光信息科学与技术导论

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，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，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(jω)、H（ejω）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，激光特性的控制与改善，典型激光器，半导体激光器，光通信系统中的激光器和放大器，激光全息技术，激光与物质的相互作用，以及激光在其他领域的应用等内容。（四）专业收获与学习心得

通过四年的学习，已经对专业知识基本掌握，学习到了行业的基本技术，具备了专业知识交流的能力，能够在一些技术方面充分发挥自己的专业技能解决一些难题，我们专业学习面广，知识综合应用能力强，能够在多个行业多个产业渗透应用，并且发展前景特别好。尤其是我们专业的实践环节，让我们具备了基本的动手能力和科研能力，能够有效的参与新产品的研发。