光学光电技术篇1

关键词：光电子技术；理论教学；实验教学

Studyontheteachingmethodintheoptoelectronictechnologycourseofelectronicinformationengineeringmajor

LuoBinbin,ZhaoMingfu,SheLi,ZhouDengyi,CaoYang,QuanXiaoli

Chongqinguniversityoftechnology,Chongqing,400054,China

Abstract:Theimportanceoftheoptoelectronictechnologycourseinelectronicinformationengineeringmajoriselaboratedinthispaper,andthenaccordingtoauthor’steachingexperienceofmanyyears,thecontent,methodandmeansoftheoreticalandexperimentalteachingofoptoelectronictechnologycourseinelectronicinformationengineeringmajorarediscussedindetails.

Keywords:optoelectronictechnology;theoreticalteaching;experimentalteaching

电子信息工程专业是一个包含电子科学技术、信息与通信工程、计算机科学与技术设计、研究、应用与开发，电子设备和信息系统的工程专业。当代信息技术的高速发展离不开电子信息科学技术，但是当今很多高端的信息技术成果融合了微电子学、光电子学、计算机工程及通信工程等多门学科的交叉知识。而且，目前很多具有良好基础的电子信息工程专业的学生在他们的硕士和博士阶段，通常会选择光电子技术的相关研究方向，而具备了良好电子学知识的学生更容易将电子学中的概念移植到光频段中，如果在本科阶段也修习了光电子技术这门基础课程，那么在他们的深造阶段将会更容易进入光电子相关领域的课题研究。因此，电子信息工程专业的学生除了需要掌握本专业的课程知识以外，也应该熟悉现代信息技术的其他相关知识，如光电子技术。然而根据笔者的调研，虽然目前很多重点大学及二本院校的电子信息工程专业都意识到光电子技术的重要性，但很少开设光电子技术这门课程。本文从光电子技术的研究内容、应用及发展等方面说明其在电子信息工程专业教育中的重要性，并研讨电子信息工程专业中的光电子课程的理论和实验教学方法。

1光电子技术简介

早在19世纪，人们就已经用麦克斯韦(Maxwell)的经典电磁理论对光的本质进行了研究，认为光是波动的电磁场，关于光的吸收和辐射，1917年爱因斯坦(Einstein)建立了系统的光电子学理论，使人们认识了光的波粒二相性。但是直到20世纪60年代之前，光学和电子学仍然是两门独立的学科。1960年世界上第一台激光器研制成功，这标志着光学的发展进入了一个新阶段。随后在对激光器和激光应用的广泛研究中，电子学发挥了重要的作用，光学和电子学的研究有了广泛的交叉领域，形成了激光物理、非线性光学、波导光学等新学科。20世纪70年代以来,由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，推动了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等技术的蓬勃发展，从深度和广度上促进了光学和电子学及其他相应学科(数学、物理、材料等)之间的相互渗透，形成了一个边缘的研究领域。光电子学一经出现就引起了人们的广泛关注，反过来又进一步促进了光电子学及光电子技术的发展。光电子技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息存储和处理等。

因此，可以这么说，现代信息技术的支撑学科是微电子学和光学，光电子学则是由电子学和光学交叉形成的新兴学科，对信息技术的发展起着至关重要的作用。光电子技术是光频段的电子技术，是电子技术与光学技术相结合的产物，光电子技术是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科，其技术广泛应用于光电探测、光通信、光存储、光显示、光处理等高新技术光电信息产业。同时，随着生物医学、生命科学等新兴学科的发展，其中的信息获取手段对光电子技术的依赖程度越来越高，加快了这些学科之间的交叉融合，从而诞生了很多边缘学科，比如生物光子学、光医学等。

综上所述，可见光电子技术在现代信息产业技术中的重要地位，因此，光电子技术这门课程不仅是光学工程专业的基础必修课程，也应该作为电子信息工程专业的专业选修课程来开设。

2光电子技术课程教学研究

2.1光电子技术课程的理论教学

光学光电技术篇2

20世纪70年代以来,由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，推动了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等技术的蓬勃发展，从深度和广度上促进了光学和电子学及其他相应学科(数学、物理、材料等)之间的相互渗透，形成了一个边缘的研究领域。光电子学一经出现就引起了人们的广泛关注，反过来又进一步促进了光电子学及光电子技术的发展。光电子技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息存储和处理等。因此，可以这么说，现代信息技术的支撑学科是微电子学和光学，光电子学则是由电子学和光学交叉形成的新兴学科，对信息技术的发展起着至关重要的作用。光电子技术是光频段的电子技术，是电子技术与光学技术相结合的产物，光电子技术是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科，其技术广泛应用于光电探测、光通信、光存储、光显示、光处理等高新技术光电信息产业。同时，随着生物医学、生命科学等新兴学科的发展，其中的信息获取手段对光电子技术的依赖程度越来越高，加快了这些学科之间的交叉融合，从而诞生了很多边缘学科，比如生物光子学、光医学等。综上所述，可见光电子技术在现代信息产业技术中的重要地位，因此，光电子技术这门课程不仅是光学工程专业的基础必修课程，也应该作为电子信息工程专业的专业选修课程来开设。

电子信息工程专业的光电子技术课程的基础理论知识包括：光度学基本知识、光辐射传播、光束调制与解调、光辐射探测技术等。其中，光度学基本知识是最基础的内容，包括：电磁波波谱、辐射度学、光度学、热辐射基本定律、激光原理、典型激光器等。光辐射传播包括：光辐射的电磁理论、光波在大气中的传播规律与特性、光波在电光晶体中的传播规律与特性、光波在声光晶体中的传播规律与特性、光波在磁光晶体中的传播规律与特性、光波在光纤波导中的传播规律与特性、光波在水中的传播特性、光波在非线性介质中的传播等。光度学基本知识和光辐射传播这两个基础内容可以说是光电子技术课程基础中的基础，而对于电子信息工程专业的学生来说，这些知识点比较抽象，为了便于该专业学生对光电知识的接受和激发他们的兴趣，因此，在课堂上有必要多花时间重点讲解这部分的知识点，同时在制作PPT教案时尽可能使用图片或动画描述一些原理性的知识。

比如：在讲解激光是如何产生的时候，可制作动画描述自发辐射、受激吸收、受激辐射的原理；在讲解激光器的结构和工作原理时，可制作多色图片对激光在各种光学谐振腔中的受激放大过程进行描述；在介绍各种典型的激光器时，最好收集到它们的实物照片进行讲解；在讲解光波在各种光学晶体中的传播特性与规律时，最好能制作三维立体的图片描述光学晶体的各向异性的特性，相应的公式表达尽量简洁化，然后结合动画描述光波在其中传播时所发生的变化。光束的调制、扫描和解调技术的理论教学内容包括：光束调制的基本原理、电光调制技术、声光调制技术、磁光调制技术、直接调制技术、光束机械扫描技术、光束电光扫描技术、光束声光扫描技术、空间光调制器等。这些知识点的理论基础都是光辐射在光学晶体中的传播规律和特性”。其中光束调制的基本原理移植了微电子学中微波调制中的很多概念，电子信息工程专业的学生易于理解，但是光束调制和扫描的实现技术中，除了需要使用各种光学晶体以外，还需要使用半波片、全波片、起偏器、检偏器共同组成一个系统完成光束的调制和扫描。这些光学器件对于没有光学工程基础的电子信息工程专业的学生来说比较陌生，因此，在讲解过程中应该通过动画或图片等手段形象地描绘线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光等基本光学概念，并借用相关的光学参考资料对这些光学器件的功能和原理进行简单介绍。

只有这样，才有利于电子信息工程专业的学生深刻理解光束的调制、扫描、解调等技术。光辐射探测技术的理论教学内容主要包括：光电探测的物理效应、光电探测器的性能参数、光电探测器的噪声、光电导探测器—光敏电阻、PN结光伏探测器的工作模式、硅光探测器、光电二极管、光热探测器、直接光电探测系统、光频外差探测的基本原理等。由于电子信息工程专业的学生已经具备了较好的半导体器件理论基础知识，而光电子器件本身也属于半导体器件，因此学生只要掌握了爱因斯坦的光电效应原理，就很容易理解各种光电子器件的工作原理、性能特点及应用领域。该部分所介绍的各种光电半导体器件很可能会在学生将来从事信息产业技术的相关工作中用到，也可能会在将来某些学生跨到光电信息或光学工程相关专业进一步深造时从事相关科研课题研究时用到，比如：PN结光伏探测器、光敏电阻、光电二极管、光电三极管等，都会经常用到。因此，建议在理论教学过程中，除了结合图片等多媒体教学手段介绍相关光电子器件的工作原理外，最好能够给学生展示光电子器件的实物，以便给学生一些感官认识。电子信息工程专业光电子技术课程的系统方面的知识点包括：光电成像系统、光电显示系统等。

其中，光电成像系统的基本器件是电荷耦合摄像器件(CCD)，CMOS摄像器件和电荷注入器件(CID)。目前，CCD摄像器件的应用最为成熟和广泛，主要包括线阵CCD和面阵CCD等，其原理基础仍然是光电半导体器件和两相或三相电极电路的结合。因此，教学中应结合脉冲数字电路知识重点讲解CCD的原理和特点。光电成像系统的内容包括：系统基本结构、基本参数、红外成像系统、红外成像中的信号处理及综合特性等。其中红外成像系统涉及很多应用光学方面的知识，这对没有应用光学基础知识的电子信息工程专业的学生来说比较陌生，而且属于光学工程专业学生的研究方向之一，因此，这部分内容简单介绍即可。而红外成像中的信号处理都涉及电子电路方面的知识，属于电子信息工程专业的范畴，这部分内容可以重点讲解。光电显示系统包括阴极射线管原理、液晶显示原理、等离子体显示原理、电致发光显示原理及多色激光显示原理等，其中前三类显示技术的应用已很广泛和成熟，可以重点讲解，而后两类显示技术比较前沿，可以简单介绍，以便让电子信息工程专业的学生了解当今光电显示技术的发展趋势。电子信息工程专业光电子技术课程应用方面的内容包括：光纤通信、激光雷达、激光制导、红外遥感、红外跟踪制导、光纤传感技术等。这些应用技术可以分别举一个相应的实际应用系统进行介绍，让学生体会到光电子技术的重要性和广泛性，激发他们对这门技术的兴趣。#p#分页标题#e#

对于电子信息工程本科专业而言，毕竟培养的学生不属于光学工程或光电子技术领域的人才，而且电子信息工程专业已有很多属于本专业的实验课程及课程设计，笔者认为光电子技术课程的实验教学应根据该专业学生的理论基础和将来他们最可能需要的工程能力而设置。在该课程中，各种光电子器件和原理、功能及应用最易于电子信息工程专业的学生理解，而且也是电子信息工程师应该具备的基本知识，因此，笔者建议开设一些光电子器件的相关实验课。由于光电子技术课程的总学时设置为48学时，所以建议理论教学为40学时，8学时为实验教学(共4个实验)。

光学光电技术篇3

【关键词】光刻技术;UV;DUV;EUV

一、引言

光刻技术作为微电子及其相关领域的关键技术，在过去的几十年中发挥着重要作用;但随着人们需求的不断提高而光刻技术的进步又相对滞后的状况成为目前光刻技术的最大问题。因此，正确把握光刻技术发展将显得十分重要。

二、目前主流的光刻技术

目前，电子产业发展的主流趋势是”轻、薄、短、小”，这给光刻技术提出的技术是不断提高其分辨率，即提高可以完成转印图形或者加工图形的最小间距或者宽度，以满足产业发展的需求;但是，光刻工艺在整个工艺过程中的多次性使得光刻技术的稳定性、可靠性和工艺成品率对产品的质量、良率和成本有着重要的影响，这也要求光刻技术在满足技术的同时须提高质量。因此，光刻技术的焦点是可以提供给用户什么样分辨率和产能的设备及工艺技术。而提高分辨率主要通过：（1）增大光学系统数值孔径;（2）减小曝光光源的波长;（3）降低工艺影响系数;来实现。所以目前光刻技术发展主要从以上三点实施提升。

在减小曝光波长及增大光学系统数值孔径的研究和开发中，以光子为基础的光刻技术种类很多，但主要是紫外（UV）光刻技术、深紫外（DUV）光刻技术、极紫外（EUV）光刻技术和X射线（X-ray）光刻技术。不但取得了很大成就，而且是目前产业中使用最多的技术，特别是前两种技术，在半导体工业的进步中，起到了重要作用。紫外光刻技术是以高压和超高压汞（Hg）或者汞-氙（Hg-Xe）弧灯在近紫外（350～450nm）的3条光强很强的光谱（g、h、i线）线，特别是波长为365nm的i线为光源，配合使用：（1）处理掩模板;（2）调整掩模板照明;（3）光瞳滤光修正步前，当前用光瞳滤光设计透镜正处在初步研究阶段，修正掩模板和调整照明技术则在快速发展，并在某些场合的到应用;（4）离轴照明技术（OAI）;（5）移相掩模技术（PSM）;（6）光学接近矫正技术（OPC）等，可满足0.35～0.25μm的生产要求。

目前几乎所有的微电子领域此类设备和技术会占整个光刻技术至少50%的份额;同时，还覆盖了低端和特殊领域对光刻技术的要求。光学系统的结构方面，有全反射式（Catoptrics）投影光学系统、折反射式（Catadioptrics）系统和折射式（Dioptrics）系统等;深紫外技术是以KrF气体在高压受激而产生的等离子体发出的深紫外波长（248nm和193nm）的激光作为光源，配合使用i线系统使用的一些成熟技术和分辨率增强技术（RET）、高折射率图形传递介质（如浸没式光刻使用折射率常数大于1的液体）等，可完全满足O.25～0.18μm和0.18μm～90nm的生产线要求;至于深紫外技术能否满足65～45nm的生产工艺要求。相比之下，由于深紫外（248nm和193nm）激光的波长更短，对光学系统材料的开发和选择、激光器功率的提高等要求更高。

目前材料主要使用的是融石英（Fusedsilica）和氟化钙（GaF2），激光器的功率已经达到了4kW，浸没式光刻使用的液体介质常数已经达到1.644等，使得光刻技术达到100nm以下成为可能。投影成像系统方面，主要有反射式系统（Catoptrics）、折射式系统（Dioptrics）和折反射式系统（Catadioptrics）。折射式系统由于能够大大提高系统的分辨率而起到了非常重要的作用，但由于折射式系统随着分辨率的提高，对光谱的带宽要求越来越窄、透镜中镜片组的数量越来越多和成本越来越高等原因，使得折反射式系统的优点逐渐显示了出来。

同时，45nm技术的工艺已经成功，设备已经开始量产，这使得以氟（F2）（157nm）为光源的光刻技术前景变得十分暗淡，主要原因不是深紫外技术发展的迅速，而是以氟（F2）为光源的光刻技术诸如透镜材料只能使用氟化钙（CaF2）、抗蚀剂开发缓慢、系统结构设计最终没有方向和最后的分辨率只能达到80nm等等因素。极紫外（EUV）光刻技术早期有波长10～100nm和波长1～25nm的软X光两种，两者的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为主，后者以接触/接近式为主，目前的研发和开发主要集中在13nm波长的系统上。极紫外系统的分辨率主要瞄准在13～16nm的生产上。光学系统结构上，由于很多物质对13nm波长具有很强的吸收作用，透射式系统达不到要求，开发的系统以多层的铝膜加一层MgF2保护膜的反射镜所构成的反射式系统居多。考虑到技术的延续性和产业发展的成本等因素，极紫外（EUV）光刻技术能够满足未来16nm生产的主要技术。但由于极紫外（EUV）光刻掩模版的成本愈来愈高，产业化生产中由于掩模版的费用增加会导致生产成本的增加，进而会大大降低产品的竞争力，这是极紫外（EUV）光刻技术快速应用的主要障碍。

为了降低成本，国外有的研发机构利用极紫外（EUV）光源，结合电子束无掩模版的思想，开发成功了极紫外（EUV）无掩模版光刻系统，但还没有商品化，进入生产线。X射线光刻技术也发展非常迅速的、为满足分辨率100nm以下要求生产的技术之一。主要分支是传统靶极X光、激光诱发等离子X光和同步辐射X光光刻技术。特别是同步辐射X光（主要是O.8nm）作为光源的X光刻技术，光源具有功率高、亮度高、光斑小、准直性良好，通过光学系统的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力强;同时可有效消除半阴影效应（PenumbraEffect）等优越性。

以Particles为光源的光刻技术主要包括粒子束光刻、电子束光刻，特别是电子束光刻技术，在掩模版制造业中发挥了重要作用。但电子束光刻由于它的产能问题，一直没有在半导体生产线上发挥作用，因此，人们一直想把缩小投影式电子束光刻技术推进半导体生产线。电子束光刻进展和研发较快的是传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角度散射投影电子束光刻（SCALPEL）和扫描探针电子束光刻技术（SPL）。传统的电子束光刻已经为人们在掩模版制造业中广泛接受，由于热/冷场发射（FE）比六鹏化镧（LaB6）热游离（TE）发射的亮度能提高100～1000倍之多，因此，热/冷场发射是目前的主流，分辨率覆盖了100～200nm的范围。但由于传统电子束光刻存在前散射效应、背散射效应和邻近效应等，有时会造成光致抗蚀剂图形失真和电子损伤基底材料等问题，由此产生了低能电子束光刻和扫描探针电子束光刻。低能电子束光刻光源和电子透镜与扫描电子显微镜（SEM）基本一样，将低能电子打入基底材料或者抗蚀剂，以单层或者多层L-B膜（Langmuir-BlodgettFilm）为抗蚀剂，分辨率可达到10nm以下，目前在实验室和科研单位使用较多。扫描探针电子束光刻技术（SPL）是利用扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜原理，将探针产生的电子束，在基底或者抗蚀剂材料上直接激发或者诱发选择性化学作用，如刻蚀或者淀积进行微细图形加工和制造。另外一种比较有潜力的电子束光刻技术是SCALPEL，由于SCALPEL的原理非常类似于光学光刻技术，使用散射式掩模版和缩小分步扫描投影工作方式，具有分辨率高（纳米级）、聚焦深度长、掩模版制作容易和产能高等优势，半导体生产进入纳米阶段的主流光刻技术，因此，有人称之为后光刻技术。

通过物理接触方式进行图像转印和图形加工的方法有多年的开发，但和光刻技术相提并论，并纳入光刻领域是产业对光刻技术的要求步入纳米阶段和纳米压印技术取得了技术突破以后。物理接触式光刻主要包括Printing、Molding和Embossing，其核心是纳米级模版的制作。物理接触式光刻技术中，以目前纳米压印技术最为成熟和受人们关注，它的分辨率已经达到了10nm，而且图形的均一性完全符合大生产的要求，目前的主要应用领域是MEMS、MOEMS、微应用流体学器件和生物器件，预测也将是未来半导体厂商实现32nm技术节点生产的主流技术。由于目前实际的半导体规模生产技术还处在使用光学光刻技术探索和解决65nm工艺中的一些技术问题，而纳米压印技术近期在一些公司的研究中心工艺上取得的突破以及验证的技术优势。

其他光刻技术常见的技术方案如上所述的紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等。近年来，在人们为纳米级光刻技术探索出路的同时，也出现了许多新的技术应用于光刻工艺中，主要有干涉光刻技术、激光聚焦中性原子束光刻、立体光刻技术、全息光刻技术和扫描电化学光刻技术等。

三、光刻技术的发展

随着电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上的范畴，如上所述，它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程。因此，未来光刻技术的发展也是多元化的，应用领域的不同会有所不同，但就占有率最大的半导体和微电子产品领域而言，实现其纳米水平产业化的光刻技术除极紫外光刻外，纳米压印光刻和无掩模光刻也将成未来光刻技术。

参考文献

[1]FrenchRH.Dupontphotomask，1999

[2]莫大康.无掩模光刻技术的最新发展.

[3]翁寿松.下一代光刻技术设备.

[4]庄同曾.集成电路制造技术原理与实践[M].北京电子工业出版社.

光学光电技术篇4

理解和掌握该门课程的知识对培养学生的创新思维、动手能力以及分析并解决问题的能力都具有重要的实际意义，尤其可以为学生在光电显示行业就业提供充足的知识储备。然而，《光电显示技术》课程开设对任何学校来说都是一个挑战，因为光电显示技术更新速度快、涉及面广、内容繁多，如何使学生所学知识能够与企业所需有机结合才是这门课程开始成功的关键。传统的以老师讲授，学生死记硬背的方式已经不适合这类新型课程的教学。笔者就近几年在这一门学科中的教学总结一点经验，同时提出一些思考供广大教师和同学们作为参考。

1教学内容的改革

《光电显示技术》内容繁多、设计知识面广泛，包括光学、光电子学、通讯技术、计算机技术、机械设计等多方面科学内容。大多数内容又牵扯大量的工艺、工程技术等内容。在48学时的课堂完成教学内容，时间相对不足，为了使得学生能在有限的时间内掌握和理解相关知识要素，我认为必须从以下几方面进行改革。

1.1以企业需求为导向，突出重点

自本世纪初，应用型创新人才培养的战略思想已经深入到高等教育的改革方针之中。2014年我国教育部明确提出将一半以上普通本科高等院校向职业教育转向。这说明现在人才培养的方向主要取决于市场职位的需求。以前的本科教育的培养体制在当今市场经济中表现出了很多不适应性，导致教育资源的浪费和人才培养的不合理。《光电显示技术》由于具有很强的应用性，与企业需求关联性很强。所以笔者认为这门课的授课主要应以企业需求为导向，针对性的突出重点内容，省略一些传统且面临淘汰的技术内容。我校以前的《光电显示技术》教科书（清华大学李文锋等编写的《光电显示技术》[2]）和教学大纲主要包括各类光电显示的器件结构、工作原理和驱动方式三个部分的主要内容，知识体系强调面面俱到，而对器件的上游工艺和下游工艺基本没有太多涉及。企业需求毕业生具有相关领域的基础理论知识，能够理解企业产品的工作原理，可以在此基础上做一些创新研发。同时，企业更需要毕业生具有对产品工艺技术、生产设备以及产品上下游具有一定的整体把握。因为这样，毕业生才能很快进入工作角色，才能切合实际的开展产品的生产工艺指导、生产现场管理、工艺技术创新及产品关键材料源头创新等。

鉴于此，笔者在大量调研了京东方、华星光电、友达光电及昆山龙腾等企业以及四大LED产业片区（株三角、长三角、福建江西地区、北方地区）的生产领域和产品特点的基础上，调整了授课内容。具体调整如下：

a）将液晶平板显示（LCD）、发光二极管（LED）、等离子体显示（PDP）列为授课重点；

b）将阴极射线管显示技术的课时缩短，以了解工作原理为基本教学目标；

c）增加重点授课内容所牵扯的上、中、下游产业工艺技术，逐层剖析，使学生掌握从材料到零件再到产品的整体工业生产过程；

d）增加新型光电显示技术的课后探索环节，培养学生创新思维，制造相关作品。

根据调整内容，以企业需求为导向、以理论基础知识为根据、以工艺生产流程为线索、以实际探索作品为兴趣点，逐步讲解光电显示技术中牵扯的器件工作原理、器件生产流程、器件驱动方式，这样逻辑清晰、目标明确，学生容易掌握和接受。

1.2以科研为依托，激发学生兴趣，培养创新能力

光电显示技术与物理学、光学、光谱学、光电子学、铁电学、半导体技术、微电子技术、通讯技术等学科是相互交叉。它们之间相互促进、相互制约。近几年由于光电子技术、半导体技术的飞速发展，推动了光电显示技术的高速发展。现有的光电显示技术的飞速发展，使得大部分先进技术还没有在教科书中体现。为了使得学生在这一领域树立前瞻性眼光，感触光电技术发展的脉搏，开拓他们的视野。作为教师必须时刻学习和填充自己的知识结构，提升自己的理论实践水平；同时注重科研能力的提升，并将科研思维注入教学中，做到科研教学相结合。

此外，对于产品制造中牵扯的上、中、下游产业牵扯的工艺技术在授课中是一个难以实现教学效果的环节。桂林电子科技大学材料科学与工程学院具有广西区信息材料自治区重点实验室，其中几乎涵盖了光电器件制备的所有工艺设备和技术。比如，LED制备、光刻技术、CVD设备、真空蒸镀设备、磁控溅射设备、透明电极制备技术及衬底表面处理设备等等。在教学过程中，笔者在课程教学、实验实践、毕业设计（论文）等方面开展了改革探索。具体包括：

a）围绕设备，讲解工作原理与操作

设备是实现工艺技术、大规模生产的基础。讲述工艺技术必讲述设备的工作原理和操作。结合重点实验室的设备和人员配置，给大学生们讲解设备的工作原理和操作步骤。让他们熟悉光电显示器件生产中的设备仪器和操作流程。笔者通过这一环节，使得学生深入了解了所学知识和实际之间的对接，效果很好。

b）?n题带动，深入培养创新能力

以笔者研究课题相关的前沿问题，面向学生开设与光电显示相关课题。让学生加入到实际科研探索中，通过设计探索实验和解决问题的探索思路，让广大学生们对光电显示技术领域的上游行业进行充分认识。培养他们的独立创新能力和研发能力。通过实践，激发了一部分学生对于光电显示技术相关的探索兴趣。

c）紧扣毕业设计，重点提升

结合笔者研究基础，针对有意在LED领域发展的同学，设置专项的LED毕业设计课题。让学生独立思考并提出相关问题，集中培养大学生的科研素养，让大学生具备独立进行技术开发和研发的初步技能。这一过程中，重点培养学生的在LED领域的原创开发能力。笔者已经指导了少数本科生顺利完成了LED相关的毕业设计，现已经成功进入相关企业进行工作。

2教学方法改革

教学方法是针对教学内容选择使用的。没有好的教学内容，教学方法显得苍白无力；但是只有好的教学内容，没有好的教学方法则达不到预期的教学目标。如何将教学内容以生动、形象的形式展现给学生，让他们容易接受和掌握，就需要好的教学方法来诱导。《光电显示技术》由于知识繁杂，缺乏体系，掌握和理解起来比较困难，教学方法显得尤为重要。

2.1启发式教学为主

通常所说的教学方法是指老师在课堂上以讲述为主，结合板书或是教学媒体将知识点传递或灌输给学生。教师是整个教学环节的主体，学生成为学习的被动方。这种教学方法有利于教师对于课堂的组织与管理，但是忽略了学生的能动性和创造性。如何达到预期的教学效果，调动学生的积极性才是关键。据不完全统计，由于光电显示技术的发展，大学生上课玩手机的现象已经变得非常普遍。如果学生对课堂失去兴趣，那么教师讲述得再具体、再透彻也是失败的。因此，必须充分调动学生学习的主观能动性。首先，《光电显示技术》是一门非常接近应用的课程，所以讲述每一种光电显示技术之前，必须结合身边实例，激发学生的求知欲。比如：在讲解液晶显示器章节之前，提出一个讨论题目“以自身成长为线索，谈谈你对家里电视机的更新换代的感受？”，让学生分组讨论，得出小组意见。这样让学生体会光电显示技术发展的速度和带来的便捷。同时也借助光电显示技术的缩影-电视机来说明光电显示技术就在我们身边。然后提出一个具体问题“你知道家中的电视机是何品牌，是如何制造和工作的呢？”，这样让学生带有一定的疑问来学习液晶平板显示的内容。当学生对于你提的问题存在疑问，并且这个显示器件又是经常接触的，就会激发他们的求知欲。这样会使得他们认真听讲，教学效果也就有质的提升，掌握的知识也最牢固。所以《光电显示技术》课程教学中的启发式教学容易实现，能大幅度提升教学效果。这就要求教师对每一种显示技术能提出适当的问题，让学生带着问题进入课堂学习。课后布置一些思考题，让学生学会借助网络资源加深学习的效果以及拓展自己的知识结构。教师集中一段时间集中和学生讨论，分析学生自主学习中存在的问题。这样通过启发式教学手段，结合课内课外学习，提升学生的学习兴趣和学习效果，培养他们自主学习能力、分析能力。

2.2介入翻转课堂

对于有一些新型光电显示技术，如果采用教师讲解为主的教学方式，难以达到预期的教学效果。适当介入翻转课堂，发挥学生的能动性。翻转课堂的形式采用团队协作形式。以新型显示技术为课题，分为基础理论、基础制作工艺、驱动原理与方式、显示器的优缺点分析等模块。将这些模块分给一个小组，小组人数一般在5-7人，由组长组织讨论，结合教材，借助网络和重点实验室师资平台，最终完成一个讲稿PPT。最后由组代表进行15-20分钟时间讲述。讲述结束后由教师总结并针对讲述内容进行评价和补充。经过笔者总结，适当引入翻转课堂可以在很大程度上激发学生主动学习的兴趣，有的学生还根据网络资源，采用简单的光学投影装置制备出了立体的全息投影实例，并在课堂上进行了展示。还有很多学生根据自己的亲身动手尝试制备了一些其他简单的显示装置。这种先根据基础理论，结合网络资源，再通过亲手制作，加深了对基础理论的理解，也让学生觉得学有所用。

2.3介入研究型教学方式

在教学内容中，笔者将课程教学与毕业设计、大学生创新活动结合。将学生带入课题中。给他们树立解决工程问题的信心、培养他们解决实际问题的能力。在指导学生毕业设计过程中，采取大方向由教师给出，然后根据方向进行大约1-2个月摸索，然后开小组会议讨论确定具体的研究内容。随时让他们总结实验探索过程中存在的问题和提出拟解决的思路，和教师共同制定下一步研究计划。通过反复的摸索，总结失败、成功的教训，最后实现小的研究目标。以此培养学生严谨的科研态度，体会科研中探索创新的乐趣，进而加深他们对知识的理解深度，拓宽他们对光电显示前沿的相关认知，培养他们基本的研发素养，为学校教育和社会需求的衔接提供基石。

3对该课程进一步深化改革的几点思考

3.1校企联合

在上述教学内容和教学方法的改革的基础上，本课程还需要强大的实验平台作为支撑。这里所述的实验平台，笔者认为包括两个部分：第一包含学校基础实验平台。第二包含企业见习实验平台。国内很多高校开展了该课程的教学，但是具有相关完整的实验设备的学校较少。必须健全这一课程实验课的开展，形成与理论课程配套的实验课程，才能加强这门课的培养作用。比如开设：LCD驱动方式实验、LED制备实验、LCD＼LED驱动实验、显示器参数测试实验、光刻实验、透明电极表面处理实验等等。在学校实验平台建设的基础上，通过学校积极和相关企业达成实习合作机制，积极鼓励学生参加企业见习实践，使学生真正的融入光电显示器件生产中。在见习过程中，让学生熟悉显示器件制备流程、工业制备设备的运作模式、显示器件存在的主要问题、企业的相关岗位设置等，加深学生对该行业的工业生产、研发的了解。这样做到学校的培养和企业的需求能够基本实现无缝对接。

3.2调整课程考核制度

该课程和很多基础课程性质存在很大差别，没有比较系统的知识体系和理论结构。这门课程主要强调的是学生能够学以致用。所以考核可以采用卷面考试、科研小论文、创意小作品等多元化的综合考核形式。同时可以结合企业实习表现，与企业协同考核。这样可以避免现有的纯试卷考试的弊端。

光学光电技术篇5

【关键词】光电子技术光医学光保健学科现状发展趋势

一引言

生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。

激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段,推动人类科学技术进入新的发展阶段。

可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。

在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。

随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。

国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。

福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。

二国内外现状

光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“AppliedOptics”也于1996年将其“OpticalTechnology”栏目扩充为“OpticalTechnologyandBiomedicalOptics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊JournalofBiomedicalOptics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（BiophotonicsPartnershipInitiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognitionunderstress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（TheCenterforBiophotonicsScienceandTechnology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（PhotonicsWest）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science,Nature,PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。

我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为“生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：

（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；

（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；

（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。

三医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况

“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。

30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。

实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。

中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。

重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。

重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。

重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。

“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。

四发展趋势和展望

光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中,与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。

在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段,并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域,如眼科,光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现,并以无损或微损疗法代替外科手术,如膝关节的修复。现在,用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段,包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。

在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。

值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。

今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：

（一）医学光子学基础

在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

（二）医学光子学光谱诊断技术

医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。

生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。

近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。

超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。

（三）医学光子学成像诊断技术

发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：

超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。

散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。

红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。

光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。

荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。

光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性,将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合,以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法,对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力,可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。

非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。

人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。

4.医用激光治疗技术（激光医学）

强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。

低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。

光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。

激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。

五结论

医学光子学及其技术的学科发展，对生命科学有重要且积极的意义。在医学领域，将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性，从而提高人类的生存价值和意义，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。

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课题组成员：

1.谢树森：教授、博士导师，中国光学学会副理事长，福建省光学学会理事长

2.李晖：福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室

3.陈荣：福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室

光学光电技术篇6

对，都出现了镜子。从本质上说，都和光学有关。

大到探月的嫦娥卫星，小到日常生活中的单反相机、CD光盘，无论是国家进步，还是你我的生活质量，都与光学工程息息相关。由于光学工程的应用实践要求十分严格，相关本科专业的毕业生往往无力承担与光学工程科学技术研究直接相关的工作。因此，每年有大量相关专业的本科毕业生选择考研。

由于光学工程是一门高层次、高门槛的学科，相较于机械工程、计算机科学与技术等专业，开设此专业的院校并不多。总体看来，光学工程专业的考研竞争比较激烈，尤其是在一些光学工程名校之中，2012年浙江大学光学工程的报录比就曾高达17∶1。

目前，我国具有光学工程博士一级授予资格的高校共38所。具有光学工程国家重点学科的高校共有清华大学、北京理工大学、南开大学、天津大学、长春理工大学、南京理工大学、浙江大学、华中科技大学、国防科学技术大学等9所，具有国家重点（培育）学科的高校有上海理工大学、电子科技大学两所，具有博士培养资格的中国科学院相关研究院所主要有长春光机所、西安光机所、上海光机所、上海技术物理所、安徽光机所、成都光电所等6所。

我们如何在为数不多的顶级名校或科研院所中选择一所最适合自己的院校呢？

第一，重视院校综合实力，避免依赖单一数据。

各种评估结果中的得分、排名等数据往往只能反映院校的宏观指标，且不同机构均有不一样的标准，很难客观真实地反映院校的全部情况。各院校的研究方向独具特色，互有长短，具体到每个研究方向，实力强弱更不相同，比如，光学设计这一领域，普遍认为实力强弱依次为清华大学、北京理工大学、浙江大学、天津大学等。同样的道理，单纯地看重院校的院士、长江学者数量、实验室规模、研究经费等指标也是不科学的。院校研究水平的高低并不能直接反映研究生教育质量的好坏，院校的导师构成、地理区位与就业环境、同学本科来源的层次与学术氛围等软实力也不是量化指标可以衡量的，然而这些因素对研究生阶段的学术成就以及未来的职业发展，往往比宏观数据具备更大的影响，万万不可忽视。

第二，光学工程不是什么院校都能“玩得转”。

在考生中广泛存在“211高校未必比985高校差”的思想，从而选择考研难度相对较小的“211工程”院校深造。不可否认，一些“211工程”院校在其传统优势学科上的确不比“985院校”差，甚至更有优势。但是，光学工程是一门“高富帅”的学科，只有高层次的院校才能承载光学工程这门学科，而优秀的光学工程人才往往也出自优秀的院校。主要原因体现在两个方面：第一，光学工程精密程度非常高，对实验仪器设备和资金的依赖性比较强，缺少国家重视和资金上的倾斜，院校很难承担昂贵的实验仪器设备，从而限制研究生的发展；第二，“985”院校导师的视野更加开阔，对研究生的基本要求更加严格、培养目标更高，甚至某些院校的本科生在导师的指导和严格要求下也能在诸如OpticalLetters等国际顶级光学期刊上。此外，高层次的院校学术氛围更加浓厚，出国深造、就业等方面也具备更大的优势。

在此背景下，有必要对光学工程相关院校及其考研情况进行深度解读。本文将以拥有国家重点学科的浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学，以及中国科学院的上海光机所为例进行具体分析。

浙江大学：为强者而生

学科地位：浙江大学光学工程学科设立于光电信息工程学系内，该系前身为浙江大学光学仪器专业，是中国光学工程学科的诞生地，具有雄厚的学科实力。在2007―2009年、2010―2012年教育部学科评估中均排名第一。

学科特色：有现代光学仪器国家重点实验室、国家光学仪器工程技术研究中心、国防重点学科实验室等部级研究基地。目前设置有光学工程研究所、光电信息及检测技术研究所、光电子技术研究所、光电显示技术研究所、先进纳米光子学研究所和光及电磁波研究中心、光学惯性技术工程研究中心等机构。

研究领域：浙江大学光学工程主要研究领域十分宽广，包括微纳光学与介观光学与器件、光学光电子薄膜、光电显示技术、高精度光纤传感、光电成像技术、微纳米精密检测技术、生物光子学、新型激光与光电子技术、光电子集成器件与系统，光通信技术与系统和新颖人工光电介质等。

师资力量：光及电磁波研究中心以长江计划特聘教授何赛灵为领军人物，大部分导师均为杰出“海归”或外籍教授，在光子学和电磁波的理论和实验研究领域开展了大量工作，获得了许多具有国际影响的学术成果。

地理区位：长江三角洲地区具有规模庞大的光电产业集群，具有国际化、起点高的特点，相较于珠三角地区以封装、为主的光电―半导体产业而言具有广阔的发展前景。

竞争情况：浙江大学就读光学工程的研究生中超过半数来自于浙江大学、天津大学、南开大学等名校的推免生。考研竞争极为激烈，从近年报录比便可见一斑。

考试特色：浙江大学光学工程考研参考书为郁道银、谈恒英著的《工程光学》。浙江大学光学工程的专业课考试较其他学校包括的内容更多，报考的同学需要复习几何像差、傅里叶光学等本科阶段较为薄弱的知识板块。此外，也会考查一定的激光原理知识。

华中科技大学：光谷传奇

学科地位：华中科技大学光学工程近年来发展迅速，实力雄厚。尤其是在筹的武汉光电国家实验室是我国目前仅有的几个国家实验室之一，学科地位非同一般。华中科技大学在2010―2012年教育部学科评估中与浙江大学并列第一。

学科特色：光学与电子信息学院设有武汉光电国家实验室、激光加工技术国家工程研究中心、下一代互联网接入系统国家工程实验室、国家集成电路人才培养基地、教育部电子信息功能材料重点实验室（B类）、教育部敏感陶瓷工程中心等研究机构。其中武汉光电国家实验室是由教育部、湖北省和武汉市共建，依托于华中科技大学，联合武汉邮电科学研究院、中国科学院武汉物理与数学研究所、中国船舶重工集团公司第七一七研究所共同组建，已投入4亿多元建立了12个科学研究平台以及1个光电公共测试平台。

研究领域：华中科技大学主要研究方向为光电测控技术、光电信息存储、光通信技术、基础光子学、激光科学与工程、光电子器件与集成、纳米光电子学、生物医学光子学、能源光子学、太赫兹技术。

地理区位：华中科技大学地处著名的武汉光谷，当地产业集群形成的产学研体系研究水平很高，产业价值巨大，尤其在光通信、激光等领域具有较大优势，就业前景看好。

竞争情况：华中科技大学工学复试分数线2013年为330分、2012年为340分、2011年为330分。招生人数60人左右，随当年推免生比例有所波动。

考试特色：华中科技大学光学工程专业课考试偏向物理光学、电子学、激光原理相关知识。需要注意的是有两个单位可以接收光学工程的硕士生，分别是光电学院和武汉光电国家实验室。

天津大学：精益求精

学科地位：天津大学光学工程学科设立在天津大学精密仪器与光电子工程学院，是我国较早设立光学工程的高校之一。天津大学光学工程在2007―2009年教育部学科评估中名列第二，2010―2012年教育部学科评估中名列第三。此外，天津大学精密仪器与光电子工程学院也是教育部“教育教学改革特别试验区”的15个全国试点学院之一。

学科特色：所在学院设有精密测试技术及仪器国家重点实验室、光电信息技术科学教育部重点实验室、精密仪器中心、现代光学研究所、光电子研究中心、传感工程研究所、照明技术研究所、光电测控技术研究所、激光与光电子技术研究所、生物光学研究所、安全防伪技术研究中心等研究和开发机构。

研究方向：超快激光理论与应用研究、光学信息处理及其应用、光学技术在计算机科学中的应用、数字图像处理技术、光学传感器技术、先进固体激光及非线性频率变化技术、光电子学与光通信技术、激光与光电子应用技术等。

师资力量：中国科学院院士1人，中国工程院院士1人，长江计划特聘教授4人。天津大学光学工程的师资队伍配置十分合理，老中青年教师比例合理。老年教授如姚建铨院士、王清月教授等可以保证该学科的顶级实力，中年学科骨干如刘铁根教授近年来在光纤传感领域硕果累累，超快激光实验室的胡明列教授是天津大学最年轻的教授，学术前景十分光明。

地理区位：既紧挨近年来得到长足发展的天津滨海新区，又毗邻首都北京，就业环境较为优越。

竞争情况：就读于天津大学的研究生中，本校生源占有较大比例。天津大学工学复试分数线2013年为330分，2012年为335分，2009―2011光学工程报录比如下：

考试特色：天津大学考研参考书目为郁道银、谈恒英著的《工程光学》和周炳著的《激光原理》，建议欲报考的同学参考天津大学蔡怀宇教授编写的《工程光学复习指导与习题解答》。

南开大学：虽小而精

学科地位：南开大学光学工程设立于南开大学现代光学研究所内，隶属于电子信息与光学工程学院。现代光学研究所由光学工程元老母国光院士创建，是全国高校中最早取得光学和光学工程两个学科博士学位授予权的单位。在2010―2012年教育部学科评估中，南开大学光学工程名列第五。

学科特色：设有教育部光电信息技术科学重点实验室以及博士后流动站。

师资力量：南开大学光学工程规模较小，共有教师28人，教授、研究员18人，副教授8人，其中有院士1人，特聘教授1人，博士生导师13人，但导师队伍水平相当优秀，哈佛大学、剑桥大学等欧美名校留学、访问研究的经历非常普遍，近年来在Nature、Science等国际最顶尖期刊发表多篇论文，令国内同行为之拜服。较为出色的是青年教师刘海涛教授，在Nature发表两篇论文，在PhysicalReviewLetters发表两篇论文，主要研究方向为表面等离子体等微纳光学的相关理论。

培养模式：南开大学光学工程招生规模较小，几乎与导师人数平齐，每个研究生均能得到导师的大量指导，研究生教育接近于精英教育。需要注意的是，南开大学光学工程的专业型硕士培养计划与学术型硕士培养计划基本相同，这与其他学校的培养模式有所区别。

研究领域：相比其他高校，南开大学光学工程的研究方向的理论特色较为明显，其研究领域主要有：光学/数字图象处理科学与技术、光学处理与光计算技术、激光与非线性光学科学与技术、现代光通信技术、光波电子学、光子技术、眼视觉光学和共焦显微技术、飞秒激光技术、微纳光学。

地理区位：与天津大学相同。

竞争情况：南开大学近年来考研报录情况如下所示，可见相较于其他院校，南开大学光学工程的性价比较高。

考试特色：南开大学光学工程往年专业课参考书是赵凯华、钟锡华编著的《光学》，专业课考试风格自2013年起有所变化，并且2014年考研没有提供参考书目，需要考生注意。

中国科学院上海光机所：卧虎藏龙

学科地位：上海光机所是我国建立最早、规模最大的激光专业研究所。

学科特色：上海光机所现设8个研究室，分别是：强场激光物理国家重点实验室、中科院量子光学重点实验室、中科院强激光材料重点实验室、高功率激光物理联合实验室、空间激光信息技术研究中心（含：中科院空间激光通信及检验技术重点实验室、上海市全固态激光器与应用技术重点实验室）、信息光学与光电技术实验室、高密度光存储技术实验室、高功率激光单元技术研究与发展中心。

值得一提的是，上海光机所建成了国内仅有国际上也为数不多的“神光”系列高功率大型激光装置，用于激光分离同位素的激光与光学系统、超短超强激光系统、激光原子冷却装置、空间全固态激光器研制平台。在各种新型、高性能激光器件、激光与光电子功能材料的研制方面，也进入了国际先进水平，是我国现代光学和激光与光电子领域取得研究成果最多的单位之一。

研究领域：强激光技术、强场物理与强光光学、信息光学、量子光学、激光与光电子器件、光学材料等。显而易见的是，上海光机所的研究方向非常偏向于理论研究，因而十分适合于光学工程理论方向的深造。

地理区位：地处长三角的核心上海，地理区位优势相当明显。

竞争情况：每年有许多来自清华大学、浙江大学等顶尖学府的毕业生通过推免进入上海光机所，研究所人才济济。近年来上海光机所光学工程的复试分数线为：2013年320分，2012年325分，2011年330分。每年招生人数在40―50人，随当年推免比例有所浮动。

培养模式：上海光机所的专业型硕士与学术型硕士培养计划相近，且第一年是在安徽合肥的中国科学技术大学培养。