成像用于收集有关世界的物理信息，无论是使用智能手机摄像头捕捉瞬间，还是使用光学相干断层扫描进行显微外科成像。成像技术和领域的例子包括摄影、热成像、多光谱成像、高光谱成像、引力成像、光声成像、热磁成像和散斑成像和光学相干断层扫描。

弹药试验的热图像。图片由FLIR Systems提供。

激光器产生高度聚焦和集中的线性光束，是激光雷达、数字投影、成像技术、条形码扫描仪、数据存储等的使能技术。激光器的尺寸范围从可以跨越数英里的巨大同步加速器到几纳米长的微型VCSEL。各种类型的激光器适用于不同的任务，从切割和焊接、外科和医疗应用，到自动驾驶汽车的激光雷达系统。
   

蓝色波长被许多材料高度吸收，从而为焊接金属带来定性和定量优势。图为NUBURU的AO-150，由NUBURU提供。

透镜是通过折射聚焦或散射光的透射光学器件。这些设备能够根据其形状完成各种任务，例如放大、像差校正和对焦等应用。石英玻璃、塑料、硼硅酸盐玻璃或硫族化物等各种材料在有用的波长、处理热量的方式、耐用性等方面各有优缺点。

Aspheric lenses. Courtesy of  Edmund Optics.           
非球面透镜。图片由爱特蒙特光学提供。         
   

Lens blank made from chalcogenide material. Courtesy of LightPath Technologies. 镜片毛坯由硫族化物材料制成。由 LightPath Technologies 提供。

该技术用于通过使用非接触式光学传感来解释有关物体或场景的信息。机器视觉已经发生了长足的发展，从执行简单任务的相机，到使用深度学习对复杂数据做出明智决策的复杂多光谱设备。随着自动化时代新篇章的开始，机器视觉使机器人能够执行越来越复杂的任务，例如垃圾箱拣选。该技术正在改善制造工艺、自动驾驶汽车的安全性和医学成像。

自动玻璃检测系统中的高速成像可捕获缺陷。由 ATS Automation 友情提供。

光子学技术使测量比以往任何时候都更加精确。角度、尺寸、形貌、光强度和波长都可以以极高的精度进行测量。光学计量的例子包括光学距离测量、激光雷达、飞行时间、光学温度传感器和光谱测量。    

非球面测量选择包括拼接干涉测量。图片由爱特蒙特光学提供。

显微镜是光学用于观察微小物体和现象的应用。荧光技术通过分离特定的蛋白质或细胞来扩展可以收集的信息量。超分辨率显微镜超越了衍射的理论极限阿贝极限，进一步推动了该技术的发展。

显微镜历来受到阿贝极限的限制，阿贝极限是衍射的理论极限，尽管超越该极限的超分辨率显微镜是一个主要的研究领域。3-D-PAL-M由蔡司友情提供。ITPKA-NGG 由 M.J. Schell、统一服务大学和蔡司提供。T 细胞由牛津大学韦瑟罗尔分子医学研究所 MRC 人类免疫学部门提供。    

光纤可以通过将玻璃或塑料拉成比人的头发略厚的直径来制成。光纤用于多种应用，但最常见的是光纤通信。与电缆相比，光纤通信提供更长的距离和更高的带宽（数据速率）传输。光纤还用于照明和成像，以及更专业的应用，如光纤传感器和光纤激光器。

光纤通信技术自出现以来带来了科技和社会领域的重大变革。作为激光技术的重要应用，以光纤通信技术为主要代表的激光信息技术搭建了现代通信网络的框架，成为信息传递的重要组成部分。光纤通信技术是当前互联网世界的重要承载力量，同时也是信息时代的核心技术之一。众所周知，光纤通信技术的基本要素是光源、光纤和光电探测器（PD）。其中，应用最为广泛的光源是激光器；光纤的能量传输效率极佳，传输损耗是波导电磁传输系统中最小的；PD 是光纤通信接收端的关键组成部分。

与其他介质相比，大约一根头发大小的光纤能够在更长的距离和更快的速度上传输更多的数据。图片由 iStock.com/alphaspirit 提供。

当前各类信息技术都需依靠通信网络来传递信息，光纤通信技术可以连接至各类通信网络，构成信息传输过程中的大动脉，并在信息传输中发挥重要作用。现代通信网络架构，主要包括：核心网、城域网、接入网、蜂窝网、局域网、数据中心网络与卫星网络等。不同网络之间的连接都可由光纤通信技术完成，如在移动蜂窝网中，基站连接到城域网、核心网的部分也都是由光纤通信构成的。而在数据中心网络中，光互连是当前最广泛应用的一种方式，即采用光纤通信的方式实现数据中心内与数据中心间的信息传递。由此可见，光纤通信技术在现在的通信网络系统中不仅发挥着主干道的作用，还充当了诸多关键的支线道路的作用。可以说，由光纤通信技术构筑的光纤传送网是其他业务网络的基础承载网络。

 现代通信网络架构

随着各种新兴技术如物联网、大数据、虚拟现实、人工智能（AI）、第五代移动通信（5G）等技术的不断涌现，对信息交流与传递提出了更高的需求。据思科公司（Cisco）2019 年发布的研究数据显示，全球年度 IP 流量将由 2017 年的 1.5 ZB（1 ZB=1021 B）增长为 2022 年的 4.8 ZB，复合年增长率为 26% [1]。面对高流量的增长趋势，光纤通信作为通信网中最骨干的部分，承受着巨大的升级压力，高速、大容量的光纤通信系统及网络将是光纤通信技术的主流发展方向。

光学传感器将光转换为电子信号，然后由计算机解释。它们有多种用途，包括测量光的变化;解释光数据以创建图像;发电;测量温度、速度、压力和振动;零件的计数或定位;并启用非接触式检测。

光谱仪使用光学元件对传感器检测到的入射光进行衍射，直至其最基本的光谱。每种物质都有独特的光谱指纹。现代光谱仪配备了光谱指纹数据库，用于快速识别和数据采集。光谱类型包括拉曼光谱、傅里叶变换光谱、红外光谱和紫外线光谱。光谱学在生物学、医学、法医学、食品安全和天文学中都有应用。

非处方镇痛药片的拉曼图像，说明片剂中对乙酰氨基酚（蓝色）、阿司匹林（红色）和咖啡因（绿色）的分布。图片由 Ranishaw 提供。

下一篇我们将对现代社会的光子学应用展开介绍，它是如何将我们的生活变得多姿多彩？敬请期待！

摘自：photonics