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导波光学（摘自李玉全编著的「光波导理论与技术」一书的部分章节）第一章绪论当今社会是信息社会，信息技术正在改变着人类社会。
在各种各样的信息技术中，光信息技术的地位越来越重要，作用也越来越突出。
在信息的产生、采集、显示、传输、存储以及处理的各个环节中，光技术都扮演着重要的角色。
20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。
20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，导波光学（包括集成光学和纤维光学两个分支）已成为光信息技术与科学的基础。
光通信是20世纪70年代以后发展起来的新的通信技术。
光通信被认为是通信发展史上一次革命性的进步，它对人类由工业化社会向信息化社会的进步，有着不可估量的推动作用，而光波导理论和光通信器件则是光通信技术的基础。
鉴于教学学时的限制，本教材仅对光波导的基本理论、以及它在光通信系统中的应用予以概括性的技术介绍。
在介绍具体的光波导理论及应用之前，我们首先简单介绍一下光通信的发展过程。
本教材论述了导波光学的主要理论基础和应用技术。
1.1 通信历史的回顾通信的发展历史总是与人类文明的发展历史紧密相关的。
可以认为，人类早期的长途通信手段____烽火台报警通信就是光通信。
烽火台通信是现代接力通信的雏形，每个烽火台就是一个通信中继站。
当边关有战事时，烽火台点起烽烟，一级接一级地往下传，很快即可将信息送达目的地。
当然这种光通信并非现代意义下的光通信，可以称它是目视光通信。
这种通信方式的优点是快速，主要缺点是能传输的信息量太小，烽火无法表达边关战事的具体情况。
到了中世纪这种烽火台通信又得到了改进，人们用不同颜色的烽烟组合来传递较为复杂的信息。
目视光通信在19世纪达到了它的顶峰。
18世纪末，法国人夏布（Chappe）发明了扬旗式通信机（又称旗语通信机）。
第一章绪论主要讲以下几个部分：一、发酵及发酵工程概述二、发酵工程的发展史三、发酵工程的内容和特点四、发酵工程产业的现状和展望一、发酵及发酵工程概述（一）发酵概述1、发酵的定义（fermentation)（1）狭义发酵“fermentation”（发酵）这个英文术语最初来源于拉丁语“fervere”（发泡、沸涌），是一个派生词。
最初是用来描述酵母菌作用于果汁或发芽谷物（麦芽汁）进行酒精发酵时产生气泡的现象，就像轻轻开启啤酒瓶盖后所看到的现象[“沸腾”]那样。
这种现象实际上是由于酵母菌作用果汁或麦芽汁中的糖，在厌氧条件下代谢产生二氧化碳气泡引起的。
随后人们就把这种现象称为“发酵”。
]但是当时人们并没有把发酵现象和微生物的生命活动联系起来，直到1857年法国科学家、微生物学家巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的。
发酵这个词也被认为是酵母菌在无氧状态下的呼吸过程，即无氧呼吸，并且，巴斯德也阐明了无氧呼吸是生物获得能量的一种方式。
虽然这个阐述不很全面，但是至今仍然是正确的。
[这也第一次将发酵与微生物的生命活动（微生物的作用）联系起来。
]从微生物学的观点来看，发酵是微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。
[以酵母菌的乙醇发酵为例看一下：酵母菌在无氧条件下作用于果汁或麦芽汁中的糖，将糖分子分解并失去分子内电子，而电子的最终受体为糖的分解产物乙醛，乙醛接受电子后被还原为乙醇。
] 在发酵条件下有机化合物只是部分的被氧化，因此，只释放一小部分的能量。
发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。
被还原的有机物来自初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。
这种发酵是有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。
发酵的类型很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。
生物化学上发酵的定义：是指在无氧条件下，底物在酶催化下脱氢后所产生的还原力[H]，不经过呼吸传递而直接交给某一内源氧化型中间代谢产物的一类低效产能反应。
[其实，课本上，微生物学发酵也好、生物化学发酵也好，角度不同，讲的是一个意思，都是狭义发酵，即]发酵仅指专性厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下利用各种有机物h获得能量的一种方式。
[和狭义的发酵对应的还有广义的发酵概念：]（2）、广义发酵关于“发酵”一词，《辞海》中解释是：发酵一般泛指利用微生物制造工业原料或工业产品的过程。
工业上给出的概念是（课本P1第五段）：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来大量生产或积累微生物细胞、酶类和代谢产物的过程，统称为发酵。
[以谷氨酸棒杆菌的谷氨酸发酵过程为例：生物合成谷氨酸的途径大致是：葡萄糖经糖酵解生产丙酮酸，在有氧条件下通过三羧酸循环生成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH4+存在的条件下，生成谷氨酸。
谷氨酸棒杆菌的发酵过程是需氧的，这也同样属于工业微生物学定义中的“发酵”。
我们列个标来看对比一下狭义发酵和广义发酵的区别：也就是广义上的发酵剂包括厌氧发酵（在无氧的条件下进行发酵）：如酒精发酵、乳酸发酵、丙酮、丁醇发酵等；也包括有氧发酵（通气发酵，在有氧的条件下进行发酵）：如抗生素发酵、醋酸发酵、酶制剂、氨基酸发酵、维生素发酵等。
] [2、发酵类别：根据对氧的需要区分：厌氧发酵和有氧发酵根据培养基物理性状区分：液体发酵和固体发酵（固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。
•液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。
）根据操作类型区分：分批发酵和连续发酵]（二）发酵工程概述1、发酵工程的概念发酵工程是指利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，在发酵罐中生产有用物质，[或直接把微生物应用于工业生产过程]的一种技术系统。
［发酵工程又可称为发酵技术、微生物工程。
发酵工程是微生物学、生物化学、化学工程学、药学等多学科密切相关的交叉性学科。
］[2、发酵工程生产产品的流程发酵工程是在大量的产品工艺学基础上提炼出来的，是以操作单元的形式来研究工艺和设备的问题。
3、发酵工程的组成（1）上游工程①物料的输送和原料的预处理；②发酵培养基的选择、制备和灭菌；③菌种的选育和扩大培养；④发酵过程的动力学；⑤氧的传递、溶解和吸收问题；⑥发酵醪的特性；⑦发酵生产设备的设计、选型和计算；⑧发酵过程的工艺技术控制。
（2）下游工程①发酵醪与菌体的分离；②发酵产物的提取③发酵产物的精制（3）辅助工程①空气净化与调节；②水处理和供水系统；③加热和制冷。
发酵工程是在大量的产品工艺学基础上提炼出来的，是以操作单元的形式来研究工艺和设备的问题。
发酵工程对行业的影响很大。
涉及的行业有医药、轻工、食品、农业、环保、能源等。
后边我们会详细讲一下。
4、发酵工程在生物工程中的地位从学科来讲，我们一般从化学工程这个角度来看，化学工程是一级学科，生物化工是二级学科，（当然也有人从生物学角度出发，从化学工程角度出发，生物化工是二级学科），所对应的行业就是生物加工行业。
我们是生物技术，也就是生物工程专业，发酵工程在生物工程中处在一个什么地位呢？生物工程一般分为基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程。
基因工程：基因最后表达通过细胞培养（微生物发酵）产生产品来表达，来实现的；细胞工程：是对基因进行改造，酶工程：酶本身是发酵工程得到的产物，也就是基因工程、细胞工程通过发酵工程到的产物或产品。
利用酶进行生产，就是酶工程。
它们的关系呢，发酵工程是核心的内容，是最基本的内容。
我们进行基因工程、细胞工程、酶工程都离不开发酵工程，它的地位是很重要的。
]二．发酵工程的发展史1、天然发酵阶段从几千年前[有的资料上说是四千年前]，人们开始利用自然发酵现象，从事酿酒、酱、醋、奶酪等生产，并且积累了有关发酵的经验。
但是对这种“发酵”的本质[发酵到底是怎么回事？什么在其中起了作用？]，直到19世纪的时候仍然是一知半解。
当时人们生产酿酒、酱、醋、奶酪等产品完全是凭经验，是家庭作坊式生产，[就好像是秘方，凭着这种所谓的秘方，就能生产这些产品，至于秘方中谁在起作用，大家都不清楚]，所以，生产中时常被杂菌污染所困扰。
[用同种方法生产同一种东西，怎么有时候就能达到人们喜欢的风味，有时候得到的产品就没法吃呢？]。
所以说19世纪以前的很长时间，发酵工程一直处于天然发酵阶段。
天然发酵阶段的特点就是：生产的饮料酒、酒精、酱、酱油、醋、干酪、酸乳、酵母等产品中，多数产品为嫌氧发酵，不是纯种培养，凭经验传授技术，产品质量不稳基因工程产物定。
[不是纯种培养，凭经验，有点像我们熟悉的一个词：靠天吃饭，完全靠天，靠自然，人为不可控制，这样生产的产品质量肯定不稳定。
]2、纯培养技术的建立：巴斯德，科赫等。
人为地控制微生物的发酵进程。
[几千年前就有了发酵现象，主要是应用在酿造食品行业，人们只是会用来生产产品，并不知道是怎么回事。
并且，仅凭肉眼，人们也不可能看到那些起发酵作用的微生物的存在，因为这些微生物太微小了。
后来，列文虎克的发明帮人们发现了这个生命群体。
]1680年，荷兰商人、博物学家列文虎克发明了显微镜，借助显微镜发现了微生物世界（当时被称为微小动物）[其实就是微生物的存在，但当时不知道微动物到底起什么作用，只知道存在]。
此后的200年间微生物学的研究基本上停留在形态描述和分门别类的阶段。
直到1857年（也就是19世纪中叶），法国的巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的，指出发酵现象是微小生命体进行的化学反应。
[这是一个很大的进步][19世纪的时候，人类已经有意识地利用酵母进行大规模发酵生产。
当时进行大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等，这些都是初级代谢产物。
19世纪中叶，法国葡萄酒的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦，他们酿造的美酒总是变酸，于是，纷纷祈求于正在对发酵作用机制进行研究的巴斯德。
巴斯德不负重望，经过分析发现，]他指出：酒精发酵是由于酵母的作用，葡萄酒的酸败是由于酵母以外的另一种更小的微生物（醋酸菌）的第二次发酵作用应起的。
随后发明了巴氏消毒法[巴氏灭菌—重点查查自己了解]，使法国葡萄酒酿造业免受酸败之苦。
巴斯德也因此被人们誉为“发酵之父”。
{？？？这种变化是由乳酸杆菌使糖部分转化为乳酸引起的。
同时，找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。
巴斯德提出，只要对糖液进行灭菌，就可以解决这个问题，这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭菌法。
百度—乳酸杆菌？} 1872年，布雷菲尔德创建了霉菌的纯粹培养法；1878年，汉逊建立了啤酒酵母的纯粹培养法；1872年，柯赫完成了细菌纯粹培养技术，从而确立了单种微生物的分离和纯粹培养技术，使发酵技术从天然发酵转变为纯粹培养发酵。
并且，人们设计了便于灭除其它杂菌的密闭式发酵罐以及其他灭菌设备，开始纯种生产乙醇、甘油、丙酮、丁醇、乳酸、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等微生物。
从这微生物开始生产，我们也看到了与巴斯德以前的自然发酵迥然不同的另一个概念：微生物的纯种培养技术，这是发酵工程的第一个里程碑。
3、通气搅拌发酵技术的建立：青霉素的生产——液态深层发酵1929年，弗莱明（Fleming）发现青霉素（发现青霉菌能抑制其菌落周围的细菌生长的现象，并证明了青霉素的存在）[1929年，英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观察到了霉菌菌落的周围有一个细菌抑制圈，由于这种霉菌是青霉菌，所以弗来明把这种抑制细菌生长的霉菌分泌物叫青霉素。
可是他的提取精制，在当时无法做到]1940年美国和英国合作对青霉素进行生产研究：精制出了青霉素，并确认青霉素对伤口感染症比当时的磺胺药剂更具有疗效；加上二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，对作为医疗战伤感染的药物的青霉素需求量大量增加，这些都大力推进了青霉素的工业化生产和研究。
最初，是表面培养（液体浅盘发酵）：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基───发酵单位（效价）只有40u/ml（40个单位）。
[要生产这种药物，必须要有一种严格的、将不需要的微生物排除在生产体系之外的无菌操作技术，必须要从外界通入大量的空气而又不污染杂菌的培养技术，还要想方设法从大量培养液中提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。
]●1943年发展到沉浸培养（液体深层发酵）：5m3 ───200u/ml随后，链霉素、金霉素、新霉索、红霉素等抗生素相继问世，抗生素工业迅速崛起。
●当今：100m3─200m3 ───5-7万u/ml[青霉素发酵解决了两个技术问题（主要的技术进展）：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题；抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。
意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展，为现代发酵工程奠定了基础] 这一阶段也被称为发酵工程的第二个里程碑------以微生物液体深层发酵技术为主要特征。
