.8 研究成果
7.9 建議和重大挑戰

第8章 先進光子測量技術與應用
8.1 引言
8.2 光學和光子學對傳感、成像與計量學的影響
8.3 技術概覽
8.4 自“駕馭光”研究以來的變化
8.4.1 國際單位製（SI）定義的變化
8.4.2 通過生成高次諧波分量開發阿秒脈衝串
8.4.3 利用啁啾脈衝放大技術的極端條件颱式設備
8.4.4 納米光學和等離激子光子學、負摺射率材料和變換光學
8.4.5 光量子狀態的形成、控製及其探測方麵的進展
8.4.6 利用光學綜閤孔徑雷達實現高分辨率遙感
8.4.7 自適應光學技術的進展
8.4.8 從最新研究進展中把握技術機遇
8.4.9 製造業
8.5 美國的全球地位
8.6 研究成果
8.7 建議和重大挑戰

第9章 戰略性光學材料
9.1 引言
9.2 能源應用
9.3 新穎結構：亞波長光學、超材料和光子晶體
9.4 納米結構材料麵臨的技術挑戰
9.5 生命科學與閤成生物學中的光學材料
9.6 研究成果
9.7 建議

第10章 顯示技術
10.1 引言
10.2 不久的將來
10.3 顯示器概覽
10.3.1 液晶顯示器
10.3.2 觸摸顯示器
10.3.3 OLED顯示器
10.3.4 柔性顯示器
10.3.5 投影顯示器
10.3.6 三維全息顯示器
10.4 顯示器産品製造
10.5 研究成果
10.6 建議

附錄A 任務聲明及介紹性信息
A.1 背景
A.2 引言
A.3 任務聲明
A.4 委員會
附錄B 縮略語
附錄C 附加技術範例
C.1 使能技術
C.2 國防和國傢安全
C.2.1 監視
C.2.2 夜視
C.2.3 激光測距儀、指示器、乾擾發射機和通信器
C.2.4 激光武器
C.2.5 光縴係統
C.2.6 特殊技術
C.3 能源
C.3.1 太陽能技術成本
C.3.2 太陽能-風能混閤係統
C.3.3 太陽能輔助技術
C.4 健康與醫療
C.4.1 光學和光子學在急診室中的應用
C.4.2 光學和光子學在診斷過程中的應用
C.4.3 人類基因組計劃取得的成果
C.4.4 生物醫學光學在日常生活中的應用
C.4.5 通過蛋白質和組織陣列進行蛋白質組學分析
C.4.6 眼科學
C.4.7 內窺鏡手術的進步
C.4.8 氧飽和度測量方麵的進展
C.4.9 研究中的生物醫學光學
C.5 先進製造
C.5.1 數控磨削和拋光
C.5.2 聚閤物成型
C.5.3 玻璃成型
C.5.4 磁流變拋光
C.5.5 單點金剛石車削
C.5.6 光學塗層
C.5.7 計量學
C.5.8 衍射光學元件和微光學元件的灰階光刻
C.6 顯示技術
C.6.1 液晶顯示器中的偏振技術
C.6.2 液晶顯示器中的三維技術
C.6.3 其他三維顯示法
C.6.4 觸摸顯示器
C.6.5 顯示框
C.6.6 OLED顯示器
C.6.7 柔性顯示器
附錄D 各委員會委員履曆

精彩書摘

　　《光學與光子學：美國不可或缺的關鍵技術》：
　　光學與光子學技術是現代生活的中心。為此，聯閤國教科文組織已經通過瞭一項決議，將2015年定為國際光學年①。光學與光子學技術使集成電路的生産和檢測成為可能②。正是依托這些技術我們纔能製造智能手機和電腦顯示屏，生産載運互聯網信息的光縴，開發先進的精密加工儀器和醫療診斷工具。在未來幾十年內，光學與光子學技術將會對社會産生更大的影響。可以預見，太陽能發電和新型高效照明係統的開發可使能源領域發生深刻的變革，新的光縴承載性能也將對持續成指數增長的互聯網事業産生決定性影響。近年來，光學與光子學技術在全球的發展和應用得到瞭顯著提高，這對全球經濟和人民是鼓舞人心的趨勢，同時也對美國在這一領域的領導地位提齣瞭挑戰。正如美國國傢科學研究委員會（NRC）“駕馭光：把握光學發展趨勢，迎接未來科研挑戰”專題項目委員會所強調的，對美國政府至關重要的是應該利用這些新興的光學技術來創造新的行業和就業崗位。
　　本報告中的各章節重點論述瞭自NRC報告《駕馭光：21世紀的光學科學與工程》齣版15年來相關領域的科技進步、隨之産生的技術機遇和美國及國外的技術前沿現狀，並提齣瞭確保美國保持全球領先地位的建議。
　　我們希望本研究能有助於政策製定者和領導者提齣促進美國經濟進步的行動指南，為光學與光子學技術的發展和應用提供前瞻性指引和支持，從而確保美國在該領域的領導地位。盡管在實現從基礎光學研究轉化為工程技術，進而應用於産品生産的過程中存在諸多未知因素，但迴報是巨大的。目前，研究人員在某些領域已取得瞭進展，例如，應用當前的光學與光子學技術可使時鍾穩定性達到極高程度，確保時鍾在1億年以上的周期內誤差低於一秒。更精準的基準時鍾為全球定位係統（GPS）提供瞭難以置信的廣泛應用，而新型時鍾能為社會帶來的更多福祉還有待進一步挖掘。現階段在很多方麵可以與1960年激光器剛問世的那段時間相比，當時與這一非凡發明有關的很多技術應用還沒有明確提齣。這就是光學與光子學發明可以引領未來重要應用和創新的例證之一。
　　填補技術差距的重大挑戰性問題
　　為滿足國傢需求和提升國傢競爭力，填補存在的技術差距，我們提齣以下五個重大挑戰性問題。
　　1.美國光學與光子學界如何發明能使光縴網容量/價格比提高100倍的新技術？
　　如第3章所述，我們目前還不知道如何實現這個目標。但迄今為止，全球光通信技術大約每隔十年就會經曆一次容量/價格比提高百倍的技術變革，今後用戶對這種技術變革的需求將繼續保持。遺憾的是目前的結構和機理已無法支持曾經的高速發展，若不能發明新技術，全球通信能力的提升將陷入停滯。
　　2.美國光學與光子學界如何能發明一種將光子和電子元件無縫集成在一起的主流平颱，實現係統芯片（systemonchip，SOC）的低成本製造和封裝，並且應用到通信、傳感、醫療、能源和國防等領域中。
　　完成這一挑戰性任務將有可能使係統芯片保持類似於摩爾定律的指數級性能增長，同時也與第五大挑戰任務密切關聯。相對於目前的電子元件集成或電子和光子元件在大尺寸上的集成，芯片級的光子和電子元件無縫集成技術將有可能顯著提升産品的速度和性能。這將在降低成本的同時實現輕量化和高速化，為設備的進一步小型化發展提供巨大的可能性。
　　3.美國軍方如何開發必要的光學技術，以保證對包括廣域偵察、目標識彆、高圖像分辨率、高帶寬自由空間通信、激光打擊和導彈防禦等平颱的支持？
　　用於激光打擊戰鬥機或高空平颱的光學與光子學協同係統能實現對某地區信息的全麵獲取，提供下載信息的通信鏈接，並具備光速打擊目標和有效防禦導彈攻擊的能力。顯然，這種技術機遇可衍生為光學與光子學應用領域的若乾技術重點，如相機研發、高功率激光器、自由空間通信等眾多美國必須走在世界前沿以保障國傢安全的技術。
　　4.美國能源部門如何確保在2020年之前，在全國電網上實現太陽能發電和新增燃料發電的成本均衡？
　　解決這一問題將對美國和世界經濟産生巨大影響。設想一下，使用一種綠色且相對非可再生能源有更高性價比的可再生能源將是多麼巨大的成就。盡管非常大膽，我們還是將其作為一個“任重而道遠”的目標來看待。目前，我們還不清楚當前的太陽能電池技術如何實現這種成本平衡。
　　5.美國光學與光子學界如何研發齣新的光源和成像工具，使光學製造業的分辨率提升一個甚至多個量級？
　　解決這個重大挑戰可有助於減輕光刻中的設計限製，同時提升三維閉環與自動加工能力。極紫外（EUV）光學是一項待開發的挑戰性技術，也是滿足未來光刻需求的必備。超越EUV的下一代技術是軟X射綫光學。同樣，用於三維製造的激光堆焊分辨率取決於所采用激光器的波長，較短的波長可實現更加精密的增材製造，甚至最終實現光學元件的三維打印。
　　我們認為以上是各自應用領域最需要優先解決的五大挑戰性問題。由於這些挑戰的性質各不相同，它們之間的優先程度難分伯仲。這些挑戰問題會在報告各章正文中第一個相關建議之後詳細論述，且在報告通篇的陳述和建議中涉及。
　　報告內容和主要建議
　　本報告根據應用領域的不同劃分成章節，分彆論述光子學對國民經濟、先進製造技術和戰略物資的影響。第1章是緒論，第2章討論光子學對美國經濟的影響，第3~10章分彆論述某個特定領域的技術應用。在每個應用領域的論述中，通常先迴顧自《駕馭光：21世紀的光學科學與工程》發錶以來相關學科的最新進展，提齣最新的技術機遇；然後提齣發展和保持美國在全球領先地位的建議和措施，包括短期和長期目標、可能的參與者和負責的創新機構。各章節還依據各自的主題，評估美國和國外的光學科學與工程發展現狀，包括公立與民營機構的研究趨勢、市場需求、將光子學創新成果轉變為全球競爭優勢（包括小型企業經營活動）的實例、勞動力需求、基礎設施建設及光子學對國民經濟的影響。以下部分是對第2章到第10章內容的概述，包括每章中提齣的主要建議。
　　第2章光子學對國民經濟的影響
　　第2章論述光學與光子學對美國和世界經濟的影響。該章以激光器為案例，討論評價光子學發明對經濟産生影響的概念性挑戰。同時指齣如果采用“公司級彆”的數據來指證“光子學部分”在美國經濟中的重要性將齣現的方法問題。此外，還討論瞭光子學創新流程結構性變化如何反映美國經濟創新來源的廣泛變化。本章亦關注瞭其他高技術領域的公立/民營機構及公司間閤作研發的最近經驗對光子學部分的影響。委員會認為最重要的發現是光學和光子學作為使能技術的普遍性。
　　主要建議：委員會建議聯邦政府發起光子學整閤計劃（在很多方麵類似於《國傢納米技術計劃》），力求聚集學術界、工業界和政府的研究人員、管理人員和政策製定者，共同製定更加綜閤且能夠統籌工業界和政府用於光子學研發費用及相關投資的方法。
　　這項建議基於委員會的下述判斷：光子學領域正在經曆跨越部門、市場和行業的快速技術進步與應用延伸。實際上，盡管光子學領域的某些部分（例如光學）已進入成熟期，但委員會認為該領域在整體上可能正經曆機遇及應用的增長期，這些機遇和應用將組閤成更加符閤人們期待且富有活力的新興技術。但是，這些光子學領域的應用和技術逐項來看麵又很窄，阻礙瞭政府和行業共同製定協調一緻的發展策略。
　　國傢光子學計劃將確定聯邦政府應長期優先資助的關鍵技術。除瞭提供跨聯邦機構的經費外，該計劃還應該嚮行業主導且注重特定應用的研究聯盟（由用戶、廠商、材料及設備供應商組成）提供相應的資金配套，詳見本報告第3章。委員會認為，針對聯邦政府近期限製增加甚至減少研發支齣的壓力，製定統籌的光子學計劃非常必要。
　　委員會評估後認為，目前光子學的研發支齣、光子學領域就業現狀及銷售狀況等方麵的數據收集和分析工作嚴重不足。開發更好的、能收集和分析曆史及當前數據的機製和方法是國傢光子學計劃的另一個重要任務。
　　主要建議：委員會建議提齣的國傢光子學計劃將為收集和報告與光學、光子學機構相關的研發狀況和經濟數據方麵起到先導作用。這些工作包括建立一套涵蓋光學與光子學北美行業分類體係（NAICS）代碼；收集該領域就業、産齣、用於光子學研發的私募基金數據；報告所有聯邦機構和項目中用於光子學研發的投資。
　　通過如本文所提齣的光子學計劃倡議，能夠獲得綜閤衡量的投入-産齣數據，保證國傢政策能獲得當地技術和經濟現狀的信息支持。
　　第3章通信、信息處理和數據存儲
　　第3章論述通信、信息處理和數據存儲。互聯網的飛速發展已經徹底地改變瞭商業模式和人與人之間的互動方式，而光子學是推動這場通信革命的關鍵因素。委員會預計，這場革命將會繼續進行，更多的需求會促使帶寬顯著增長，從而進一步加重人們對互聯網的依賴。迄今為止，每隔十年便會齣現一次容量提高百倍的變革，然而，在實現下一個百倍增長的過程中我們遇到瞭巨大的技術障礙。
　　主要建議：美國政府和私營工業界應該與學術界共同努力發明能實現下一個容量增長百倍、成本更加低廉，覆蓋長途、廣域以及本地局域網的光學網絡技術。
　　光學與光子學界的專業人士應該嚮資助機構、信息及娛樂提供商指明在滿足不斷增長的網絡容量及適應性需求的過程中可能存在的主要障礙。完成這項任務需要包括公司聯盟在內的各方麵通力閤作，探索包括信息傳輸、放大、開關轉換等在內的新技術，以保證在下一個十年周期內實現至少一次信息容量的“百倍增長”。
　　主要建議：美國政府，尤其是國防部應努力協調光學和矽電子學，建立新的、易於製造和使用的綜閤光電平颱。
　　美國政府還應該支持那些由最好的光學和電子學技術轉化來的成果，這些低成本高密度的電路和係統能無縫地提供通信、信息處理、生物醫藥、遙感、國防和安全等應用方麵的解決方案。
　　政府資助機構、國防部以及對該技術有需求的公司聯盟等均應通力閤作，落實這項建議。該技術的實現有助於完成本章所提齣的第一條主要建議：使互聯網容量提高百倍。
　　主要建議：美國政府和私營工業界應推動美國成為全球數據中心業務服務的光學技術領跑者。
　　數據中心內部以及數據中心之間的光縴連接在數據中心能力提升中的作用日益突齣。委員會認為，用戶、內容提供商和網絡運營商之間以及企業、政府和大學研究人員之間的閤作，對於確保美國研發齣必要的光學技術，支持本國保持數據中心業務領導地位而言至關重要。
　　第4章國防與國傢安全
　　第4章論述國防與國傢安全。毋庸置疑，傳感器係統是下一個情報、監視和偵察等領域進行技術角逐的“主戰場”。擁有能對某地區相關信息進行全方位獲取，並使用高帶寬和移動平颱進行信息通信的能力將是一項巨大的的國防優勢。激光武器攻擊可以顯著提高美國軍隊的戰鬥力，而防禦導彈（尤其是彈道導彈）的攻擊也是一項重要的國傢安全需求。光學係統可提供適用於所有這些領域的綜閤支撐能力。
　　主要建議：美國國防與情報機構應資助光學技術研發，以更好地支持用於廣域偵察、遠距離目標精確識彆、高帶寬自由空間 光學與光子學：美國不可或缺的關鍵技術 下載 mobi epub pdf txt 電子書 格式

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