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中国的光学回顾与展望

中国的光学——回顾与展望

第4卷第5期

2006年l0』J

光学与光电技术

oPTICS&oPToELECTRoNICTECHNoLoGY

VO1.4.NO.5

October,2006

文章编号1672—3392（2006）05—0001—15

中国的光学回顾与展望

王大珩

（中国科学院院士,中国工程院院士）

周立伟

（中国工程院院士）

摘要新中国成立5O余年来,中国的光学事业在众多领域取得了重大进展,为推进社会主义现代

化建设,加快社会的信息化进程作出了应有贡献,并在国际光学界占有一席之地.本文回顾了

5O余年来中国光学事业的发展历程,扼要介绍了中国光学工程领域发展过程中取得的一些重大进

展,展望了中国光学的未来.

光是优良的信息和能量载体.进入2O世纪,由于光电（光子一电子）技术的结合,各种新型光

电探测器和电光转换显示器件的不断涌现,激光的发明,光学方法的改进,传统光学向现代光学

与光子学迈进,光学已经成为现代信息获取,传递,存储以及现代工业制造的重要技术手段.

中国的光学工业在解放前几乎是空白,规模很小,只能生产双筒望远镜和基线为80cm的光学

测距机等产品.新中国成立后,光学研究及光学工业才得到真正的发展.5O余年来取得的一系列

光辉成就与业绩,证明了中国光学有自立于世界民族之林的能力,也有自己的特色和经验.

21世纪将是光子学与电子学比翼双飞大放异彩的世纪.中国光学大有可为.

中国的光学事业的发展大致可以分为初创,建设,成长发展三个时期.

2.11949～1960——初创期

建国初期,百业待兴.由于国民经济和国防建设的需要,为发展精密仪器研制,结合国家科

学发展规划,1953年我国成立了中国科学院仪器馆（即长春光学精密机械研究所前身）,开始创

建光学学科和建立技术光学基础.高等学校如浙江大学和北京工业学院也设置了光学仪器专业,

开始培养自己的光学人才,标志着新中国光学由此起步.长春光机所当时主要致力于光学技术基

础和材料,元器件的研究,从龚祖同先生亲自研制第一埚光学玻璃,以及掌握一些一般光学仪器

制造技术开始,到能生产一般水平的显微镜和低档的经纬仪等,继之仿制了一些代表当时水平的

精密光学仪器.~1J50年代末,中科院和工业部门的研究所和光学工厂也陆续兴起从事光学工程的

研发和光学仪器的生产,前苏联也帮助我们建起了两个光学工厂,即国营248厂（军用光学仪器）

和国营208厂（光学玻璃）.所有这一切,初步建立了我国的光学技术基础.

自2O世纪5O年代开始,我国的高校和工厂培养了一大批从事光学工程,富有朝气的青年学生

和科技人员,为后继成立的光机所和技物所以及各地的光学厂输送了一大批技术骨干,所培养的

人才和所获得的成果对我国的光学和仪器制造工业起到了积极的奠基和推动作用.

这一时期我国的光学主要致力于有关光学技术基础和材料,元器件的研究,仿制了代表当时

水平的若干精密光学仪器,自行设计研制了高精度大地测量经纬仪,中型电子显微镜,大倍率大

口径望远镜,航空摄影相机等光学设备,为我国光学技术的后续发展作了人才和技术准备,初步

形成了我们的光学行业.当时在光学领域较为突出的成果有:

1958年长春光机所研制的号称"八

大件"的精密光学仪器.它们是:

1"精度的大地测量经纬仪,1m精度的万能工具显微镜,大

2光学与光电技术第4卷

型石英摄谱仪,中型电子显微镜,中子晶体谱仪,地形测量用多臂航摄投影仪,红外（变像管）

夜视镜等,以及系列有色光学玻璃.此外,还有北京工业学院（现北京理工大学）研制的大型天

象仪（假天仪）等.

2.21960—1978——建设期

20世纪6O年代开始,研究光学的单位和人员增加很快,特别是激光,微光,红外等新技术出

现,研究领域不断扩大.自6O年代开始,为适应国防建设的需要,陆续在全国成立了中科院的上

海光机所（激光和激光工程）,西安光机所（高速摄影与瞬态光学）,成都光电所（光电技术与

自适应光学）,安徽光机所（大气光学与遥感）,上海技术物理研究所（红外与航天航空遥

感）,船舶工业的七一七研究所（光电技术）,兵器部的西安应用光学研究所（微光与光电）,

西南技术物理研究所（激光）,昆明技术物理所（红外,热成像）,电子部的11所（红外,激

光）,13所（半导体）,44所（CCD器件）,航天部的8358所（激光,光电,红外）等,它们在

光学和光电领域各有自己的特色和重点.

1961年,我国第一台红宝石激光器在长春光机所诞生,它离美国的梅曼在休斯实验室发明的

红宝石激光器仅晚一年.激光的发明和发展引起了光学的重大变革,我国在激光等领域也做出了

显着贡献,有了长足的发展.

我国光学工程的研究工作起步于"两弹一星"的研制.从2O世纪6O年代起,中科院,兵器工

业,电子工业等光学精密机械研究所和工厂为了适应国际形势和国防建设以及国民经济建设需

要,大都转向以国防光学技术和工程研究作为主攻方向.首先是中科院长春光机所,为配合我国

导弹的发射试验,国家向长春光机所提出研制大型精密光学跟踪电影经纬仪的任务,用以测量中

程导弹飞行弹道轨迹,评定制导系统的运行精度和获取成像电影记录.经过5年艰苦努力,大型外

弹道光学精密测量设备——150—1电影经纬仪于1965年底研制成功,使我国靶场第一次装备了国产

大型光学精密仪器,开创了我国独立自主地从事大型精密光学装备研制和生产的先河.

文化大革命中,尽管许多科研工作受到很大的干扰,但自2O世纪60年代开始,我国的光学科

技,特别是为"两弹一星"服务的光学装备和国防光学工程的研究和开发,一直没有停顿过.我

国在激光技术,红外技术,热成像,微光夜视,光电遥感与靶场光学仪器,核试验高速摄影设备

以及大型天文光学仪器等研制上依然取得了一系列显要的进展和可喜的成就.

2.319782000——成长发展期

党的十一届三中全会以来,在邓小平"科学技术是第一生产力"科学论断指引下,改革开放

和知识分子政策的落实,极大地调动和鼓舞了中国光学界科技人员的积极性和创造性.光学,也

像其他科学一样,获得了空前发展的机遇,进入了一个崭新的阶段.20世纪8O年代以来,由于高

技术发展的需要,现代光学与光子学——激光,微光,红外,全息,光通信,光存储,光显示的

迅猛发展,促进了当代科技,国防,经济的发展和人民物质生活水平的提高.国家自然科学基金

的设置以及863计划的实施,促进了光学和光子学的前沿基础研究以及应用研究的发展.国家重点

实验室的建立.使应用光学和光学工程的科学研究实验条件有了很大的改善.据不完全统计,已

经建成或开放的有关光学的国家重点实验室有:

超快激光光谱学实验室（中山大学）,光学仪器

实验室（浙江大学）,晶体材料实验室（山东大学）,激光技术实验室（华中科技大学）,应用

光学实验室（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）,集成光电子学实验室（清华大学,

吉林大学,中国科学院半导体研究所）,红外物理实验室（中国科学院上海技术物理研究所）,

光电技术与系统实验室（重庆大学）,量子光学实验室（山西大学）等.此外,中国科学院的开

放研究实验室有:

视觉信息加工实验室（生物物理研究所）,激光光谱学实验室（安徽光机

所）,高功率激光物理实验室（上海光机所）,量子光学实验室（上海光机所）,瞬态光学技术

实验室（西安光机所）,光学与精密机械新技术实验室（成都光电技术研究所）等.高等院校和

部委还有若干个光学与光电子学方面的开放实验室和专业实验室.这些国家重点实验室,开放实

验室,国家工程研究中心,或由国家与有关部门联合投资,或由世界银行贷款兴建,拥有国际先

进的仪器设备和设施,聚集了高水平科技人才,有较为灵活的运行机制,为光电子科技成果转

第4卷大珩周伟:

中国的光学一一顾与展望3

化,创造自主知识产权和促进光电子产业发展发挥了重要作用.所有这些都为加强光学与光子学

的基础研究和应用基础研究,适应新时代科技发展潮流,培养创新人才,促进光学工程学科的发

展,为开展学术交流和合作研究创造了良好的条件.

目前,我国的光学与光子学的研究已有相当大的队伍,有较好的基础.据不完全统计,我国从

事应用光学和光学工程的单位有大,中型研究所和企业近300家,从业人员约15万人,主要分布在

中国科学院,国家教委,机械,电子,航空航天,船舶,兵器等部门.全国有85所高校设立了光

学,光电及激光专业.1979年起,中国光学学会正式成立,下设17个专业委员会,积极开展国内

外学术交流工作.

20世纪80年代开始,我国多项国家级战略性科技计划启动并实施,如国家863计划,激光技术

和光电子技术（包括用于信息领域的激光技术）是863计划七大领域中的二个.国防科研中的激光

与光电子技术作为跨部门项目正式立项.自"七五"以来的国家攻关计划,光电子和激光技术一

直作为重大项目.在国家自然科学基金的资助中,1986～1998年年平均资助27.6个激光领域项目,

力度是比较大的.这些由国家支持的计划都是经过充分论证和严格挑选,对国民经济和国防建设

具有重要意义,且投资强度较大,科研力量较强,对全国光电子和激光的科技发展起了重大组织

和推动作用,影响深远.国内外的学术交流大大加强:

如由中国光学学会与国际光学工程学会

（SPIE）共同组织"PhotonicsChina"或"PhotonicsAsia"国际学术会议每二年在我国举行一次.

一

大批年轻科技人才出国进修,其中相当一部分优秀人才学成归国.许多光学科研单位改革组织

体制和运行机制,面向市场,鼓励创新,大力促进科技成果向商品转化,取得了可喜成绩.

随着我国改革开放的进程,光学逐步渗透到各个科学技术与应用领域,成为一门蓬勃发展的

新兴技术,不少分支已形成相当规模的新兴产业.改革开放以来,我国的光学面向应用,面向世

界,面向未来,取得了前所未有的进步,涌现出一批国际先进水平的成果,为迈向21世纪打下了

坚实的基础.

上世纪的最后20年是现代光学与光子学大发展的年代,也是中国光学大踏步前进的20年.中

国光学迈向现代化进程中发生的巨大变化表现在:

1）完成了由传统光学向现代光学的过渡和转变

光学突破了传统的束缚,拓宽了可见光的概念,从紫外,可见,微光,红外,直到激光,光

纤通信的各个波长;现代光电子仪器和设备;中破了光机的基本传统的结构,具有光机电算一体化

的特征;光电子仪器走向自动传感,微机控制,CCD摄像监视,智能操作,图像处理等.中国光

学实现了由传统光学向现代光学的转变.

2）微电子技术,计算机技术在光学上的广泛应用

微电子技术,计算机技术的发展和应用并渗透到光学各领域,成为现代光学仪器不可分割的

一

部分,推动了光学仪器的光机电算一体化和智能化.

3）大力发展光电子学和光电子技术

电子学,半导体技术与光学的结合和渗透,产生了光电子学,包括光转换为电,电转换为光

这个具有深远意义的交叉学科分支.光电子技术的一个重要应用是光纤通信.光电子主动地进入

信息界广泛的领域,无可争议地成为信息产业的主角之一.中国企业界也纷纷抢占光电子高地,

相继建立了长春"光电基地",武汉"中国光谷",重庆"光电",广州"光谷",深圳"光子

产业"等光电子信息产业基地.

4）在光学上形成了一系列新的学科分支并向其他学科渗透

在中国,随着光学学科的发展,已经形成了非线性光学,导波光学,强光光学,全息光学,

自适应光学,x射线光学,天文及大型光学工程,激光光谱学,瞬态光学,红外光学,遥感技

术,声光学和成像光学等多门新的学科分支.此外,光子学向物理学,化学,生物学,医学等学

科渗透并相互结合,产生了激光物理学,量子光学,激光等离子体物理,激光微观动力学,光化

学,激光诱导荧光光谱学,激光生物学,生理光学,激光医学等.现代光学和光学工程已发展为

以光学为主的,并与信息科学,能源科学,材料科学,生命科学,空间科学,精密机械与制造,

4光学与光电技术第4卷

计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科.

5）光学应用已普及到国民经济,国防建设的各个领域

我国光学的应用已遍及或渗透到各个科学技术领域,特别是高新技术领域,如空间,能源,

材料,微电子,生物工程,化学工程,医疗,环境保护,遥感,遥测,精密加工,计量,通信,

印刷,能源,生态环境,防灾,农业,生命科学,资源保护以及军事等领域.在当代,可以这样

说,没有一个技术部门不与光学有联系.光学与人民生活息息相关.

半个世纪来,我国在靶场光学测量设备,高功率激光装置,卫星测距,核试验高速摄影设

备,大型天文望远镜与电子显微镜,航天航空光学遥感设备,激光器及系统,红外及微光夜视技

术,全息术,光存储,白光信息处理与自适应光学,光学精密计量,同步辐射光源,大型天文光

学仪器以及光纤通信等取得了一系列的进展.代表中国光学工程的重大成就主要有:

靶场光学装

备——大型经纬仪;2.16m天文望远镜;"风云一号"气象卫星遥感光学设备;第一台红宝石激

光器;惯性约束聚变（ICF）激光驱动器——"神光"系列;皮秒条纹相机;飞秒激光器;我国第

一

代热像仪,微光夜视系列产品;第一代国产同步辐射工程;自适应光学系统;光学精密计量器

具等.

下面扼要叙述20世纪中我国在这些领域的成就.应该指出,自21世纪以来,我国在这些领域

又取得了不少重大的进展,下面的叙述并不代表我国当前的水平.

3.1惯性约束聚变（IOF）激光驱动器——"神光"系列

20世~_28o年代开始,中科院上海光机所和中国工程物理研究院联合承担了"神光"系统的研

制和惯性约束聚变（ICF）物理实验,1986年建成了我国自行设计自行研制的"神光一I"激光装

置,输出功率大于2万亿瓦,达到国际同类装置的先进水平;连续运行8年,在ICF和x射线等前沿

领域取得一批国际一流水平的物理成果.20世纪90年代,又研制了规模扩大4倍,输出功率已达

8万亿瓦,性能更为先进的"神光II"装置,总体设计和关键技术研究已取得一系列高水平的成

果.

"神光II号"巨型激光器实际是成百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内,当8束强激

光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时,在十亿分之一秒的超短瞬间内可发

射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率,从而释放出极端压力和高温,引发聚变反应.

"神光二号"的问世标志中国高功率激光科研和激光核聚变研究已进人世界先进行列.目前,只

有美国,日本等少数国家能建造如此精密的巨型激光器.

3.2激光测卫

在激光测卫方面,我国第一代是红宝石激光人造卫星测距系统,测距精度为m级,最远可测

距离为2300km,精度2m左右.第二代是YAG调Q激光器,精度为10cm级;第三代人卫激光测距

系统,则为使用锁模激光器加微机系统,在大于8000km距离上精度达cm级,达到国际水平,已

应用于卫星精密定轨和地球板块的漂移监测.并在上海,武汉,长春,北京,昆明等地先后建

站,形成中国测卫网,数据参加国际交流.人造卫星测量仪器,如大型经纬仪,观测人造卫星径

迹的施密特照相等都达到很高水平,解决了国家急需.现正在研制新一代的各种人造卫星测量仪

器.

3.3第一台红宝石激光器与激光技术

1961年夏,即世界上第一台激光器出现后一年,中国第一台红宝石激光器在长春光机所研制

成功,开创了我国激光技术发展的新纪元.研制人为:

邓锡铭,王之江.此后短短几年内,我国

激光技术迅速发展,各种类型的固体,气体,半导体和化学激光器在60年代相继研制成功,如

He—Ne激光器（1963年7if]）,掺钕玻璃激光器（1963年6月）,GaAs同质结半导体激光器

（1963年12月）,脉）q~Ar激光器（1964年10月）,CO,分子激光器（1965年9月）,CHI化学激光

第4卷人珩刷立伟:

中国的光学一一回顾与展5

器（1966年3月）,YAG激光器（1966年7月）等.与此同时,激光领域的基础研究和关键技术得

到相应发展,一系列新概念,新方法和新技术,如腔的Q突变及转镜调Q,行波放大,铼系离子的

利用,自由电子振荡辐射等纷纷提出实施,其中不少具有独创性.

3.4靶场光学跟踪测量设备

靶场光学测量技术主要包括导弹的外弹道光学测量技术,空间飞行目标的姿态等参数的测量

技术,核爆试验的观察记录技术等,这些技术通过研制电影经纬仪,弹道相机,跟踪望远镜,光

电瞄准设备,船体变形测量系统以及高速摄影机等光学装备得以发展.

自20世纪60年代起,为配合我国"两弹一星"的发展,中科院光机所研制了陆地和海上用各

种型号的光学跟踪测量设备.这些光学装备为各类飞行体的轨迹分析和定型起到了重要作用.例

如,中科院长春光机所研制的激光,红外,电视,电影经纬仪及船体变形测量系统两项光学工

程,在1980年5月我国向南太平洋发射远程运载火箭试验中,出色地完成了火箭再入段的跟踪测量

任务,独立解决了当今世界远洋航天测量的稳定跟踪,定位,标校和抗干扰等技术难题.

近40年来.中科院光机所研制的靶场光学跟踪测量设备,技术不断更新（采用了数字化,激

光,红外,电视,计算机控制和数据处理等新技术）,性能不断完善和提高,先后共研制生产了

电影经纬仪,激光红外电视电影经纬仪,弹道相机,跟踪望远镜,光电瞄准设备,光机式高速摄

影相机,变像管高速摄影机等数百套光测系统与设备,为我国导弹,火箭飞行轨迹的精确跟踪测

量及飞行性能的分析,核爆现象的记录和分析起了重要的作用.靶场光学跟踪测量设备已成为我

国自力更生研制高技术设备的成功范例,为推进我国国防现代化作出了重大贡献.从技术进步

看,我国靶场光测设备已发展到第三代,达到了国外同类仪器的先进水平.

3.5高速摄影

自1962年起,中科院西安光机所等为配合国家核试验,导弹发射试验,常规武器以及国防科

学研究,全面开展了高速摄影及瞬态光学工程技术的研究,相继研制成功数百台（套）高速摄影

仪器设备,其类型包括克尔盒式单幅,克尔盒式多幅,间歇式,光学补偿式,狭缝式,转镜分幅

式,转镜扫描式,变像管扫描式,变像管分幅式,变像管同步扫描式,全息高速摄影机和变像瞬

时光谱仪,以及x射线皮秒变像管扫描和分幅相机等.光机式高速摄影机的时间分辨率从us级,

ns级,ps级直Nfs级;使用波段从可见光一直到x射线.已研制出等待型分幅变像管高速相机,每

幅最短曝光时间20ns;变像管皮秒扫描相机（BWS一5K）静态空间分辨率:

17lp/mm,最高扫

描速度:

56mm/ns,时间分辨率:

优于5ps.

3.6微光,红外夜视技术

微光夜视技术利用夜间自然弱光或低照度下的反射辐射,通过光电,电光转换及增强措施,

使景物转换为可见光图像.1964年1oN,我国第一台采用三级串联像增强管的微光夜视装置在中

科院长春光机所研制成功.20世纪70年代末,兵器工业应用光学研究所成功研制了采用三级级联

的第一代微光像增强器,它是用纤维光学面板作为输入窗和输出窗,用Na,KSb（Cs）作光阴极的

三级级联耦合的像增强器,这种像增强器已在轻重武器和装甲车辆的微光观察镜,瞄准镜以及远

距离夜间观察装置上得到应用.20世纪80年代初我国开始研制带微通道板（MCP）的像管,它称

为第二代像增强器,其优点是重量轻,畸变小,鉴别率高,能防强光和自动亮度控制.20世纪

90年代中,超二代近贴式微通板像增强器研制成功,它与二代管最大的差别是光阴极的灵敏度由

300laA/lm提高到500.600laA/lm.目前我国已能批量生产18mm系列,25mm系列,40mm系列

一

代像增强器,18mm系列二代,超二代近贴式微通板像增强器,超二代杂交像增强器等.

红外热成像技术,系利用红外波段3～5lam和8～14lam--个大气窗口,利用物体本身的热辐

射,使场景中的目标热辐射转变为可见.第一代红外热成像系统主要由红外探测器（含致冷

器）,光机扫描器,信号处理电路和视频显示器组成,前三者决定了系统的主要性能.红外探测

器有锑化铟器件和碲镉汞器件,但国内当前广泛发展的是高性能多元碲镉汞（CMT）探测器,器

件元数有12元,24元,36元,60元和120元.多元碲镉汞器件不但提高了探测率,还增大了视场,

6光学与光电技术第4卷

提高了分辨力和信噪比,并可在3～5um或8～14um两个大气窗波段下工作.20世_~28o年代末.

8条扫积型探测器（Sprite）在昆明试制成功.该探测器的性能好,每条相当于10多元的CMT水

平,除具有探测功能外,它能在元件内部实现信号的时间延迟和积分,使红外系统简化紧凑.杜

瓦瓶结构简单,工艺难度下降,提高了可靠性.兵器工业2l1研究所生产的碲镉汞红外探测器系列

包括8条Sprite,60元,32元,8元光导线列及高频响应的光伏器件,已用于我国I,II类通用组件热

成像,星载遥感,激光测距,精确制导等系统中.第二代红外热成像系统采用红外焦平面探测器

列阵,我国已研制成功工作波段为1～4um,256X256元铂硅面阵探测器的红外CCD热像仪.

288X4CMT扫描和凝视焦平面探测器列阵正在研制中.

在红外技术方面,至20世-~270年代末已研制可供实用的致冷型硫化铅,锑化铟,碲镉汞等红

外光电探测器及多种室温工作的热红外探测器,实现了0.76～15um红外探测波段覆盖.在此基础

上,研制生产了机载红外相机,红外导引头,工业和医用热像仪,红外热像仪,红外测温,测湿

及气体分析仪等,在国防和国民经济建设中获得应用.20世_~28o年代末,红外热释电探测器开始

规模生产,在红外入侵探测及红外光电开关等方面大量应用.形成产业.

3.7航天航空光学遥感技术

航天遥感,泛指从卫星等航天平台对气象,大气污染和地面等观测的遥感技术和系统.随着

国家对航天遥感的需求和红外光电技术水平的提高,中科院上海技术物理所等单位大力开展航天

光电遥感技术,至今已持续30余年,发展了可见红外多波段扫描辐射计,水色扫描仪,多光谱相

机,CCDJfg]机中分辨率成像光谱仪,大气探测红外分光计,干涉光谱仪,卷云探测仪等.地球辐

射收支仪等航天光电遥感仪器,分别用于极轨和静止气象卫星,海洋卫星,资源卫星和"神舟

号"飞船的对地观测.其中有多套遥感仪器装载在我国"风云"系列的极轨和静止气象卫星上.

入轨运行性能优良,为我国气象预报,全球和区域环境的连续监测,以及卫星气象观测业务的建

立作出了重要贡献.从1975年起,分别装载在我国17颗返回式卫星,3颗极轨气象卫星,2颗静止

气象卫星和2颗资源卫星上入轨运行,所获得的观测资料应用于环境和资源监测,国土普查,天气

预报等方面取得成效.

中科院上海技物所研制的"风云一号"气象卫星（cN）10波段扫描辐射计,它是在360

round/m甚高分辨率（5波段）扫描辐射计原5个探测波段基础上增加三个红外通道,一个蓝紫光

通道和一个近红外通道,分别用于海洋水温,森林火情,土壤湿度,海洋叶绿素及水汽含量的探

测.卫星于1999年5月10日发射升空,经用户严格的在轨测试,其主要性能及获取的图像信号质量

与美国正在使用的NOAA_ff_星AVIIRRJfg]当.由于10波段扫描辐射计在覆盖美国NOAA_ff_星

AVIIRR全部6个通道以外,又增设了4个可见光探测通道,全球延时图像的空间分辨率优于

NOAA_ff_星,因此它是当今世界上极轨气象卫星中综合能力最强的光电成像遥感仪器.2000年8月

因"风云一号"气象卫星C星轨道运行稳定和遥感仪技术指标先进,综合成像观测功能强和图像

质量优良,被联合国世界气象组织列为国际业务卫星.卫星获取的图像观测资料以实时方