光子學(xué)與光子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略分析報告

1、光子學(xué)與光子技術(shù)進(jìn)展戰(zhàn)略報告目 錄前 言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)展，人類歷史立即進(jìn)入一個嶄新的時代信息時代。其鮮亮的時代特征是，支撐那個時代的諸如能源、交通、材料和信息等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)均將得到高度進(jìn)展，并能充分滿足社會進(jìn)展及人民生活的多方面需求。作為信息科學(xué)的基礎(chǔ)：電子學(xué)與電子技術(shù)將由微電子學(xué)與技術(shù)向納米電子學(xué)及分子電子學(xué)與技術(shù)進(jìn)展；與此同時，近年來，一個新興學(xué)科光子學(xué)(PHOTONICS)差不多峭然興起，它繼電子學(xué)之后，又為信息科學(xué)的進(jìn)展提供了一個重要的可靠基礎(chǔ)。關(guān)于光子學(xué)與光子技術(shù)的峭然興起，世界上技術(shù)發(fā)達(dá)國家，如美國、西歐、日本等都在戰(zhàn)略上給以高度重視。在歐洲、美洲、澳洲以及亞洲等地先后興建起

2、越來越多的光子學(xué)專門科研機(jī)構(gòu)與組織，定期和不定期地舉辦各類學(xué)術(shù)交流會議；有越來越多的高等院校已開設(shè)出光子學(xué)專門課程；光子學(xué)領(lǐng)域的研究經(jīng)費投入量與相應(yīng)的科研成果的也在明顯地逐年擴(kuò)大；隨著光子技術(shù)的進(jìn)展，光子以其所具有的極快響應(yīng)速度、極大信息容量和極高信息效率在推動信息科學(xué)進(jìn)展中顯示出越來越大的競爭力。光子產(chǎn)業(yè)在商品市場的份額在逐年增加，已倍受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。不難看出，光子學(xué)差不多形成一個新興的獨立學(xué)科，光子技術(shù)作為信息科學(xué)的支撐技術(shù)將與電子技術(shù)相互滲透、補(bǔ)充，并發(fā)揮越來越重要的作用。此篇“光子學(xué)與光子技術(shù)進(jìn)展戰(zhàn)略報告”是國家自然科學(xué)基金委員會政策局在“九五”優(yōu)先資助領(lǐng)域的基礎(chǔ)上安排的軟課題，由信息科

3、學(xué)部組織隊伍開展戰(zhàn)略研究所取得的結(jié)果。光子學(xué)與光子技術(shù)進(jìn)展戰(zhàn)略研究軟課題于九六年底立項，課題組由王啟明院士、董孝義教授牽頭，由十五位各分支學(xué)科的專家組成。在開展研究的過程中進(jìn)行了大量調(diào)查工作。于一九九七年五月和九月分不在福建、山西召開兩次研討會形成了“戰(zhàn)略研究”的差不多框架。因此，這份“戰(zhàn)略研究報告”是我國光子學(xué)、光子技術(shù)首次在大范圍內(nèi)開展的深入戰(zhàn)略研究成果，是眾多科學(xué)家集體勞動智慧的結(jié)晶。在此值得一提的是南開大學(xué)有一批卓有學(xué)識的教授，十分關(guān)注光子學(xué)的進(jìn)展，他們多次發(fā)表有見地的綜述性文章，在此次戰(zhàn)略研究中發(fā)揮了重要作用。為了使戰(zhàn)略研究的結(jié)果能發(fā)揮更大的作用，在軟課題立項時，我們就提出明確的要求

4、，具體的指導(dǎo)思想是：在總結(jié)我委差不多完成的各學(xué)科進(jìn)展戰(zhàn)略研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，選擇“九五”優(yōu)先資助領(lǐng)域中有較大突破可能的少數(shù)項目開展深入研究；研究重點應(yīng)著眼于全國的宏觀決策上，而不要過份偏重于專業(yè)內(nèi)容的調(diào)查；在具體方針上，要選好突破口，強(qiáng)調(diào)有所為， 有所不為，其總體戰(zhàn)略部署爭取作到能夠指導(dǎo)我國“九五”打算或更長一段時刻內(nèi)的光子學(xué)研究工作。在這一思想指導(dǎo)下，本戰(zhàn)略中所提出的重大、重點項目的建議，將是信息科學(xué)部光學(xué)與光電子學(xué)“九五”期間的重要立項依據(jù)。依照我委治理方法的規(guī)定，只要在學(xué)科專家評審會通過，這些項目就能夠在近期內(nèi)得以實施。從這一角度來講，這一戰(zhàn)略有可能成為我國第一部光子學(xué)指導(dǎo)性的實施綱領(lǐng)。眾

5、所周知，光子學(xué)是一門新興學(xué)科，關(guān)于它的內(nèi)涵以及它與傳統(tǒng)光學(xué)的關(guān)系等，在學(xué)術(shù)界尚有某些不同見解。因此，我們認(rèn)為軟課題組所提出的戰(zhàn)略意見也只是現(xiàn)在的一個調(diào)查研究結(jié)果，專門難包括各種意見和見解，這是符合新生事物的進(jìn)展規(guī)律的。我們相信隨著時刻的推移以及對光子學(xué)認(rèn)識的深化，有些意見會得到統(tǒng)一。因此，我們希望接著開展有關(guān)討論。只有如此才能正確指導(dǎo)一個新興學(xué)科的健康進(jìn)展。光學(xué)簡介狹義來講，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，optics(光學(xué))那個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今天，常講的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到 X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示

6、，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光學(xué)是物理學(xué)的一個重要組成部分，也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。 光學(xué)的進(jìn)展簡史光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的進(jìn)展史可追溯到2000多年前。人類對光的研究，最初要緊是試圖回答“人如何能看見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的墨經(jīng)中記錄了世界上最早的光學(xué)知識。它有八條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，同時以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。自墨經(jīng))開始，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時獨立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅

7、耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀看結(jié)果，歸結(jié)為今天大伙兒所慣用的反射定律和折射定律。1665年，牛頓進(jìn)行太陽光的實驗，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分布光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。牛頓還發(fā)覺了把曲率半徑專門大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當(dāng)用白光照耀時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當(dāng)用某一單色光照耀時，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象能夠用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相應(yīng)的單色光。牛頓在發(fā)覺這些重要現(xiàn)象的同時，依照光的直線傳播性，

8、認(rèn)為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運動。牛頓用這種觀點對折射和反射現(xiàn)象作了解釋?；莞故枪獾奈⒘Ｖv的反對者，他創(chuàng)立了光的波動講。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹?。同時指出光振動所達(dá)到的每一點，都可視為次波的振動中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。在整個18世紀(jì)中，光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不專門完整。19世紀(jì)初，波動光學(xué)初步形成，其中托馬斯楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也

9、能解釋光的直線傳播。在進(jìn)一步的研究中，觀看到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為講明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更專門的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。1846年，法拉第發(fā)覺了光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年，韋伯發(fā)覺光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)覺表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。1860年前后，麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限于空間的某一部分，而是

10、以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光確實是如此一種電磁現(xiàn)象。那個結(jié)論在1888年為赫茲的實驗證實。然而，如此的理論還不能講明能產(chǎn)生象光如此高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)汲取光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質(zhì)，其唯一特點是，在這種媒質(zhì)中光振動具有一定的傳播速度。關(guān)于像酷熱的黑體的輻射中能量按波長分布如此重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人中意的解釋。同時，假如認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區(qū)不出

11、絕對運動。而事實上，1887年邁克耳遜用干涉儀測“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認(rèn)識仍然有許多片面性。1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定重量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論不僅專門自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。量子論不但給光學(xué)，也給整個物理學(xué)提供了新的概念，因此通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點。1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，

12、特不指出光與物質(zhì)相互作用時，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。1905年9月，德國物理學(xué)年鑒發(fā)表了愛因斯坦的“關(guān)于運動媒質(zhì)的電動力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對論差不多原理，文中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與專門大運動速度有關(guān)的過程的特征，全然放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學(xué)現(xiàn)象。如此，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性微粒性。1922年發(fā)覺的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)覺的喇曼效應(yīng)

13、，以及當(dāng)時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，它們都表明光學(xué)的進(jìn)展是與量子物理緊密相關(guān)的。光學(xué)的進(jìn)展歷史表明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個最重要的基礎(chǔ)理論量子力學(xué)和狹義相對論差不多上在關(guān)于光的研究中誕生和進(jìn)展的。此后，光學(xué)開始進(jìn)入了一個新的時期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，確實是發(fā)覺了愛因斯坦于1916年預(yù)言過的原子和分子的受激輻射，同時制造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，假如能使受激輻射接著去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺可見

14、光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，因此自1958年發(fā)覺以來，得到了迅速的進(jìn)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學(xué)技術(shù)的重大變化。光學(xué)的另一個重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀看法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎。自20世紀(jì)50

15、年代以來，人們開始把數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了所謂“博里葉光學(xué)”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進(jìn)了的全息術(shù)，形成了一個新的學(xué)科領(lǐng)域光學(xué)信息處理。光纖通信確實是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術(shù)。在現(xiàn)代光學(xué)本身，由強(qiáng)激光產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象正為越來越多的人們所注意。激光光譜學(xué)，包括激光喇曼光譜學(xué)、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調(diào)諧激光技術(shù)的出現(xiàn)，已使傳統(tǒng)的光譜學(xué)發(fā)生了專門大的變化，成為深入研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的重要手段。它為

16、凝聚態(tài)物理學(xué)、分子生物學(xué)和化學(xué)的動態(tài)過程的研究提供了前所未有的技術(shù)。光學(xué)的研究內(nèi)容我們通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)和量子光學(xué)。 幾何光學(xué)是從幾個由實驗得來的差不多原理動身，來研究光的傳播問題的學(xué)科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果通?？偸遣▌庸鈱W(xué)在某些條件下的近似或極限。物理光學(xué)是從光的波動性動身來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，因此也稱為波動光學(xué)。它能夠比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。波動光學(xué)的基礎(chǔ)確實是經(jīng)典電動力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動光學(xué)不詳論介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，

17、而側(cè)重于解釋光波的表現(xiàn)規(guī)律。波動光學(xué)能夠解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現(xiàn)象的阻礙。量子光學(xué) 1900年普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導(dǎo)出得到的與實際相符甚好的經(jīng)驗公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。1905年，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時推廣了普朗克的上述量子論，進(jìn)而提出了光子的概念。他認(rèn)為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應(yīng)中，當(dāng)光子照耀到金屬表面時，一次為金屬中的

18、電子全部汲取，而無需電磁理論所可能的那種累積能量的時刻，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離開金屬表面后的動能。這種從光子的性質(zhì)動身，來研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。它的基礎(chǔ)要緊是量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。光的這種既表現(xiàn)出波動性又具有粒子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來的研究從理論和實驗上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動的特性。應(yīng)用光學(xué) 光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的分支學(xué)科組成；由于它有廣泛的應(yīng)用，因此還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光

19、學(xué)范圍。例如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正常平均人眼為接收器，來研究電磁輻射所引起的彩色視覺，及其心理物理量的測量的色度學(xué)；以及眾多的技術(shù)光學(xué)：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等；還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。光學(xué)的進(jìn)步和進(jìn)展光與人類的生產(chǎn)、生活聯(lián)系十分緊密，光能引起人們的視覺，又是一種常見的自然現(xiàn)象，因此光學(xué)的起源能夠追溯到二、三千年往常。在中國古代的墨經(jīng)、西方歐幾里得的反射光學(xué)、阿拉伯學(xué)者寫的光學(xué)全書中都有過對光學(xué)現(xiàn)象的介紹。但光學(xué)真正成為一種學(xué)講應(yīng)該是

20、從十七世紀(jì)幾何光學(xué)的初步進(jìn)展開始。幾何光學(xué)的最初進(jìn)展確實是源于天文學(xué)和解剖學(xué)的需要。因為光學(xué)儀器在天文學(xué)和解剖學(xué)的研究中有著重要作用，在人們不斷研究、制造光學(xué)儀器的過程中，幾何光學(xué)形成了。幾何光學(xué)的基礎(chǔ)是光的反射定律和光的折射定律。十七世紀(jì)初，德國天文學(xué)家開普勒由于革新天文望遠(yuǎn)鏡的實際需要開始了對幾何光學(xué)的研究。1604年他發(fā)表了一篇論文，對光的反射現(xiàn)象、光的折射現(xiàn)象及視覺現(xiàn)象作了初步的理論解釋。1611年，他又出版了一部光學(xué)著作，其中記載了他的兩個重要試驗：比較入射角和出射角的實驗，圓柱玻璃試驗。在書中，他對幾何光學(xué)作了進(jìn)一步的理論探討，并提出了焦點、光軸等幾何光學(xué)概念，發(fā)覺了全反射。 繼開

21、普勒之后，荷蘭物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家斯涅爾對幾何光學(xué)做出了系統(tǒng)的、數(shù)學(xué)的分析。斯涅爾通過實驗與幾何分析，最初發(fā)覺了光的反射定律。另外，當(dāng)他對光的反射現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的試驗觀測和幾何分析以后，他又提出了光的折射定律。但斯涅爾在世時并沒有發(fā)表這一成果。1626年，他的遺稿被惠更斯讀到后才正式發(fā)表。不久后笛卡兒也推出了相同的結(jié)論，但他是把光的傳播想象成球的傳播，是用力學(xué)規(guī)律來解釋的，不是十分嚴(yán)密。1661年，費馬把數(shù)學(xué)家赫里貢提出的數(shù)學(xué)方法用于折射問題，推出了折射定律，得到了正確的結(jié)論。折射定律的確立，促進(jìn)了幾何光學(xué)的迅速進(jìn)展。 在早期光學(xué)的研究中，色散是另一個古老的課題，因為彩虹現(xiàn)象差不多吸引人類多年。在笛

22、卡兒的方法論中，提到了作者早期的色散試驗，但他沒有觀看到全部的色散現(xiàn)象。1648年布拉格的馬爾西成功的完成了光的色散試驗，但他做出了錯誤的解釋。 牛頓在笛卡兒等人的著作中得到了啟發(fā)，用三個棱鏡重新作了光的色散試驗，并在此試驗的基礎(chǔ)上，對光的顏色總結(jié)出了幾條規(guī)律，結(jié)論全面，論據(jù)充分。十七世紀(jì)，幾何光學(xué)初步形成便得到了蓬勃的進(jìn)展。隨著幾何光學(xué)的進(jìn)展，物理光學(xué)也隨之逐漸進(jìn)展起來。在人們對物理光學(xué)的研究過程中，光的本性問題是研究的焦點。波動講與微粒講的爭論幾乎貫穿近代物理光學(xué)研究的始終。波粒之爭從十七世紀(jì)初笛卡兒提出兩點假講開始、至二十世紀(jì)初以波粒二象性告終，共經(jīng)歷了三百多年的時刻。物理學(xué)巨星牛頓，荷

23、蘭聞名天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家惠更斯，英國物理學(xué)家胡克，英國聞名物理學(xué)家托馬斯楊等多位聞名的科學(xué)家參與其中。雙方爭論得十分激烈，理論進(jìn)展十分迅速。簡單的概括一下波粒之爭的過程。波動講一方，格里馬第是光的波動講的提出者, 波義耳和胡克是他的支持者；惠更斯繼承并完善了胡克的觀點。到十九世紀(jì)初，以惠特曼為代表的認(rèn)為光波是一種橫向波的學(xué)講進(jìn)展成為了以楊氏和菲涅耳為代表的認(rèn)為光波是一種縱向波的學(xué)講。微粒講一方，牛頓最初在他的論文文里用微粒講闡述了光的顏色理論，后來提出了完整的微粒講理論，并得到牛頓派二百多年的支持。 通過三個多世紀(jì)的研究，科學(xué)家們才得出了光具有波粒二象形的結(jié)論。這一結(jié)論的得出經(jīng)歷了一個

24、漫長而曲折的過程。與此同時，光學(xué)的其它進(jìn)展既是他們研究的產(chǎn)物、又成為了雙方的論據(jù)。809年，馬呂斯在試驗中發(fā)覺了光的偏振現(xiàn)象。1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時發(fā)覺了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗定律。1887年，赫茲發(fā)覺了光電效應(yīng)。二十世紀(jì)初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子講。 另外在光的波粒之爭中，光速的測定曾給他們提供重要的依據(jù)。1607年，伽利略進(jìn)行了最早的測量光速的實驗。1676年，丹麥天文學(xué)家羅麥第一次提出了有效的光速測量方法。1725年，英國天文學(xué)家布萊德雷發(fā)覺了恒星的光行差現(xiàn)象，他用地球公轉(zhuǎn)的速度與光速的比例估算出了太陽光到達(dá)地球需要8分13秒。那個數(shù)值較羅麥法測定的要精確一些。18

25、49年，法國人菲索第一次在地面上設(shè)計實驗裝置來測定光速。1850年，法國物理學(xué)家傅科改進(jìn)了菲索的方法，1928年，卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測定光速。1972年，埃文森測得了目前真空中光速的最佳數(shù)值：299792457.40.1米/秒。除在波粒之爭中的作用之外，光速的測定本身在光學(xué)的研究歷程中也有著重要的意義。 牛頓的色散試驗揭開了光譜研究的序幕，但當(dāng)時牛頓并沒有觀看到光譜線。在以后的一百多年里，這方面的科學(xué)研究并沒有取得太大的進(jìn)展。直到1803年，托馬斯楊進(jìn)行光的干涉試驗，第一次提供了測定波長的方法。其后，德國物理學(xué)家弗瑯和費對太陽光譜作了認(rèn)確實檢驗，并向慕尼黑科學(xué)院展示了他

26、自己繪編的太陽光譜圖，另外他還發(fā)明了衍射光柵。此后，人們逐漸對光譜的性質(zhì)重視起來。 1859年，基爾霍夫?qū)庾V進(jìn)行了深入的研究，他發(fā)覺了物體汲取和發(fā)射本領(lǐng)之間的聯(lián)系。他和本生研究了各種火焰光譜和火花光譜，并在研究堿金屬的光譜時發(fā)覺了銫和銣。他們發(fā)明了為光譜學(xué)的蓬勃進(jìn)展打下堅實基礎(chǔ)的光譜分析，發(fā)明了光譜的可見光部分、紫外部分和紅外部分的光譜學(xué)測量方法。隨后，用光譜方法人們又發(fā)覺了幾種金屬元素。光譜分析對鑒定化學(xué)成分的巨大意義，使光譜研究工作迅速進(jìn)展。 1868年，埃格斯特朗發(fā)表了“標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜”，記有上千條弗瑯和費線的波長，數(shù)字十分精確，為光譜工作者提供了極有價值的資料。1882年，勞藍(lán)德制作了

27、一個具有專門高分辨率的光柵干涉儀和高分辨率的干涉分光鏡，這是光學(xué)技術(shù)的偉大成就。 在這一形勢下，許多物理學(xué)家都試圖尋求光譜的規(guī)律。1884年，瑞士的一位中學(xué)數(shù)學(xué)教師巴耳末報告了他發(fā)覺的氫光譜公式。那個公式打開了光譜奇妙的大門，找到了翻譯原子“密碼”的依據(jù)。從此光譜規(guī)律陸續(xù)總結(jié)出來，原子光譜逐漸成為了一門系統(tǒng)的學(xué)科。 1871年，GJ斯坦尼第一次嘗試用波長的倒數(shù)表示光譜線，并建議取名為波長。1883年，哈特萊用波數(shù)表示法取得重大成功，他發(fā)覺所有三重線的譜線系，同一譜線系中各組三重線的間距總是相等的。這些研究給了瑞典物理學(xué)家里德伯重要的啟發(fā)，使他通過另一個途徑找到了光譜規(guī)律。1890年，里德伯發(fā)表

28、了元素光譜的一般公式。 光譜研究還在接著進(jìn)展。 第一章 光子學(xué)的進(jìn)展與戰(zhàn)略地位 1.1光子學(xué)的內(nèi)涵光子學(xué)作為學(xué)術(shù)詞匯，早在40年前就曾出現(xiàn)在學(xué)術(shù)刊物上，但最早賦之以科學(xué)定義規(guī)范的當(dāng)數(shù)1970年。這一年，在第九屆國際高速攝影會議上，荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出關(guān)于光子學(xué)的定義規(guī)范，他認(rèn)為，光子學(xué)是“研究以光子為信息載體的科學(xué)。過了幾年，他又作了補(bǔ)充，認(rèn)為“以光子作為能量載體的”也應(yīng)屬光子學(xué)的研究內(nèi)容。其后，相繼出現(xiàn)許多類似的定義。例如，法國頗有阻礙的DGRST組織提出：激光二極管的問世，使光子替代了電子成為信息的載體，從而促成了光子學(xué)的形成。世界聞名的美國SPECTRA雜志，也于19

29、82年領(lǐng)先更名為PHOTONICSspectra，并提出光子學(xué)是“研究發(fā)生與利用以光子為量化單位的光，或其他輻射形式的科學(xué)”，并認(rèn)為，“光子學(xué)的應(yīng)用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。貝爾實驗室聞名的Ross教授為光子學(xué)作了一個頗為廣義的定義，他認(rèn)為，可與電子學(xué)類比，“電子學(xué)是關(guān)于電子的科學(xué)”，光子學(xué)則應(yīng)是“關(guān)于光子的科學(xué)”。在我國，老一輩科學(xué)家龔祖同、鈔票學(xué)森等早在70年代末就頻頻發(fā)出呼吁，希望大伙兒積極開展光子學(xué)的學(xué)科建設(shè)。鈔票學(xué)森教授提出，“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)”，它要緊“研究光子的產(chǎn)生、運動和轉(zhuǎn)化”。他還首次提出了“光子學(xué)光子技術(shù)光子工業(yè)”的關(guān)于光子學(xué)的進(jìn)展模式。鑒于上述情況，1

30、994年我國一些科學(xué)家聚會于北京，在香山科學(xué)會議上，對光子學(xué)的有關(guān)問題展開了熱烈討論，并在諸多方面取得了共識。關(guān)于光子學(xué)定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解是：光子學(xué)是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)?；蛘邚V義地講，光子學(xué)是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學(xué)。 在理論上，它要緊研究光子的量子特性及其在與物質(zhì)(包括與分子、原子、電子以及與光子自身)的相互作用中出現(xiàn)的各類效應(yīng)及其規(guī)律；在應(yīng)用方面，它的研究內(nèi)容要緊包括光子的產(chǎn)生、傳輸、操縱以及探測規(guī)律等。實際上，光子學(xué)是一個具有極強(qiáng)應(yīng)用背景的學(xué)科，并由此而形成了一系列的光子技術(shù)，如光子發(fā)生技術(shù)(激光技術(shù))、光子傳輸技術(shù)、光子調(diào)制與開關(guān)技術(shù)、光子存

31、儲技術(shù)、光子探測技術(shù)、光子顯示技術(shù)等等。光子技術(shù)的基礎(chǔ)是光子學(xué)。因此在那個意義上講，光子學(xué)是一門更具技術(shù)科學(xué)性質(zhì)的學(xué)科。應(yīng)當(dāng)指出，對光子學(xué)的定義，不管是廣義的依舊狹義的，都不能看作是最終的。光子學(xué)作為一門新興學(xué)科，目前正處于成長與進(jìn)展時期，它尚有一個逐步充實、完善，最后走向成熟的必定過程。同時，人們對它的認(rèn)識也將自然隨之進(jìn)一步深化和統(tǒng)一，因此，起碼在目前還不宜對它的定義和研究范疇等做過多的人為劃定，以有利其進(jìn)展。光子學(xué)在進(jìn)展中已形成諸多活躍的和重要的研究領(lǐng)域。信息科學(xué)是光子學(xué)的重大應(yīng)用領(lǐng)域之一。特不是在下一個世紀(jì)(有稱信息時代)里，光子學(xué)將繼電子學(xué)之后成為信息科學(xué)的又一個重要支柱。光子學(xué)與信息

32、科學(xué)的交叉差不多形成一門新興的學(xué)科信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS)。電子學(xué)及其電子信息科學(xué)技術(shù)差不多成熟。電子作為信息的載子差不多成為本世紀(jì)信息領(lǐng)域的要緊特征和標(biāo)志，并為人類社會做出了巨大貢獻(xiàn)。因此，人們又常常為本世紀(jì)冠之以電子時代的美譽。而光子學(xué)及其光子信息科學(xué)技術(shù)則初露鋒芒，其優(yōu)越性已被廣泛確認(rèn)。光子作為信息的載體的優(yōu)勢與競爭力正在不斷地被挖掘和開拓。因此，相關(guān)于今天的電子時代而言，人們自然認(rèn)為，下一個世紀(jì)將是光子的時代。正是基于這種情況，能夠講光子學(xué)是應(yīng)運于信息時代的來臨而產(chǎn)生的。生物或生命科學(xué)是光子學(xué)的又一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。從進(jìn)展來看，在世紀(jì)，所有的科學(xué)技術(shù)都將圍繞人與人類的進(jìn)展

33、問題，查找自己的有意義的生長點與進(jìn)展面。光在自然界一直與人類親熱相伴，地球上若沒有光也就沒有生命，光與生命早已結(jié)下不解之緣。光學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用，在經(jīng)歷了一個較緩慢的進(jìn)展時期后，由于激光與光子技術(shù)的介入，又開始了一個迅速進(jìn)展的新時期，近年來生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)突然興起，令人矚目，并因而引發(fā)出一門新興的學(xué)科生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(BIO-MEDOPHOTONICS)。簡言之，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)確實是用光子來研究生命的科學(xué)，它是光子學(xué)和生命科學(xué)相互交叉、相互滲透而產(chǎn)生的邊緣學(xué)科。它涉及生物系統(tǒng)以光子形式釋放的能量與來自生物系統(tǒng)的光子的探測，以及這些光子攜帶的有關(guān)生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能信息，還包括利用光子對生物

34、系統(tǒng)進(jìn)行的加工與改造。光子學(xué)的另一個重要領(lǐng)域是基礎(chǔ)光子學(xué)。基礎(chǔ)研究一直是阻礙和促成光子學(xué)進(jìn)展的重要因素。如上所述，光子學(xué)是一門更具技術(shù)科學(xué)性質(zhì)的學(xué)科，其理論基礎(chǔ)則是基礎(chǔ)光子學(xué)。今天，光子技術(shù)的進(jìn)展，甚至每個技術(shù)細(xì)節(jié)的進(jìn)步都與基礎(chǔ)光子學(xué)息息相關(guān)。反之，基礎(chǔ)光子學(xué)的每一個“突破”和每一次“飛躍”，也自然導(dǎo)致光子技術(shù)的一次次創(chuàng)新、開拓和革命。今天，基礎(chǔ)光子學(xué)仍在不斷進(jìn)展著，并具一定的獨立性。量子光學(xué)、分子光學(xué)、非線性光學(xué)、超快光子學(xué)等差不多成為基礎(chǔ)光子學(xué)中逐漸趨于成熟的分支學(xué)科，它們對技術(shù)光子學(xué)的推動和促進(jìn)作用也日趨卓然。1.2 光子學(xué)與電子學(xué)眾所周知，電子與光子是當(dāng)今和以后信息社會的兩個最重要的微

35、觀信息載子，對它們的研究分不隸屬于電子學(xué)與光子學(xué)的范疇。電子與光子除了具有能夠承載信息的共性外，它們還有各自的個性。正是這些個性才決定了電子學(xué)與光子學(xué)分屬不同的學(xué)科。正如鈔票學(xué)森所言，“光子學(xué)是一門和電子學(xué)平行的科學(xué)，而不是在電子學(xué)之內(nèi)的科學(xué)”。關(guān)于光子與電子在性質(zhì)上的差不能夠列舉專門多，下表列舉出一些要緊差不可供參考。這些差不也決定了它們在應(yīng)用上的不同。正因為光子具有如此一些特性，才使其，特不是在信息領(lǐng)域顯示出非凡的能力， 以下僅舉幾例講明之： 1.2.1 光子具有的優(yōu)異特性（1） 光子具有極高的信息容量和效率 作為信息載體，光與電相比信息容量要大出幾個量級。例如，一般可見光的頻率為5101

36、4Hz，而處于微波波段的電波頻率僅為1010Hz量級；光子在光纖中能夠直接傳播上百公里以上，因此，前者可承載信息的容量起碼比后者高出34個量級，即千倍以上。一個載子可承載的信息量為信息效率。假如考慮到光子的數(shù)字編碼與光子的統(tǒng)計特性等，光子的信息效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出電子。例如，在光子學(xué)中，如使用所謂光的壓縮態(tài)、光子數(shù)態(tài)等作光子源，量子噪聲則有可能減小到微小值，光子的信息效率自然也將成量級地提高，這時，一個光子甚至具有承載成千上萬個比特信息的能力。（2） 光子具有極快的響應(yīng)能力 在信息領(lǐng)域，信息載體的響應(yīng)能力是至關(guān)重要的，它是決定信息速率與容量的要緊因素。在電子技術(shù)中，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，1

37、0-9s)量級，因此在電子通信中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量級。關(guān)于光子技術(shù)來講，由于光子是玻色子，沒有電荷，而且能在自由空間傳播，因此，光子脈沖可輕易做到脈寬為皮秒(PS，10-12S)量級。實際上，現(xiàn)在實驗室的光子脈沖寬度水平已達(dá)到小于10個飛秒(fS,10-15S)量級。而且，近兩年有望實現(xiàn)23個fs，即相當(dāng)一個光學(xué)周期的寬度。因此使用光子為信息載體，信息速率能夠達(dá)到每秒幾十、幾百個 Gb，甚至幾個、幾十個Tb( 1012bit / s)差不多上可能的。假如使用具有巨大帶寬的光纖作信息的傳輸媒質(zhì)，因此就能夠以如此高的速率，通過光纖將信息傳輸?shù)綆浊Ч锘蚋h(yuǎn)的距離以

38、外。如此，獲得的信息比特率傳輸距離之積將是特不可觀的。顯然，這關(guān)于電子技術(shù)來講，絕對是望塵莫及的。（3） 光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力 如上所述，電子有電荷，因此電子與電子之間存在庫侖作用力，這就使得它們彼此間無法交連。例如，在電子技術(shù)中，兩根導(dǎo)線假如交連，就會形成短路。因此，在電路中為了實現(xiàn)互連，就只能像搭“立交橋”那樣，將其運行路線彼此隔離，顯然這就使互連受限，成為限制電子信息速率與容量的一個要緊因素。另外，在電子技術(shù)中，電子信號也只能是串行提取、傳輸和處理的，關(guān)于兩維以上的信號，如圖象信號等，則只好依靠掃描一類的手段將其轉(zhuǎn)換為一維串行信號來處理。這是另一個限制電子信息速率和容量的要緊

39、因素。關(guān)于光子來講，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢。光子無電荷，彼此間不存在排斥和吸引力，具有良好的空間相容性等，這些大概差不多上光子的“天賜秉性”。例如，在擬開發(fā)的第六代計算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)中，具有足夠大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，需要超大規(guī)模的群并行性處理。關(guān)于一階網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模為N時，其完全互連數(shù)則為N2。例如N=104，互連數(shù)則為108。計算機(jī)的等效運算速率與互連通量成正比，因此，在這種情況下，速率可達(dá)1010 bit / s，這差不多是目前計算機(jī)的最高水平。（4）光子具有極大的存儲能力 不同于電子存儲，光子除能進(jìn)行一維、二維存儲外，尚能完成三維存儲。再考慮頻率“維”等，可用于存儲的參量專門多，因此，能夠

40、講，光子具有極大的存儲能力。一個存儲器的容量極限是由單位信息量(bit)所需最小存儲介質(zhì)體積決定的，關(guān)于光來講，那個量為其波長()量級，因此，三維存儲容量為(1/)3量級。假如使用可見光(500nm)，光子的存儲能力則可達(dá)到1012bitcm3量級。三維存儲除容量大外，另外一個顯著特點是并行存取，即信息寫入和讀出差不多上“逐頁”進(jìn)行的，并能與運算器并行連接，由此速度專門快。加之光子無電荷，既能防電磁干擾，讀取準(zhǔn)確，又不產(chǎn)生干擾，具有保密性。如此一些優(yōu)點，差不多上“電子”無法與之相媲美的。此外，由于光在時刻與空間上的特性，可形成反演共軛波，在自適應(yīng)操縱等信息處理領(lǐng)域有獨到應(yīng)用；還由于光子的自旋為

41、h，導(dǎo)致出現(xiàn)偏振、雙折射效應(yīng)等， 并因此而產(chǎn)生一系列新的應(yīng)用等等。1.2.2 光子學(xué)與電子學(xué)的相互補(bǔ)充、共融與促進(jìn)關(guān)系以上只是闡述了光子的優(yōu)越性。然而必須承認(rèn)，關(guān)于光子人們在認(rèn)識和利用上還不成熟，這是其最大的薄弱點。而恰恰在這方面電子學(xué)顯示出優(yōu)勢。關(guān)于電子不管是在理論上，依舊在實際應(yīng)用上都已相當(dāng)成熟。 電子差不多深入社會，乃至家庭的方方面面。因此有人講，利用光子學(xué)的優(yōu)越性與電子學(xué)的成熟性相結(jié)合，即可制造出一系列新的奇跡。在那個意義上講，光子與電子是一對孿生的天然伙伴，光子學(xué)將受益于電子學(xué)而不斷獲得進(jìn)展?！肮庾印迸c“電子”的結(jié)合已開始給我們帶來巨大的益處，成為當(dāng)今乃至以后人類社會的寶貴財寶。因此

42、，這種結(jié)合已給人們留下深刻印象，以至有許多專家學(xué)者反復(fù)告誡人們，光子學(xué)與電子學(xué)之間的結(jié)合要永久進(jìn)行下去?！肮庾印迸c“電子”以及它們之間的結(jié)合，起碼在信息領(lǐng)域，有以下4種(a,b,c,d)模式：那個地點(a)是全電子(ee)過程，假如有光(O)參與，它只是起輔助作用(如提供能源等)，典型的例子是由太陽能電池供電的各種電子設(shè)備。(b)是全光子(PP)過程，電(E)在其中起輔助作用，如各種光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系統(tǒng)。(C)與(d)則是光電結(jié)合，即光電子過程。其中(c)的典型例子是光電探測及現(xiàn)行的各種光電通信接收系統(tǒng)等；(d)的典型例子是電致發(fā)光及各種電視接收系統(tǒng)等。顯然(a)與(b

43、)應(yīng)分不劃為電子學(xué)與光子學(xué)的研究范疇。而(C),(d)則分屬光電子學(xué)和電光學(xué)，但二者區(qū)分并非十分嚴(yán)格。這種狀況，在一定意義上也能夠講，它反映出光子學(xué)與電子學(xué)之間存在著某種“血緣”關(guān)系。在專門多情況下，嚴(yán)格地區(qū)分它們大概是困難的。例如早期PHOTO-ELECTRONICS和ELECTO-OPTICS，后來有OPTO-ELECTRONICS以及OPTICAL ELECTRONICS等。近些年來又出現(xiàn) OPTRONICS 和 PHOTRONICS的新詞匯。還有的， 干脆使用O PLUS E、O und E等等。事實表明，今天乃至今后，光子學(xué)與電子學(xué)之間已形成的相互依靠、相互滲透、相互補(bǔ)充、相互結(jié)合以

44、及相互促進(jìn)的不可分割的共融關(guān)系會進(jìn)一步深入進(jìn)展下去。此外，光子學(xué)與電子學(xué)在進(jìn)展模式上也有或?qū)⒂畜@人地相似之處：電學(xué) 電子學(xué) 電子回路 電子集成 電子系統(tǒng) 電子工程電子產(chǎn)業(yè)光學(xué) 光子學(xué) 光子回路 光子集成 光子系統(tǒng) 光子工程 光子產(chǎn)業(yè)正是由于有了這種“相似”，才不斷地為我們的制造性思維與開拓性研究提供一個個契機(jī)，并使之得以借鑒，從而不斷地促成了光子學(xué)的飛速進(jìn)展。1.3 光子學(xué)的進(jìn)展及其意義如上所述，光子學(xué)具有豐富的內(nèi)涵和重大的應(yīng)用前景，它的提出也是科學(xué)與社會進(jìn)展之必定。 因此，光子學(xué)一經(jīng)問世便即刻引起人們的廣泛關(guān)注。需要指出的是，歐洲和美國，在促成光子學(xué)的形成和進(jìn)展方面表現(xiàn)出極大的興趣和熱情。早

45、在1973年，法國就領(lǐng)先召開了國際光子學(xué)會議。同一年，荷蘭將原來的“攝影、光化學(xué)、光物理學(xué)會”合并組成“光子學(xué)會”，并于1975年召開了全國光子學(xué)會議。通過多方組織和醞釀，于1978年正式成立了歐洲光子學(xué)會。其間，一些國際性學(xué)術(shù)刊物和會議也紛紛更換名稱，冠以光子學(xué)的詞匯。例如美國光學(xué)學(xué)會的會刊光學(xué)通信改名為光學(xué)與光子學(xué)通信，另一個刊物光譜也更名為光子學(xué)集錦。最近，國際非線性光學(xué)會議正式更名為國際非線性光子學(xué)會議，美國還決定，分不在東西部都市輪流每年一屆舉辦光子學(xué)學(xué)術(shù)大會，等等，此類情況已不勝枚舉。就連美國的光學(xué)學(xué)會也受到多方壓力，預(yù)備改名為光學(xué)與光子學(xué)會。這一系列情況表明，光子學(xué)及其重要意義已

46、逐漸被越來越多的人們所同意和認(rèn)可，同時開始積極地加以實施。特不是最近幾年里，光子學(xué)的進(jìn)展更為引人注目。在美國，對光子學(xué)及其技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用已予以高度重視。1991年政府將光子學(xué)列為國家進(jìn)展的重點，認(rèn)為光子學(xué)“在國家安全與經(jīng)濟(jì)競爭方面有深遠(yuǎn)的意義和潛力，同時確信，通信和計算機(jī)研究與進(jìn)展的以后世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域”。為此，美國已建立諸多“光子學(xué)高技術(shù)研究中心”。例如，以南加州大學(xué)為中心的由多所高校聯(lián)合組建了聞名的“光子學(xué)工藝研究中心”。在歐洲，近年來也相繼建立了研究與開發(fā)光子學(xué)的 聯(lián)合機(jī)構(gòu)。在德國，政府已確定“光子學(xué)是下個世紀(jì)初對保持德國在國際技術(shù)市場上的先進(jìn)地位至關(guān)重要的九大關(guān)鍵技術(shù)之一”。在這些

47、國家里，已把大量的、越來越多的資金投入到光子學(xué)及其技術(shù)的研究與開發(fā)上去。在日本，對進(jìn)展光子學(xué)及其產(chǎn)業(yè)尤為重視，特不是近些年來，日本已在光子學(xué)材料和器件的研究與開發(fā)上顯示出優(yōu)勢，同時對美國和歐洲構(gòu)成威脅。現(xiàn)在有人甚至認(rèn)為，在當(dāng)今時代，光子學(xué)立即成為“改變世界技術(shù)的杠桿，用它能夠轉(zhuǎn)動世界力量的均衡。在今后世界各國經(jīng)濟(jì)實力與國防力量的較量中，光子學(xué)必定占據(jù)極其重要的位置”。另外，需要指出的是，像電子學(xué)那樣，光子學(xué)的進(jìn)展也將對人們的思維方式產(chǎn)生阻礙，甚至?xí)淖兤湓谝院笊鐣纳罘绞健，F(xiàn)在至少能夠講，光子學(xué)已極大地激勵起人們對以后科學(xué)技術(shù)的信心，以至于不斷地提出一個個雄心勃勃的打算和實驗，積極地去開拓一

48、個立即到來、定能實現(xiàn)的光子時代。然而，在我國，應(yīng)該承認(rèn)，不管是學(xué)術(shù)界依舊產(chǎn)業(yè)界，對光子學(xué)的學(xué)科建設(shè)與開發(fā)尚存在一段認(rèn)識過程。幾位老科學(xué)家早在70年代就曾多次撰寫文章、發(fā)表演講、頻頻發(fā)出呼吁，希望積極開展光子學(xué)的學(xué)科建設(shè)。當(dāng)時已引起一些人的關(guān)注和響應(yīng)?，F(xiàn)在，十多年過去了，形勢差不多出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)機(jī)。越來越多的人開始關(guān)注光子學(xué)，對那個新學(xué)科、對它的進(jìn)展以及對它在社會與科學(xué)進(jìn)展中的作用有了越來越明確的認(rèn)識和共識，同時產(chǎn)生了參與欲和緊迫感。特不是近幾年來，天津、上海、西安等地的高校與科研機(jī)關(guān)適形勢之進(jìn)展，先后建立了各種“光子學(xué)研究中心”。因此，與國際的進(jìn)展勢態(tài)比較，我們?nèi)源嬖谳^大的差距。第二章 光子學(xué)

49、的重要分支學(xué)科及其進(jìn)展（基礎(chǔ)光子學(xué)）如上所述，電子學(xué)源于電學(xué)，而光子學(xué)則是從光學(xué)開拓出來的。因此，在光子學(xué)形成過程中，相應(yīng)的各個分支學(xué)科也開始形成，而且已有若干分支學(xué)科在諸多科技領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用，并產(chǎn)生強(qiáng)烈阻礙。這類分支學(xué)科要緊有：A,基礎(chǔ)光子學(xué)，包括量子光學(xué)、分子光子學(xué)、超快光子學(xué)、非線性光子學(xué)等；B,光子學(xué)器件，包括新型激光器、有源無源光子器件等；C,信息光子學(xué)，包括導(dǎo)波（光纖）光子學(xué)、光通信技術(shù)、光存儲技術(shù)、光顯示技術(shù)等；D,集成與微結(jié)構(gòu)光子學(xué)，包括半導(dǎo)體集成光子學(xué)、微結(jié)構(gòu)光子學(xué)等；E,生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)，包括生物光子學(xué)、醫(yī)學(xué)光子學(xué)等。2.1 基礎(chǔ)光子學(xué)綜上所述，電子學(xué)源于電學(xué)，而光子學(xué)則是

50、從光學(xué)開拓出來的。在光子學(xué)形成和進(jìn)展過程中，光子學(xué)在諸多技術(shù)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用都建立在與光子產(chǎn)生、傳輸和探測有關(guān)的基礎(chǔ)上?；A(chǔ)光子學(xué)要緊包括量子光學(xué)、分子光子學(xué)、超快光子學(xué)、光量子信息論、非線性光學(xué)等幾個部分。2.1.1 量子光學(xué)光具有波粒二象性。光子是量子化光場的差不多單元；量子光場遵循量子力學(xué)的規(guī)律。光子器件、光子系統(tǒng)等均是利用了光的量子特性和量子效應(yīng)才顯示出異彩紛呈的優(yōu)良特性。因此，光子學(xué)盡管是一門更側(cè)重于技術(shù)的學(xué)科，但它的基礎(chǔ)是量子光學(xué)。量子光學(xué)側(cè)重于理論，是光子學(xué)的重要組成部分。量子光學(xué)中的效應(yīng)、規(guī)律、理論等將不斷地為光子學(xué)的進(jìn)展開拓新的途徑，產(chǎn)生新的突破。量子光學(xué)要緊研究光的量子與相

51、干性質(zhì)，以及光場與原子相互作用中的量子現(xiàn)象，其內(nèi)容涉及到光的各類非經(jīng)典效應(yīng)（諸如：光場壓縮態(tài)、亞泊松分布、反聚束效應(yīng)等等）、光子發(fā)射與散射及汲取機(jī)理、原子冷卻與俘獲等方面。當(dāng)前，量子光學(xué)的重要研究領(lǐng)域有：光場的量子噪聲、光場與物質(zhì)相互作用中的動量傳遞、腔量子電動力學(xué)等。（1） 光場的量子噪聲光場的量子噪聲在光子學(xué)及其諸多的應(yīng)用研究中占有重要的地位。量子噪聲與光放大、光探測等類物理過程緊密相關(guān)。若在每一個模式中的光子數(shù)專門大，則足能夠用光的經(jīng)典理論來描述；反之，若每一個模式中有一個或少數(shù)的光子時，就必須考慮量子噪聲的阻礙。為了克服或消除量子噪聲的阻礙，人們卓有成效地進(jìn)行了諸多方面的研究。光場壓縮

52、態(tài)的產(chǎn)生和應(yīng)用 隨著認(rèn)識的深入，人們差不多發(fā)覺有三類光：一是混沌光，它是由自發(fā)輻射過程產(chǎn)生的光子構(gòu)成的，給出的是最大噪聲的光場；二是相干光，即激光，具有專門低的總噪聲，并稱之為真空噪聲；三則是由非線性過程產(chǎn)生的非經(jīng)典光，如壓縮光、光子數(shù)態(tài)光等。由于壓縮態(tài)中能夠使光場的某個正交重量具有比相干態(tài)更小的量子噪聲，以致突破散粒噪聲極限；因此，在光通訊、高精度測量等諸多應(yīng)用中具有極為重要的實際意義。自1985年首次在實驗中獲得壓縮態(tài)光場的近十多年來，世界各國的有關(guān)實驗室在光場壓縮態(tài)的獲得和探測等方面進(jìn)行了卓有成效的研究工作，已實現(xiàn)了正交位相壓縮、強(qiáng)度差壓縮、振幅壓縮等。目前，國內(nèi)外有關(guān)實驗室的注意力和興

53、趣點已轉(zhuǎn)向壓縮光的應(yīng)用方面。其中，最引人注目的兩個方面是：利用壓縮光進(jìn)行低于散粒噪聲的高精度測量和利用壓縮光實現(xiàn)與原子的相互作用，特不是實現(xiàn)與冷原子的相互作用。關(guān)于壓縮光本身的研究，其重點已轉(zhuǎn)向壓縮光產(chǎn)生裝置的小型化和有用化方面。 突破散粒噪聲極限的超高精度測量 光場的量子噪聲是提高光信息傳輸、處理、探測和測量能力的最終限制；因此，在信息科學(xué)等諸多領(lǐng)域中，突破由量子噪聲形成的散粒噪聲極限（SNL）的限制一直是科學(xué)界長期追逐的目標(biāo)。壓縮態(tài)光場的出現(xiàn)，為實現(xiàn)靈敏度突破SNL限制的超高精度測量打開了希望之門。近年來，人們已提出了諸多的理論與實驗方案：如將正交壓縮真空態(tài)用于填補(bǔ)干涉儀的“暗”通道，使振

54、幅、相移、偏振及光譜測量的靈敏度達(dá)到高于由SNL所限定的水平。除正交壓縮真空態(tài)之外，通過運轉(zhuǎn)于閾值以上的光學(xué)參量振蕩器獲得量子相關(guān)的攣生光束，其強(qiáng)度差的量子噪聲低于散粒噪聲極限；而且，理論與實驗研究表明，較之正交壓縮真空態(tài)，這種強(qiáng)度差壓縮在實驗上更易實現(xiàn)，因此它的應(yīng)用研究也更具有吸引力，將有望產(chǎn)生實際意義。此外，在實驗中還有用頻率非簡并雙共振光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生的雙色強(qiáng)度差壓縮光場以及用量子相關(guān)的攣生光束實現(xiàn)微小信號的恢復(fù)與分析，較之SNL使信噪比分不提高了2.2dB和2.5dB。（2）光場與物質(zhì)相互作用中的動量傳遞光與物質(zhì)相互作用中動量傳遞是量子光學(xué)研究的另一個重要方面，也是近年來進(jìn)展十分迅速

55、的研究領(lǐng)域。光與原子或離子的相互作用中，由于動量傳遞形成的輻射壓力足以操縱原子或離子的運動，最成功的應(yīng)用是對原子和離子的激光冷卻與俘獲。 原子冷卻與俘獲利用輻射場與物質(zhì)相互作用的動力學(xué)效應(yīng)，通過適當(dāng)選擇激光的偏振、頻率和強(qiáng)度，能夠用光束操縱原子的運動狀態(tài)，使之減速，并可進(jìn)一步將其穩(wěn)定地俘獲于空間某一特定的勢阱中；也能操縱原子或其他微小粒子（如細(xì)胞、細(xì)菌等），使之按照一定的要求移動或偏轉(zhuǎn)。近年來，激光冷卻與俘獲的理論和實驗技術(shù)差不多日趨完善，并被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)和高技術(shù)領(lǐng)域的研究。人們差不多提出諸多的冷卻機(jī)制，使原子冷卻的溫度不斷降低；例如，除早期的“光子粘膠”方法外，近來還提出速度選擇相干布

56、居俘獲方法等，能使原子被冷卻到光子反沖極限溫度以下，俘獲的原子密度可達(dá)1012/cm3。盡管光子粘膠方法可冷卻原子，并在一定程度上限制原子擴(kuò)散，但還不能構(gòu)成穩(wěn)定的原子勢阱。在最初的靜磁阱與光學(xué)阱的基礎(chǔ)上，人們又提出磁光阱，通過多能級原子與外部的非均勻磁場相結(jié)合，實現(xiàn)了散射力原子阱。其后，又通過不斷完善使阱深、俘獲區(qū)域、穩(wěn)定性等均達(dá)到原子俘獲的要求。目前，世界各國幾乎所有的現(xiàn)代化光學(xué)實驗室均建立了激光冷卻與俘獲原子的裝置，并用以開展各具特色的前沿性科學(xué)研究工作。原子冷卻與俘獲技術(shù)一經(jīng)進(jìn)展就被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)與技術(shù)的各個領(lǐng)域。原子束是進(jìn)行原子物理研究的重要工具和技術(shù)手段。歷史上有許多重要的實驗工作

57、是使用原子束技術(shù)來完成的。然而，傳統(tǒng)的熱原子束存在著發(fā)散角大、平均速度高、速度分布范圍寬等不利因素，限制了實驗測量的精度。利用激光冷卻與俘獲原子技術(shù)，能夠獲得發(fā)散角專門小、速度極低的慢速原子，從而能使原子物理實驗達(dá)到前所未有的精度，關(guān)于探究與操縱原子量子態(tài)結(jié)構(gòu)極為有利。冷原子的動量專門低，相應(yīng)原子波的波長較長，波性十分明顯，使原子光學(xué)效應(yīng)（原子的反射、聚焦、干涉及衍射等）易于觀看，從而為建筑新型原子干涉儀和進(jìn)展高分辨光譜學(xué)開發(fā)了新的前景。被俘獲在空間微小區(qū)域的低溫中性原子是特不理想的實驗樣品，也是專門好的新型非線性光學(xué)介質(zhì)，在高分辨光譜、冷原子碰撞、放射性同位素原子結(jié)構(gòu)及量子光學(xué)實驗研究等諸多

58、領(lǐng)域均已獲得了應(yīng)用。在利用冷原子進(jìn)行高分辨光譜分析中，由于原子密度高、速度分布范圍窄以及多普勒效應(yīng)阻礙的有效抑制，信噪比和實驗精度得以大幅度提高。用磁光阱研究冷原子的碰撞過程和俘獲放射性同位素，為進(jìn)行差不多物理問題的研究提供了一種相對廉價而又極為有效的實驗手段。盡管這是一個比較新的研究課題，許多技術(shù)尚待完善，但它在基礎(chǔ)研究中的價值不容忽視。近來，在激光冷卻與俘獲原子的研究中，最興奮人心的是在實驗中相繼實現(xiàn)了銣原子、鋰原子和鈉原子的玻色愛因斯坦凝聚（BEC）。BEC的實現(xiàn)，獲得了處于全新狀態(tài)的原子樣品，為更深層次上的研究開發(fā)了途徑。關(guān)于冷原子而言多普勒效應(yīng)關(guān)于譜線寬度的阻礙被有效抑制，因此能夠?qū)?/p>

59、泵浦光和探針光更準(zhǔn)確地調(diào)諧在原子共振線附近，以獲得較大的非線性極化。被冷卻與俘獲的原子樣品成為一種新的專門好的非線性光學(xué)介質(zhì)。例如：有的研究組已將被冷卻與俘獲的銫原子樣品置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，在極低的閾值功率下觀看到了雙穩(wěn)、多穩(wěn)、喇曼光以及量子噪聲壓縮等豐富的非線性量子光學(xué)效應(yīng)。除了冷卻與俘獲中性原子外，冷卻與俘獲離子以及用“光”操縱細(xì)胞等方面的研究也獲得了專門大的進(jìn)展。所有這些都表明，激光冷卻與俘獲技術(shù)已為我們提供了一種前所未有的實驗手段，使我們能夠到達(dá)并觸及微觀粒子，窺探原子世界，用宏觀手段來驗證量子力學(xué)的差不多原理。 原子光學(xué)如上所述，當(dāng)原子被冷卻到1 其德布羅意波長為微米量級，原子的波性將

60、明顯地表現(xiàn)出來。實驗上已觀看到原子經(jīng)駐波柵或原子鏡產(chǎn)生的布喇格衍射和反射，并因而導(dǎo)致一門新的分支學(xué)科原子光學(xué)的誕生，包括原子的“幾何光學(xué)”與“波動光學(xué)”。近年來，由于通過激光冷卻與俘獲實現(xiàn)了BEC，從實驗中觀看到可區(qū)分粒子（如原子光子對）的非定域糾纏，以及許多不可區(qū)分原子的量子統(tǒng)計效應(yīng)，進(jìn)一步激發(fā)了科學(xué)界研究原子光學(xué)的熱情，不斷進(jìn)展原子光學(xué)的新領(lǐng)域。除了基礎(chǔ)研究的意義外，原子光學(xué)可在原子干涉儀、原子平版印刷術(shù)、海森堡顯微鏡、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究以及納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生等諸多方面獲得廣泛應(yīng)用。（3） 腔量子電動力學(xué)瞬時自發(fā)躍遷是量子世界中的普遍現(xiàn)象，小型腔中的原子輻射特性與自由空間中原子的情況完全不同。腔量子電