光子革命光子革命是2009年達沃斯論壇中提出的新概念，是指光子技術將在未來更為廣泛的套用於社會生產生活中。 光子技術的潛能就信息領域來說產業、控制和套用作為信息載體光子的技術稱為光子技術，光子技術在光伏發電、核能、微機械和節能中都有廣泛套用價值。在新的時代中，光子將逐漸成為主宰信息傳遞和能源的核心介質技術。光子各種中的代表——光纖 光電子技術屬於光子技術的一部分。從上世紀90年代開始光子技術已明顯介入到信息產業領域，其發展勢頭銳不可擋，在本世紀即將掀起現代文明的第二次信息革命。
基本介紹
- 中文名：光子革命
- 時間：2009年
- 地點：達沃斯論壇
- 定義：光子技術將未來廣泛的套用
- 優勢：回響速度快
光子革命-概念提出,光子革命-理論基礎,成為主流的優勢,回響速度快,傳輸容量大,存儲密度大,處理速度快,微型化、集成化,農業革命,計算機革命,醫學革命,光子診斷,超弱發光的成像,系統的誘導發光,光子CT成像技術,共焦顯微技術,光學相干層析技術,光學光鉗技術,雷射加速對DNA的研究,雷射挑選癌細胞,細胞快速分析識別,光子治療,光子動力學醫療,雷射美容,雷射在牙科套用,在眼科套用,在心臟病學中套用,針灸治療術,採血器和注射器,光導纖維,
光子革命-概念提出
光子革命是2009年達沃斯論壇中提出的新概念，是指光子技術將在未來更為廣泛的套用於社會生產生活中。
光子技術的潛能就信息領域來說產業、控制和套用作為信息載體光子的技術稱為光子技術，光子技術在光伏發電、核能、微機械和節能中都有廣泛套用價值。在新的時代中，光子將逐漸成為主宰信息傳遞和能源的核心介質技術。
光電子技術屬於光子技術的一部分。從上世紀90年代開始光子技術已明顯介入到信息產業領域，其發展勢頭銳不可擋，在本世紀即將掀起現代文明的第二次信息革命。
光子革命-理論基礎
光子技術和產業的基礎是光子學。光子學是研究光子的產生、運動和轉化的一門新興學科，光子學的研究範圍包括光子的產生、運動、傳播、探測及光與物質的相互作用問題以及光子存載信息的傳輸、變換和處理問題等。當前，支撐信息社會的兩大微觀信息載體是電子和光子，它們都是微觀粒子，因而作為能量和信息載體來說，他們具有共性，但是他們又存在許多差異。由於光子是波色子，不帶電、傳播速度快，光束可互相穿越而不互相干擾，因而可大規模互聯和並行傳輸，具有獨特的優越性。光子學的發展使古老的光學迸發出青春的活力，促進了光子技術的形成和發展。
目前已研究開發和正在開發的光子技術主要領域有：
（1）作為光子發生與控制的雷射技術和產業
（2）運算速度更快的光子計算機
（3）存儲重大的光存儲技術
（4）代替現行通信方式的光通信
（5）全息光技術
成為主流的優勢
回響速度快
光子學技術主要包含光子學的產生、探測、傳輸、控制和處理，因而必須有相應的光子學器件。與電子學器件相比，光子學器件中光子的運用不受迴路分布延遲的影響（一般為10-9s），光於在固體中傳輸速度為10-12cm/s左右，光子學器件的時間回響和單道超大容量要比電子學器件高得多，這對信息技術發展有很大的推動作用。
目前科學技術水平已能獲得十幾個飛秒的光子脈衝。光子信息系統的運算速度要大大超出現有的電子信息系統。
顯然，這一點在未來資訊時代的各種關鍵技術上將發揮巨大作用，尤其將會促成計算機技術的根本性變革。
傳輸容量大
光子技術的信息傳輸容量大。光子信息系統的空間頻寬和頻率頻寬都很大，頻寬和連線性的徹底改善將使系統的信息交換和傳遞更加通暢。這一優異特性已在現代光通信中得以充分體現，或者說近十年光纖通信的迅猛發展恰恰是光子技術促成的。光子學與光子技術已進入了當代信息技術最重要的一個領域：光纖通信領域。光纖通信的容量從原理上講比微波通信大1萬倍到10萬倍以上，一路微波通道可以傳送一路彩色電視或1千多路數字電話信號，而一根光纖則可以同時傳送1千多萬甚至1億路電話。目前已完成了從第一代0.85μm波段與多模光纖，到第二代1.3μm波段零色散與單模光纖，再到第三代1.55μm波段與低損耗色散位移單模光纖的換代發展。目前，日本nec公司實現了40gbit/s×273，117km；而alcatel公司則實現了40gbit /s×256，100km的傳輸。
存儲密度大
光子技術在信息存儲領域的潛力令人刮目相看。以光存儲的光碟已進入多媒體終端乃至千家萬戶；光碟存儲的基礎是光記錄介質和精密伺服系統，更高的存儲密度、更高的信息率（存入、取出）、高速數據傳送是其發展的方向。光存儲信息容量大，可靠性強，存取速度快，成本低且套用範圍廣。光碟、光卡的存儲容量比磁碟、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨損，不受外界磁場、溫度影響，可靠性強。近年來，光碟以其數據存儲密度高、誤碼率低、可靠性好及適應性強諸多優點而借受大眾的青睬。目前，一張200mm雙面光碟，其厚度不超過2.4mm，可存儲兩部電影的全部聲像信息。隨著可擦可錄的大容量光碟的普及，價格低廉、複製方便的光碟將格外受到重視。科學家們認為，光碟已成為20世紀繼汽車、電視、微機之後的又一項引人關注的重要發明。特別要提及的是，利用光子學方式可以實現三維立體存儲，其容量之大，令人驚嘆不己。一旦其關鍵技術取得突破，其無與倫比的優勢便會立即顯露出來。
處理速度快
信息處理是光於技術最重要的潛在套用。在光計算機中，同電氣布線相比較，由於光的頻率高，故可高速傳遞信息，而且還可利用多重波長，信息二維並列傳送等，使信息傳遞能力大大提高。作為計算機的前處理技術還有模擬光計算，並列數字光計算等。光纖方法有極好的並行性，可以同時並行處理二維信息，實現三維並行互連及並行處理，能克服馮·諾依曼結構的電子計算機的瓶頸效應，特別有利於圖像信息的處理、傳輸。用光學方法可演示神經網路的圖像識別和復原的功能，具有並列信息處理、學習、自組織化機能的光神經網路正在開發中，儘管目前還處於初期的試驗階段。由於光可以進行並列處理，並且不需要阻抗匹配和不需要布線迴路，故可進行高速信號調製等。這些優異的特點，超過了以前電氣布線的極限，使高速處理系統得以實現。
微型化、集成化
微光子技術與光子集成（pic）同微電子技術和積體電路（ic）一樣，將得到大發展。微光子技術的套用涉及梯度折射率光學、衍射光學、纖維光學等許多分支。已研製出的許多元器件，包括自聚焦微透鏡陣列、光纖面板與微通道板、軟調線光刻及光互連用微小光學陣列器件等等，由於光波的波長短，光子信息系統的幾何尺寸將大大縮小。光子集成（pic）的特點是，它將有源光電子器件（如半導體雷射器、光放大器、光探測器）與光波導器件（分/合波器、耦合器、濾波器、調製器、光開關等）集成在一塊半導體晶片上，構成了一種單片全光功能性器件。這從根本上改變了集成光學、光電子集成中有源無源器件分別集成後再用光纖連線的弊端，從而使器件在體積、功耗等眾多方面更具有競爭力。在有源器件方面，僅就信息處理單元來說，其元件的微小程度已遠遠小於積體電路中的電子元件。例如，單量子阱雷射器中量子點處理元件的尺寸約在十分之一微米之下。小尺寸是光子技術的一大特點。光學、電子學及固體物理學之間的區別將變得模糊，實際上這三者已在原子水平上達到集成化。未來的光子信息系統將足夠靈巧和可靠。
農業革命
利用生物光子技術可實時、快速、定位監測食品和飲用品生產線的細菌污染。採用酶放大化學發光增強技術，可檢測出數量極少的細菌、微生物，可監測生產線或食品成品的污染程度。如何科學地監測水淨化器的效果和淨化水質量，是一個涉及千百萬用戶健康的大問題。而衛生和環保部門感到目前的傳統技術檢測效率和覆蓋能力不足，如果引入生物光子設備，可使檢測效率和精度大大提高。
光子技術在農業領域具有廣泛的套用前景。例如，用雷射能改變農田害蟲的某種基因，從而使其生理代謝功能紊亂，可以極大地減少蟲害；將雷射系統安裝在拖拉機上進行土地平整，由於雷射信號的導向作用，可使操作效率提高60%。
目前，已開發國家已普遍採用衛星—雷射—電腦系統向農戶提供氣象預報服務，準確率可達99.5%。
計算機革命
光電計算機是由基礎部件空間光調製器和納米電漿子元件構成，它是一種納米級別金屬構件的主要組成部件，這種特製的元件能夠以一種高度控制的方式和光進行相互作用，並採用光內連技術，在運算部分與存儲部分之間進行光連線，運算部分可直接對存儲部分進行並行存取。從而靠雷射束進入由反射鏡和透鏡組成的陣列中來對信息進行處理的。
光計算機充分利用光的特性與電的特性，具有無法比擬的各種優點：
第一，光器件允許通過的光頻率高、範圍大，也就是所謂的頻寬非常大，傳輸和處理的信息量極大。兩束光要發生干涉，必須頻率相同，振動方向一致和有不變的初始位相差。因此，同一根光導纖維中能並行地傳輸很多很多波長不同或波長相同但振動方向不同的光波，它們之間不會發生干涉。有人計算每邊長1.5厘米左右的三稜鏡，信息通過能力比全世界現有的全部電話電纜的通過能力還大好多倍。
第二，信息傳輸中畸變和失真小，信息運算速度高。光和電在介質中傳播速度都極快，但光和電不同，光計算機是“無”導線計算機，光在光介質中傳輸不存在寄生電阻、電容和電感問題，光器件又無接地電位差，因此，傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光器件的開關速度比電子器件快得多。光計算機的運算速度在理論上可達每秒千億次以上，其信息處理速度比電子計算機要快數百萬倍。
第三，光傳輸和轉換時，能量消耗極低。儘管積體電路中的電流十分微弱，但由於集成度的提高，功耗仍然是個大問題，對於巨型計算機，問題更為嚴重。光計算機卻不同，除了雷射源需要一定的能量以外，光在傳輸和轉換時，能量消耗卻極低。
光計算機運用非常廣泛，特別是在一些特殊領域，比如預測天氣，氣候等一些複雜而多變的過程，還可套用在電話的傳輸上。 使用光波而不是電流來處理數據和信息對於計算機的發展而言是非常重要的一步。在將來，光計算機將為為我們帶來更強勁的運算能力和處理速度。甚至會為將來和生物科學等學科的交叉融合打開一扇新的大門。
醫學革命
生物醫學光子學可以分為生物光子學和醫學光子學兩個部分，分屬生物學和醫學領域，但二者存在相互交疊的範圍，並無嚴格的分界。也可以根據套用目的的不同，將生物醫學光子學劃分位光子診斷醫學技術和光子治療醫學技術兩個領域。前者以光子作位信息的載體，後者是以光子作為能量的載體。
由於雷射具有單色性好、高亮度，高密度、輻射方向性強的特點，無論光診斷還是光治療技術，多以雷射為光源。隨著雷射器的不斷發展，光子技術在生物醫學領域的套用也層出不窮。
生物光子學就是以研究生物體輻射的光子特性來研究生物體自身的功能和特性的學科。在光子學產生初期，充滿活力的生命科學就和光子學相互交叉滲透，促進了這一學科的發展。它以生物系統的超微弱光子輻射（BPE）的發現和研究為基礎的。從1923年前蘇聯科學家Burwitch等人首次發現BPE現象到70年代後的研究表明，BPE現象是自然界普遍存在的一種現象，是生物體的一種固有功能。除了少數原生生物和藻類等低級生物外，絕大多數動植物都能產生BPE。BPE的光譜很寬，從紫外、可見光到紅外波段。奇妙的是，BPE的值和生物進化程度成正比，進化程度越高，其BPE值越大，輻射的波長越向紅外擴展。另外BPE具有高度的相關性，是生物體梁子效率及低的一種低水平化學發光。
由於生物超弱發光與生物體的生理及病理有著密切的關係，所以生物光子學在臨床診斷、農作物遺傳性診斷及環境檢測等領域可以有重要的套用。
光子診斷
超弱發光的成像
利用高靈敏度的探測和成像技術，結合數據融合技術，在可見和近紅外波段獲得生物體超弱發光的而二維圖像，用於人體代謝功能與抗氧化、抗衰老機體防禦功能的測量和研究。亦可用於疾病的診斷。例如，日本研製成第一台能探測大腦癲間病灶區的雷射儀器，用很弱的近紅外雷射照射病人頭部而得到大腦皮層的二維圖像。通過分析這些圖象，可以了解癲間期大腦活動類型，有助於醫生髮現病灶。和傳統的打開頭蓋骨插入電極測量和用放射性同位素測定的方法相比，可以減少對病人的痛苦和傷害。此外，波士頓兒童醫院利用在組織內的光的吸收和氧的濃度有關這一特性，採用近紅外光譜來監視嬰兒腦細胞氧含量。
系統的誘導發光
生物體在外界強光的短暫照射下可誘導生物系統的光子發射。這種隨時間衰弱的誘導發光的強度遠大於生物體自發光強度。可以用於疾病診斷和食品質量的檢測。由於腫瘤患者和健康人相比，其血液和病變器官與組織的發光光子強度升高，在癌症的診斷方面有很好的套用，可以在腫瘤早期找出其存在位置，實現腫瘤的早期診斷和治療。
光子CT成像技術
CT影像設備發展的最新進展。全新的光子CT搭載光子探測器，利用微光子技術，實現探測器的集成化與微型化，擺脫一直以來電子噪聲對圖像的干擾，在CT歷史上首次實現了零噪聲純淨成像。
共焦顯微技術
超音波、CT、核磁共振等傳統生物醫學成像技術雖然可以獲得人體組織在自然狀態下的各種表像，但無法達到細胞級的解析度。而採用高解析度的光學顯微鏡和電子顯微鏡又需要將組織切片分析，無法對活組織成像。雷射掃描共焦顯微鏡卻可以進行光學斷層分析獲取生物樣本的三維圖像，實現對組織的動態成像，使研究人員觀察到細胞與細胞相互作用、組織再生、光與組織的物理和生物效應、細胞內的生化成分和離子濃度等，從而成為生物學和醫學研究的新技術和新手段。
原理如下：雷射聚焦成線度接近單個分子的極小斑點，照射樣品，使之產生螢光，但只有焦點處的螢光可以被探測到，離開焦點的螢光將受到緊靠探測器的空間濾波器的阻礙，不會進入探測器，可以得到樣品細胞一個層面的圖像。連續改變雷射的焦點，可在一系列層面進行掃描，得到整個樣品細胞的三維圖像。目前，利用多光子技術，用近紅外光激發可以減小單光子雷射掃描共焦顯微鏡對細胞的損傷，可以觀察到樣品更深層的螢光成像，具有更高的解析度。是目前的發展方向。
光學相干層析技術
將光學相干技術與雷射掃描共焦技術相結合的光學相干層析技術（OCT），利用了相干儀的高靈敏度外差探測特性，及只有探測光束焦點處返回的光才有最強的干涉信號被探測到，而離開焦點的散射光不會被探測成像這一雷射共焦顯微技術的結合。避免了單一雷射掃描共焦顯示技術只能用於透明組織，如角膜、皮膚這一缺點，可以用於探測食道、宮頸、腸道等器官，使醫生看到10微米大小的組織，無損傷地了解組織結構及成分。特別值得一提的是它可以用於探測心臟、腦等以往無法活檢的器官和組織，所以，OCT在醫學上被稱為"光學活檢"。
光學光鉗技術
雷射光鉗是一種利用高斯雷射光束的梯度壓力將微粒移到雷射束焦點附近的裝置。微粒處於按高斯分布的雷射束中時，由於光場強度的空間變化，光束對微粒產生一種梯度壓力，驅使其移向光束中心，並穩定在那裡。雷射束如同一鉗子"抓住微粒，隨其移動，可以無損地操縱如細胞、細菌、病毒、小的原生動物等生物粒子，為微生物學家、醫學工作者提供新的有力工具。為了減小對微粒的影響，多採用近紅外雷射。德國生物學家用雷射在卵子細胞周圍的保護層（蛋白質和碳水化合物）上打孔，利用光鉗將精子抓住並送入卵細胞，從可以幫助那些缺少尾巴或無法遊動的精子與母卵細胞結合，從而大大提高了體外受精的成功率。
雷射加速對DNA的研究
基因是生物遺傳、突變的基本單位。人類基因組共有3×109個鹼基對（DNA），弄清這些鹼基對的序列情況是研究生命科學、了解生命奧秘的基礎。利用人工方法識別這些鹼基對需要1000年時間。單由於引入了光子學技術，大大促進了DNA的研究進程。美國加州大學採用雷射毛細管列陣電泳法，在7分鐘內讀出200個鹼基對，精度達97%，比通常的板凝膠技術快得多。此外，日本東北大學、路易斯安娜州立大學、愛荷華州立大學的研究人員都利用光子學技術採用不同的方法來實現對DNA的快速識別。加利福尼亞的Affymetrix公司已開發了基因晶片技術，它將照相平板印刷術和化學合成技術相結合，在不到1.28cm2的面積上產生高密度的DNA探頭陣列。利用雷射共焦掃描顯微技術識別DNA。
雷射挑選癌細胞
美國國家健康研究所研製出一種帶有固體雷射器的立式顯微鏡。在用顯微鏡觀察腫瘤的病理樣品時，病理學家可以用脈衝工作的雷射束激活罩在樣品上的透明熱塑膜，使之與他選擇的癌細胞熱熔在一起。這樣在取出膜的同時可以取出被選的癌細胞，進行近一步分析研究。
細胞快速分析識別
美國Sandia國家實驗室成功地研製出一種含有細胞地生物微腔半導體雷射器。以透明地細胞作為波導材料來改變雷射橫模結構，從而使雷射光譜發生變化。由於每一種細胞都能使雷射輸出帶有可識別地信號，可以根據光譜識別細胞而不需要成像，因此識別速度很高。每秒能識別2萬個細胞
光子治療
光入射到人體組織後，一部分會反射回來，一部分被組織吸收，還有一部分被人體組織向四周散射。人體不同組織對不同波長光的吸收能力也不同。 光照射人體組織後，根據照射的波長和時間不同，對組織有以下五種作用， 分別為：光化學作用、熱相互作用、光蝕除、電漿誘導蝕除和光致破裂。
光子動力學醫療
雷射美容
利用雷射照射皮膚後的選擇性光熱作用，即靶組織（病灶）和正常組織對光的吸收率的差別，使雷射在損傷靶組織的同時避免正常組織的損傷這一原則，達到去皺、去文身、去毛和治療各種皮膚病的目的。採用倍頻Nd：YAG或Ar+雷射有效凝固血紅蛋白來治療如鮮紅斑痣等皮膚病；採用超短脈衝CO2雷射器（10.6μm）進行去皺、去毛、頭髮移植等；在文身治療中，根據文身顏色選擇互補色雷射治療，如綠色文身採用紅色雷射，這時色素吸收率最高，容易實現選擇性光熱作用。利用不同波長和不同功率的光刀也可以進行皮膚腫瘤等切除性外科手術。
雷射在牙科套用
從60年代即開始了雷射用於牙科的基礎及臨床研究。最早用於代替機械牙鑽賀焊接支架。現在雷射在口腔臨床主要套用於口腔軟組織疾病、口腔黏膜病等治療。以及各種口腔硬組織疾病，如牙本質過敏症的脫敏、齲牙雷射治療、根管消毒和雷射漂白牙齒等；還可以用雷射進行止疼及麻醉。也可以用雷射進行牙髓炎等口腔疾病的診斷等。
在眼科套用
利用紫外雷射的高光子能量打斷角膜基質內分子鏈，造成非熱致汽化來改變角膜的厚度和曲率，治療近視、遠視和散光。這就是今年來出現的準分子雷射角膜切削術。由於該方法熱損傷小、切割精細、安全、預測性好等一系列優點，近年發展很快。另一種治療方法叫雷射屈光性角膜切削術，即在角膜瓣下進行雷射切割，是一種效果穩定，視力回退現象小的屈光矯正治療。另外，雷射在晶狀體、玻璃體、虹膜、視網膜等各類疾病的治療。
在心臟病學中套用
對於冠狀動脈硬化可以採用雷射心臟再形成手術（TRM）進行治療。TRM手術是醫生在病人左胸開一個6～8英寸的切口，用雷射再心臟上打20～30個1毫米大小的小孔，小孔在血凝固時被封閉，形成心的血流通道，以增加血液向缺氧組織流動從而緩和心絞痛和其他冠心病狀。這一技術可以減輕病人的痛苦，提高病人生活質量。與傳統開胸手術相比費用也低。並且經過研究表明，TRM的早期死亡率比冠動脈旁通手術低8倍。
針灸治療術
低功率雷射可以代替傳統的針具和灸具，通過刺激穴位能夠緩解疼痛和治病。由於雷射是非接觸式的，所以不會損壞病人的神經和血管，更為安全可靠。經過研究發現，雷射針灸可以對解除關節、肌肉和神經疼，對高血壓、中風、偏癱都有一定療效。
採血器和注射器
早在20世紀90年代初，俄羅斯就研製初雷射驗血劃痕器。雷射切口和金屬劃痕器切口基本一樣，但前者造成的水腫小，傷口癒合快。用雷射採血是非接觸式的，可以避面病人緊張、疼痛，特別適合給小病人使用。更重要的是可以避免由於採血、注射引起的交叉感染。可以防止感染如愛滋病、肝炎等傳染病。具有現實意義。
生物醫學光子學被預測將在以下八個領域有所發展：光動力學醫療、雷射和組織的相互作用、無透鏡顯微術、在血液化學分析中的進展、癌症的光學顯示、利用雷射檢測DNA、傷害最小的光子設備、一體化的雷射和成像系統。生物醫學光子學是一門新興的交叉科學，它必定將隨著雷射器、光纖技術、信息科學、生物學、醫學、物理學、化學、工程學等各領域的新突破而迅速發展。
光導纖維
日常生活中人們都知道；光線只能沿直線前進，要使光線改變前進的方向，通常要藉助於反射鏡。經過長期的實踐研究，科學家們終於在1970年找到一種具有特殊結構的纖維。當光線從它的一端射入，這種纖維能把入射的大部分光線傳送到它的另一端。人們給這種纖維取了個名字，叫光導纖維。
光導纖維的發明問世，是世界科技史上一項重大成果，從而引起了一系列現代科學技術革命。
光纖通訊是當代新技術革命的特徵之一，也是“信息社會”的一個重要標誌。大家知道，光實際上是一種頻率極高的電磁波，因此可以像其他電磁波一樣對它進行調製和傳輸。由於它的頻率極高，因此幾乎可以無限量的調製到一根光導纖維的頻頻寬度之內。與雷射通訊技術結合起來的光纖通信容量比普通電纜通信大10億倍。一根光導纖維比頭髮絲還細，卻可傳輸幾萬路電話或幾千路電視信號。
光纖通信還特別適合於對電視、圖像和數學信號的傳送。它將深入影響人類社會生活，引起信息傳輸和通信功能的革命，因此有人把光導纖維稱做信息傳輸的動脈。由於光纖通信保密性能特別好，所以常被用在航空、軍事等方面，並顯示出優良的功能和巨大的作用。
醫生看病時，如能親眼觀察到生病的內臟器官會更有助於開展治療。近幾年科學家發明了“內窺鏡”，製造材料主要是光導纖維。內窺鏡好比在病人體內為醫生長上了一隻眼睛，可以清楚地觀察到病人體內的細微病變。
光導纖維還被廣泛套用於感測技術中。目前全世界已經生產的各種光纖感測器已有六七十種。根據它們的工作原理，大體可分為兩大類。一類光纖感測器採用對外界信息較敏感和具有檢測功能的光導纖維作為感測元件。而在另一類光纖感測器中，光導纖維僅作為傳播光線的介質，對外界信息的“感覺”的功能是依靠其他功能元件來完成的，這類光纖感測器還被稱為傳光型感測器。由於傳光型感測器結構比較簡單，目前全世界技術領域內正在使用的光纖感測器中，這種類型的感測器占絕大多數。
