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叶辉:面向未来的光电信息科学与技术

发布时间:2015-07-13来源:浙大新闻办作者:高楚清 整理浏览次数:111768


    光是生命存在的先决条件,光是视觉存在的先决条件,光是现代生活的物质基础,光是我们理解宇宙知识的来源。2015年被称之为国际光年,在国际光年主页上有一幅照片:一个小孩拿着两面镜子,它告诉我们,其实光距离我们并不遥远,它就在我们身边。我要介绍的是“面向未来的光电信息科学与技术”,为什么说“面向未来”?是因为我们这个专业更注重未来的发展,它是非常有前途的一个专业。
    
    
从诺贝尔奖说起
    

    2014年诺贝尔物理学奖授予三个日本人,由于他们在蓝光LED的发现,LED指的是发光二极管。这三个人里面,我跟中村修二有点故事。1999年,我在加州大学洛杉矶分校做访问,他到那边做报告,介绍他的蓝光LED。报告做得非常精彩,我当时看了真是“不明觉厉”。
    
    第二个是2014年的诺贝尔化学奖,叫超分辨荧光显微镜,就是通过看光学显微镜看纳米世界。现在纳米是一个热点,但纳米尺寸在光学显微镜是看不到的。因为光学显微镜有一个衍射极限,如果特征尺寸小于200个纳米,光学显微镜是看不到的。但是我们可以减少光源的波长,可以用电子显微镜来看,可以看到几个纳米大小的物体。光学显微镜看纳米世界有什么好处?我们可以看神经细胞。所以,这个发明就有可能在医学领域、在生命科学领域产生重大的革命。在这方面,浙大光电系也有一个强有力的研究组在研究,跟他们是同步的,也取得一些很好的成果。
    
    
第三个是2009年的诺贝尔物理奖授,给了三个人,第一个是华人,叫高锟。在上个世纪末的时候,纽约市的底下埋了很多的铜质电缆线。现在,可以简单地用一个石英玻璃光纤传播大量的信息了。这是光学信息的范畴。高锟为了推广这个光通讯技术,曾不断地说服光学玻璃工厂。还有两个人分享了另一半的诺贝尔物理奖奖金,他们做的研究同样跟光学有关,叫CCD图像传感器。
    
    
光学的高大上
    

    
我们知道,诺贝尔奖很吸引人。提到它,即使是很冷门的东西,也瞬间会变成热门。那么,光学工程是研究什么的呢?它是跟光相关的物理和很多很多的光学仪器。
    
    
光学工程的大。我跟大家讲一个哈勃望远镜的故事。一般来说,望远镜都是放在光线很好的山上,比如说紫金天文台,主要是为了避开城市的光污染,收到良好的图像。但是由于我们居住的地球有非常厚的大气层,大气层的作用可能吸收一部分的光信号,而且大气的湍流对图像还会造成损害。有人设想,我们为何不把天文望远镜通过卫星放到地球的轨道上去?那里没有大气层的干扰,没有对不同波段的光源的吸收,我们可以看得更远、更清晰,这对研究整个宇宙的发展、起源有非常好的优势。1990年,美国研发了哈勃望远镜,这是一个反射性的光学望远镜。由于没有紫外的屏蔽,可以在115到1010纳米探测宇宙目标。用哈勃望远镜对一段特别黑暗的天空连续曝光45天,能得到清晰的照片,就是哈勃超深空。通过分析计算,这些星星发出来的光到哈勃望远镜,光走的路程花了130亿光年的时间,我们知道,宇宙从大爆炸到现在也才137到138亿年。这些对研究天文学和宇宙都是非常宝贵的。只有有了哈勃望远镜,才能够让我们有机会探究这些事情。
    
    光学工程也很强壮。强在哪里呢?大家可能听说比较多的是“神光”,中国有“神光”1、“神光”2、“神光”3,都是超大功率的激光器,可以用来做惯性约束核聚变。地球上的化石能源是有限的,人们在不断地想办法得到能源。比如人造太阳。人造其实就是一个聚变的过程:氘+氚,拿一个条件让它聚变,生成一个氦和中子,在这个过程当中会放出巨大的能量。这个巨大的能量如果能够有效控制住的话,能够满足地球上所有的能源需求。这跟激光有什么关系呢?要实现这个核聚变,拿192路强激光去打氘和氚的靶球。现在有一帮科学家在研究这个强的激光系统。同时,在研究强激光系统过程中,我们还要研究很多很多物理现象。所以,强激光物理是中国相对来说比较先进的领域。
    
    
光学工程的集成。这里面涉及到光集成和光互联的问题。我们看两幅图,第一个是2011年的苹果电脑,第二个是2012年的苹果电脑。2011年的只有一个雷电接口,2012年有两个雷电接口。雷电接口是一种新兴的输入输出的装置,好比我们在电脑上用的USB接口。英特尔公司说,如果用光来做传输,可以达到50G/秒,意味着如果下一个5G高清电影,0.1秒钟就可以完成,这里面用的是集成光学的内容。
    
    
现在,所有通讯都用高锟所从事的光纤连接,靠光传输,而不是传统的电。虽然芯片到芯片还是用电,但是光是未来的方向。IBM公司近年来研发了一种芯片,这种芯片可以把记忆单元和光电子单元放在一张芯片上,通过不同层次来进行配合;英特尔公司研发了一个光通讯的收发装置,所有的器件,包括光源、调制器、波导、探测器都集成在同一块硅基芯片上;目前的超级计算机,都是通过光子来进行数据传输。
    
    
此外,我们这个领域还有像LED、太阳能电池,这些跟日常生活紧密相关的内容,也是一个非常美妙、非常有趣的值得研究、面向未来的一个世界。所以,立志于科学研究,立志于研究和发展的同学,都可以来尝试我们这个专业。
    
    
浙大光学的研究
    

    
有一个电影叫《阿凡达》,里面有非常炫的东西,是跟光电显示技术、照明技术有关的,我们叫“三维显示”研究。如果在你面前出现一个三维的图像,你转360度,能看不同的部位;这个图像还能和你讲话,能够跟你进行人机互动。这里面涉及到海量的数据操作和光机电结合的研究。我们学科就有一个研究组做这方面的研究,他们通过多种方式,比如说多台投影机的排列组合,让人产生在360度角看一个区域的非常现实的情况。这是三维立体显示,也是我们研究的一个非常有意思的方向。
    
    我们系有一个组,专门做航天星载的通讯系统,说的通俗一点,就是放在航天器上的一个照相机。这些都是属于星载的内容。对星载的设备要求是非常苛刻的,比如说重量的要求,重量上每增加一克,发射成本就会高很多;而且,对可靠性也有很高的要求。我们的研究组,在发动机、监视器以及太阳能电池板等位置,装上这个照相机,可以观测到不同的航天器里面一些星载的天文情况,还可以监视登陆器。比如嫦娥二号,在2013年就用到我们的相机。
    
    再介绍一个非常有意思的东西,就是OCT。CT用得是伽马射线,或者干脆是超声波,可以对早期的癌症影像进行一些造像。但是如果用可见光来作为光源来做CT,就叫做OCT。OCT现在在各大医院,特别是在眼科已经发展非常好。通过OCT你可以看到你的角膜的厚薄、可以看到血管的位置,可以看到皮肤和血管之间的关系。这是我们系的一些老师们,通过自己制备和改进的OCT来拍摄的一些照片,这是角膜的照片,这是血管的照片,各自有优点。这个是正电子断层扫描,是怎么回事呢,它把一些核素让人吃下去以后,可以发射伽马射线。
    
    我们系的系主任在2003年的时候,在自然杂志上发表一篇文章,如果把一个光纤做得非常小的时候,跟大光纤相比会出现一些新的物理现象及新的物理概念,由此他的小组研究了这些小光纤所组成的一些结构,把它用在各式各样的方面。比如说用在激光器方面、调制器方面,这方面的研究内容都是我们系的一些特色。
    
    
学在浙大光电
    
    
我们系的教学是非常有特色的。第一个,我们有非常精心设计的本科生培养方案,这个培养方案重点在于光机电算一体化,重能力培养,重夯实基础。我们课程设计得非常合理并具有逻辑性,知识点之间的衔接都有专门的研究,目的是为了让我们同学从基础做起,一直到最后各门专业课的学习都非常顺。
    第二个,我们的课程设计都是理论和实际相结合。我们系的课程里面有两门国家级精品课程,一个叫应用光学,一个叫微机原理与接口技术;我们有特色课程,比如说物理光学、光电子学、光信息综合实验;我们还有一些教学名师,像王晓萍教授,她在微机原理这门课程上花了很多的心血,还有浙江省青年教师技能竞赛特等奖的获得者汪凯巍副教授,他的教学非常有特点。
    
    
光电系非常注重教学手段的运用和教学改革。比如说研讨式和任务式的教学;有设计类的大作业,优生免考计划,还有同伴教学、翻转教学等。特色教学中,我们有一个最早由我们系创立的全国光电竞赛,现在已经举办好几届了,这个竞赛鼓舞了学生的学习兴趣;还有王大珩精英班,异地的毕业设计。现在我们系有很多学生在国外做毕业设计,我今年自己带的学生就在普渡大学做毕业设计,他在那边也有导师,跟这边的导师相互合作;我们还有一个光电的大家庭,就是把优秀的本科生或者有兴趣的本科生吸引到研究组来,跟博士生、硕士生组成一个大家庭,每周参加我们研究的例会,其中一些题目让本科生来做,在师兄的带领下做一些课题。
    
    
通过这些训练,通过这些方式,我们的本科生教学取得了很大的成就。其中,有一个本科生女同学,她作为第一作者在国际非常知名的杂志《先进材料》上发表一篇论文,这个杂志是有些教授一生都没法实现的。
    
    
我们课程之间的逻辑关系,是在每一个学期,大一、暑假、大二、大三、大四,每年的课程分成三条主线。第一条是光学主线,比如说应用光学、电磁场与电磁波、光电子学。第二条主线,光学中的机械、加工和材料。第三条主线,电子、微机、信号处理和光学。通过这样的逻辑关系,它们前后传承的关系、知识点的关系都非常清楚。
    
    
比如我自己上的集成光学这门课,我布置了一个大作业,三四个同学一个组,我给他们开始出一道题目,叫你设计一个电光的调制器,你要从理论上、从软件仿真上、从优化上全部证明可行性,最后还要告诉我怎么制备的。其中有两个同学的作品非常优秀,已经可以在杂志上发表的非常专业的论文了,而且器件的参数也非常优秀;有一门课叫物理光学,是两个年轻的老师,采用了翻转教学和同伴教学的方式。一个同学的反馈说:我想说这是我大学以来上过的最棒的一门课,是我心思投放最多的一门课,是我学得最快乐的一门课。
    
    有一门光学材料的课,也是几个人一个组,对一个内容做个调研,最后做报告。有两个非常正式的报告,这两个同学用全英文跟我报告。她的英语非常好,我跟她说,如果你去参加国际会议,你能够获得比80%人更好的效果。她问题又讲得很清楚,非常有才。
    
    
介绍几个我们系的就业情况。光电系本科生120不到,大概50多个去了国外,有40个面试研究生和考研究生,找工作只有18个人。所以,浙大光电系是一个深造率达到80%的学科。我希望所有有志于光电信息技术这个领域,有兴趣的同学来加入我们的队伍,我们非常欢迎大家。
    
    
根据叶辉教授在“我听教授讲专业”讲座录音整理。录音整理 高楚清