光子学与光子技术发展战略报告.docx

光子学与光子技术发展战略报告154目 录前 言随着现代科学技术的飞速发展，人类历史即将进入一个崭新的时代信息时代。其鲜明的时代特征是，支撑这个时代的诸如能源、交通、材料和信息等基础产业均将得到高度发展，并能充分满足社会发展及人民生活的多方面需求。作为信息科学的基础：电子学与电子技术将由微电子学与技术向纳米电子学及分子电子学与技术发展；与此同时，近年来，一个新兴学科光子学(PHOTONICS)已经峭然兴起，它继电子学之后，又为信息科学的发展提供了一个重要的可靠基础。对于光子学与光子技术的峭然兴起，世界上技术发达国家，如美国、西欧、日本等都在战略上给以高度重视。在欧洲、美洲、澳洲以及亚洲等地先后兴建起越来越多的光子学专门科研机构与组织，定期和不定期地举办各类学术交流会议；有越来越多的高等院校已开设出光子学专门课程；光子学领域的研究经费投入量与相应的科研成果的也在明显地逐年扩大；随着光子技术的发展，光子以其所具有的极快响应速度、极大信息容量和极高信息效率在推动信息科学发展中显示出越来越大的竞争力。光子产业在商品市场的份额在逐年增加，已倍受产业界关注。不难看出，光子学已经形成一个新兴的独立学科，光子技术作为信息科学的支撑技术将与电子技术相互渗透、补充，并发挥越来越重要的作用。此篇“光子学与光子技术发展战略报告”是国家自然科学基金委员会政策局在“九五”优先资助领域的基础上安排的软课题，由信息科学部组织队伍开展战略研究所取得的结果。光子学与光子技术发展战略研究软课题于九六年底立项，课题组由王启明院士、董孝义教授牵头，由十五位各分支学科的专家组成。在开展研究的过程中进行了大量调查工作。于一九九七年五月和九月分别在福建、山西召开两次研讨会形成了“战略研究”的基本框架。因此，这份“战略研究报告”是我国光子学、光子技术首次在大范围内开展的深入战略研究成果，是众多科学家集体劳动智慧的结晶。在此值得一提的是南开大学有一批卓有学识的教授，十分关注光子学的发展，他们多次发表有见地的综述性文章，在此次战略研究中发挥了重要作用。为了使战略研究的结果能发挥更大的作用，在软课题立项时，我们就提出明确的要求，具体的指导思想是：在总结我委已经完成的各学科发展战略研究经验的基础上，选择“九五”优先资助领域中有较大突破可能的少数项目开展深入研究；研究重点应着眼于全国的宏观决策上，而不要过份偏重于专业内容的调查；在具体方针上，要选好突破口，强调有所为， 有所不为，其总体战略部署争取作到可以指导我国“九五”计划或更长一段时间内的光子学研究工作。在这一思想指导下，本战略中所提出的重大、重点项目的建议，将是信息科学部光学与光电子学“九五”期间的重要立项依据。根据我委管理办法的规定，只要在学科专家评审会通过，这些项目就可以在近期内得以实施。从这一角度来说，这一战略有可能成为我国第一部光子学指导性的实施纲领。众所周知，光子学是一门新兴学科，对于它的内涵以及它与传统光学的关系等，在学术界尚有某些不同见解。因此，我们认为软课题组所提出的战略意见也只是现在的一个调查研究结果，很难包括各种意见和见解，这是符合新生事物的发展规律的。我们相信随着时间的推移以及对光子学认识的深化，有些意见会得到统一。因此，我们希望继续开展有关讨论。只有这样才能正确指导一个新兴学科的健康发展。光学简介狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。 光学的发展简史光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的墨经中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。自墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的。1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。而事实上，1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。1905年9月，德国物理学年鉴发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射，并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年发现以来，得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。光学的研究内容我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。 几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。量子光学  1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。应用光学  光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。光学的进步和发展光与人类的生产、生活联系十分紧密，光能引起人们的视觉，又是一种常见的自然现象，所以光学的起源可以追溯到二、三千年以前。在中国古代的墨经、西方欧几里得的反射光学、阿拉伯学者写的光学全书中都有过对光学现象的介绍。但光学真正成为一种学说应该是从十七世纪几何光学的初步发展开始。几何光学的最初发展就是源于天文学和解剖学的需要。因为光学仪器在天文学和解剖学的研究中有着重要作用，在人们不断研究、制造光学仪器的过程中，几何光学形成了。几何光学的基础是光的反射定律和光的折射定律。十七世纪初，德国天文学家开普勒由于革新天文望远镜的实际需要开始了对几何光学的研究。1604年他发表了一篇论文，对光的反射现象、光的折射现象及视觉现象作了初步的理论解释。1611年，他又出版了一部光学著作，其中记载了他的两个重要试验：比较入射角和出射角的实验，圆柱玻璃试验。在书中，他对几何光学作了进一步的理论探讨，并提出了焦点、光轴等几何光学概念，发现了全反射。 继开普勒之后，荷兰物理学家和数学家斯涅尔对几何光学做出了系统的、数学的分析。斯涅尔通过实验与几何分析，最初发现了光的反射定律。另外，当他对光的反射现象进行系统的试验观测和几何分析以后，他又提出了光的折射定律。但斯涅尔在世时并没有发表这一成果。1626年，他的遗稿被惠更斯读到后才正式发表。不久后笛卡儿也推出了相同的结论，但他是把光的传播想象成球的传播，是用力学规律来解释的，不是十分严密。1661年，费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。折射定律的确立，促进了几何光学的迅速发展。 在早期光学的研究中，色散是另一个古老的课题，因为彩虹现象已经吸引人类多年。在笛卡儿的方法论中，提到了作者早期的色散试验，但他没有观察到全部的色散现象。1648年布拉格的马尔西成功的完成了光的色散试验，但他做出了错误的解释。 牛顿在笛卡儿等人的著作中得到了启示，用三个棱镜重新作了光的色散试验，并在此试验的基础上，对光的颜色总结出了几条规律，结论全面，论据充分。十七世纪，几何光学初步形成便得到了蓬勃的发展。随着几何光学的发展，物理光学也随之逐渐发展起来。在人们对物理光学的研究过程中，光的本性问题是研究的焦点。波动说与微粒说的争论几乎贯穿近代物理光学研究的始终。波粒之争从十七世纪初笛卡儿提出两点假说开始、至二十世纪初以波粒二象性告终，共经历了三百多年的时间。物理学巨星牛顿，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯，英国物理学家胡克，英国著名物理学家托马斯杨等多位著名的科学家参与其中。双方争论得十分激烈，理论发展十分迅速。简单的概括一下波粒之争的过程。波动说一方，格里马第是光的波动说的提出者, 波义耳和胡克是他的支持者；惠更斯继承并完善了胡克的观点。到十九世纪初，以惠特曼为代表的认为光波是一种横向波的学说发展成为了以杨氏和菲涅耳为代表的认为光波是一种纵向波的学说。微粒说一方，牛顿最初在他的论文文里用微粒说阐述了光的颜色理论，后来提出了完整的微粒说理论，并得到牛顿派二百多年的支持。 经过三个多世纪的研究，科学家们才得出了光具有波粒二象形的结论。这一结论的得出经历了一个漫长而曲折的过程。与此同时，光学的其它发展既是他们研究的产物、又成为了双方的论据。809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。1887年，赫兹发现了光电效应。二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子说。 另外在光的波粒之争中，光速的测定曾给他们提供重要的依据。1607年，伽利略进行了最早的测量光速的实验。1676年，丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法。1725年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的"光行差"现象，他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒。这个数值较罗麦法测定的要精确一些。1849年，法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速。1850年，法国物理学家傅科改进了菲索的方法，1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1米/秒。除在波粒之争中的作用之外，光速的测定本身在光学的研究历程中也有着重要的意义。 牛顿的色散试验揭开了光谱研究的序幕，但当时牛顿并没有观察到光谱线。在以后的一百多年里，这方面的科学研究并没有取得太大的进展。直到1803年，托马斯杨进行光的干涉试验，第一次提供了测定波长的方法。其后，德国物理学家弗琅和费对太阳光谱作了认真的检验，并向慕尼黑科学院展示了他自己绘编的太阳光谱图，另外他还发明了衍射光栅。此后，人们逐渐对光谱的性质重视起来。 1859年，基尔霍夫对光谱进行了深入的研究，他发现了物体吸收和发射本领之间的联系。他和本生研究了各种火焰光谱和火花光谱，并在研究碱金属的光谱时发现了铯和铷。他们发明了为光谱学的蓬勃发展打下坚实基础的光谱分析，发明了光谱的可见光部分、紫外部分和红外部分的光谱学测量方法。随后，用光谱方法人们又发现了几种金属元素。光谱分析对鉴定化学成分的巨大意义，使光谱研究工作迅速发展。 1868年，埃格斯特朗发表了“标准太阳光谱”，记有上千条弗琅和费线的波长，数字十分精确，为光谱工作者提供了极有价值的资料。1882年，劳蓝德制作了一个具有很高分辨率的光栅干涉仪和高分辨率的干涉分光镜，这是光学技术的伟大成就。 在这一形势下，许多物理学家都试图寻求光谱的规律。1884年，瑞士的一位中学数学教师巴耳末报告了他发现的氢光谱公式。这个公式打开了光谱奥秘的大门，找到了翻译原子“密码”的依据。从此光谱规律陆续总结出来，原子光谱逐渐成为了一门系统的学科。 1871年，GJ斯坦尼第一次尝试用波长的倒数表示光谱线，并建议取名为波长。1883年，哈特莱用波数表示法取得重大成功，他发现所有三重线的谱线系，同一谱线系中各组三重线的间距总是相等的。这些研究给了瑞典物理学家里德伯重要的启示，使他通过另一个途径找到了光谱规律。1890年，里德伯发表了元素光谱的普通公式。 光谱研究还在继续发展。 第一章 光子学的发展与战略地位 1.1光子学的内涵光子学作为学术词汇，早在40年前就曾出现在学术刊物上，但最早赋之以科学定义规范的当数1970年。这一年，在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学家Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他认为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学。过了几年，他又作了补充，认为“以光子作为能量载体的”也应属光子学的研究内容。其后，相继出现不少类似的定义。例如，法国颇有影响的DGRST组织提出：激光二极管的问世，使光子替代了电子成为信息的载体，从而促成了光子学的形成。世界著名的美国SPECTRA杂志，也于1982年率先更名为PHOTONICSspectra，并提出光子学是“研究发生与利用以光子为量化单位的光，或其他辐射形式的科学”，并认为，“光子学的应用范围从能量的发生到通信与信息处理”。贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作了一个颇为广义的定义，他认为，可与电子学类比，“电子学是关于电子的科学”，光子学则应是“关于光子的科学”。在我国，老一辈科学家龚祖同、钱学森等早在70年代末就频频发出呼吁，希望大家积极开展光子学的学科建设。钱学森教授提出，“光子学是与电子学平行的科学”，它主要“研究光子的产生、运动和转化”。他还首次提出了“光子学光子技术光子工业”的关于光子学的发展模式。鉴于上述情况，1994年我国一些科学家聚会于北京，在香山科学会议上，对光子学的有关问题展开了热烈讨论，并在诸多方面取得了共识。关于光子学定义、内涵及研究范围，较为一致的见解是：光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。或者广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。 在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测规律等。实际上，光子学是一个具有极强应用背景的学科，并由此而形成了一系列的光子技术，如光子发生技术(激光技术)、光子传输技术、光子调制与开关技术、光子存储技术、光子探测技术、光子显示技术等等。光子技术的基础是光子学。因此在这个意义上讲，光子学是一门更具技术科学性质的学科。应当指出，对光子学的定义，无论是广义的还是狭义的，都不能看作是最终的。光子学作为一门新兴学科，目前正处于成长与发展时期，它尚有一个逐步充实、完善，最后走向成熟的必然过程。同时，人们对它的认识也将自然随之进一步深化和统一，因此，起码在目前还不宜对它的定义和研究范畴等做过多的人为划定，以有利其发展。光子学在发展中已形成诸多活跃的和重要的研究领域。信息科学是光子学的重大应用领域之一。特别是在下一个世纪(有称信息时代)里，光子学将继电子学之后成为信息科学的又一个重要支柱。光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科信息光子学(INFOPHOTONICS)。电子学及其电子信息科学技术已经成熟。电子作为信息的载子已经成为本世纪信息领域的主要特征和标志，并为人类社会做出了巨大贡献。因此，人们又常常为本世纪冠之以电子时代的美誉。而光子学及其光子信息科学技术则初露锋芒，其优越性已被广泛确认。光子作为信息的载体的优势与竞争力正在不断地被挖掘和开拓。因此，相对于今天的电子时代而言，人们自然认为，下一个世纪将是光子的时代。正是基于这种情况，可以说光子学是应运于信息时代的来临而产生的。生物或生命科学是光子学的又一个重要应用领域。从发展来看，在世纪，所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻找自己的有意义的生长点与发展面。光在自然界一直与人类亲密相伴，地球上若没有光也就没有生命，光与生命早已结下不解之缘。光学在生命科学中的应用，在经历了一个较缓慢的发展阶段后，由于激光与光子技术的介入，又开始了一个迅速发展的新时期，近年来生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS)。简言之，生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的边缘学科。它涉及生物系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子的探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行的加工与改造。光子学的另一个重要领域是基础光子学。基础研究一直是影响和促成光子学发展的重要因素。如上所述，光子学是一门更具技术科学性质的学科，其理论基础则是基础光子学。今天，光子技术的发展，甚至每个技术细节的进步都与基础光子学息息相关。反之，基础光子学的每一个“突破”和每一次“飞跃”，也自然导致光子技术的一次次创新、开拓和革命。今天，基础光子学仍在不断发展着，并具一定的独立性。量子光学、分子光学、非线性光学、超快光子学等已经成为基础光子学中逐渐趋于成熟的分支学科，它们对技术光子学的推动和促进作用也日趋卓然。1.2 光子学与电子学众所周知，电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。正是这些个性才决定了电子学与光子学分属不同的学科。正如钱学森所言，“光子学是一门和电子学平行的科学，而不是在电子学之内的科学”。关于光子与电子在性质上的差别可以列举很多，下表列举出一些主要差别可供参考。这些差别也决定了它们在应用上的不同。正因为光子具有这样一些特性，才使其，特别是在信息领域显示出非凡的能力， 以下仅举几例说明之： 1.2.1 光子具有的优异特性（1） 光子具有极高的信息容量和效率 作为信息载体，光与电相比信息容量要大出几个量级。例如，一般可见光的频率为5×1014Hz，而处于微波波段的电波频率仅为1010Hz量级；光子在光纤中能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出34个量级，即千倍以上。一个载子可承载的信息量为信息效率。如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声则有可能减小到极小值，光子的信息效率自然也将成量级地提高，这时，一个光子甚至具有承载成千上万个比特信息的能力。（2） 光子具有极快的响应能力 在信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。在电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级。对于光子技术来说，由于光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(PS，10-12S)量级。实际上，现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到小于10个飞秒(fS,10-15S)量级。而且，近两年有望实现23个fs，即相当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)都是可能的。如果使用具有巨大带宽的光纤作信息的传输媒质，于是就能够以如此高的速率，通过光纤将信息传输到几千公里或更远的距离以外。这样，获得的信息比特率×传输距离之积将是非常可观的。显然，这对于电子技术来说，绝对是望尘莫及的。（3） 光子具有极强的互连能力与并行能力 如上所述，电子有电荷，因此电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。例如，在电子技术中，两根导线如果交连，就会形成短路。所以，在电路中为了实现互连，就只能像搭“立交桥”那样，将其运行路线彼此隔离，显然这就使互连受限，成为限制电子信息速率与容量的一个主要因素。另外，在电子技术中，电子信号也只能是串行提取、传输和处理的，对于两维以上的信号，如图象信号等，则只好依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。这是另一个限制电子信息速率和容量的主要因素。对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性等，这些似乎都是光子的“天赐秉性”。例如，在拟开发的第六代计算机神经网络计算机中，具有足够大的网络规模，需要超大规模的群并行性处理。对于一阶网络，规模为N时，其完全互连数则为N2。例如N=104，互连数则为108。计算机的等效运算速率与互连通量成正比，因此，在这种情况下，速率可达1010 bit / s，这差不多是目前计算机的最高水平。（4）光子具有极大的存储能力 不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量(bit)所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，这个量为其波长()量级，因此，三维存储容量为(1/)3量级。如果使用可见光(500nm)，光子的存储能力则可达到1012bitcm3量级。三维存储除容量大外，另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。这样一些优点，都是“电子”无法与之相媲美的。此外，由于光在时间与空间上的特性，可形成反演共轭波，在自适应控制等信息处理领域有独到应用；还由于光子的自旋为h，导致出现偏振、双折射效应等， 并因此而产生一系列新的应用等等。1.2.2 光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系以上只是阐述了光子的优越性。但是必须承认，对于光子人们在认识和利用上还不成熟，这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电子学显示出优势。对于电子无论是在理论上，还是在实际应用上都已相当成熟。 电子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。因此有人讲，利用光子学的优越性与电子学的成熟性相结合，即可创造出一系列新的奇迹。在这个意义上讲，光子与电子是一对孪生的天然伙伴，光子学将受益于电子学而不断获得发展。“光子”与“电子”的结合已开始给我们带来巨大的益处，成为当今乃至未来人类社会的宝贵财富。因此，这种结合已给人们留下深刻印象，以至有不少专家学者反复告诫人们，光子学与电子学之间的结合要永远进行下去。“光子”与“电子”以及它们之间的结合，起码在信息领域，有以下4种(a,b,c,d)模式：这里(a)是全电子(ee)过程，如果有光(O)参与，它只是起辅助作用(如提供能源等)，典型的例子是由太阳能电池供电的各种电子设备。(b)是全光子(PP)过程，电(E)在其中起辅助作用，如各种光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系统。(C)与(d)则是光电结合，即光电子过程。其中(c)的典型例子是光电探测及现行的各种光电通信接收系统等；(d)的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。显然(a)与(b)应分别划为电子学与光子学的研究范畴。而(C),(d)则分属光电子学和电光学，但二者区分并非十分严格。这种状况，在一定意义上也可以说，它反映出光子学与电子学之间存在着某种“血缘”关系。在很多情况下，严格地区分它们似乎是困难的。例如早期PHOTO-ELECTRONICS和ELECTO-OPTICS，后来有OPTO-ELECTRONICS以及OPTICAL ELECTRONICS等。近些年来又出现 OPTRONICS 和 PHOTRONICS的新词汇。还有的， 干脆使用O PLUS E、O und E等等。事实表明，今天乃至今后，光子学与电子学之间已形成的相互依赖、相互渗透、相互补充、相互结合以及相互促进的不可分割的共融关系会进一步深入发展下去。此外，光子学与电子学在发展模式上也有或将有惊人地相似之处：电学 电子学 电子回路 电子集成 电子系统 电子工程电子产业光学 光子学 光子回路 光子集成 光子系统 光子工程 光子产业正是由于有了这种“相似”，才不断地为我们的创造性思维与开拓性研究提供一个个契机，并使之得以借鉴，从而不断地促成了光子学的飞速发展。1.3 光子学的发展及其意义如上所述，光子学具有丰富的内涵和重大的应用前景，它的提出也是科学与社会发展之必然。 因此，光子学一经问世便即刻引起人们的广泛关注。需要指出的是，欧洲和美国，在促成光子学的形成和发展方面表现出极大的兴趣和热情。早在1973年，法国就率先召开了国际光子学会议。同一年，荷兰将原来的“摄影、光化学、光物理学会”合并组成“光子学会”，并于1975年召开了全国光子学会议。经过多方组织和酝酿，于1978年正式成立了欧洲光子学会。其间，一些国际性学术刊物和会议也纷纷更换名称，冠以光子学的词汇。例如美国光学学会的会刊光学通信改名为光学与光子学通信，另一个刊物光谱也更名为光子学集锦。最近，国际非线性光学会议正式更名为国际非线性光子学会议，美国还决定，分别在东西部城市轮流每年一届举办光子学学术大会，等等，此类情况已不胜枚举。就连美国的光学学会也受到多方压力，准备改名为光学与光子学会。这一系列情况表明，光子学及其重要意义已逐渐被越来越多的人们所接受和认可，并且开始积极地加以实施。特别是最近几年里，光子学的发展更为引人注目。在美国，对光子学及其技术的发展与应用已予以高度重视。1991年政府将光子学列为国家发展的重点，认为光子学“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力，并且肯定，通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域”。为此，美国已建立诸多“光子学高技术研究中心”。例如，以南加州大学为中心的由多所高校联合组建了著名的“光子学工艺研究中心”。在欧洲，近年来也相继建立了研究与开发光子学的 联合机构。在德国，政府已确定“光子学是下个世纪初对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的九大关键技术之一”。在这些国家里，已把大量的、越来越多的资金投入到光子学及其技术的研究与开发上去。在日本，对发展光子学及其产业尤为重视，特别是近些年来，日本已在光子学材料和器件的研究与开发上显示出优势，并且对美国和欧洲构成威胁。现在有人甚至认为，在当今时代，光子学即将成为“改变世界技术的杠杆，用它可以转动世界力量的均衡。在今后世界各国经济实力与国防力量的较量中，光子学必定占据极其重要的位置”。另外，需要指出的是，像电子学那样，光子学的发展也将对人们的思维方式产生影响，甚至会改变其在未来社会的生活方式。现在至少可以说，光子学已极大地激励起人们对未来科学技术的信心，以至于不断地提出一个个雄心勃勃的计划和实验，积极地去开拓一个即将到来、定能实现的光子时代。但是，在我国，应该承认，无论是学术界还是产业界，对光子学的学科建设与开发尚存在一段认识过程。几位老科学家早在70年代就曾多次撰写文章、发表演讲、频频发出呼吁，希望积极开展光子学的学科建设。当时已引起一些人的关注和响应。现在，十多年过去了，形势已经出现了明显的转机。越来越多的人开始关注光子学，对这个新学科、对它的发展以及对它在社会与科学发展中的作用有了越来越明确的认识和共识，并且产生了参与欲和紧迫感。特别是近几年来，天津、上海、西安等地的高校与科研机关适形势之发展，先后建立了各种“光子学研究中心”。当然，与国际的发展势态比较，我们仍存在较大的差距。第二章 光子学的重要分支学科及其发展（基础光子学）如上所述，电子学源于电学，而光子学则是从光学开拓出来的。因此，在光子学形成过程中，相应的各个分支学科也开始形成，而且已有若干分支学科在诸多科技领域获得重要应用，并产生强烈影响。这类分支学科主要有：A,基础光子学，包括量子光学、分子光子学、超快光子学、非线性光子学等；B,光子学器件，包括新型激光器、有源无源光子器件等；C,信息光子学，包括导波（光纤）光子学、光通信技术、光存储技术、光显示技术等；D,集成与微结构光子学，包括半导体集成光子学、微结构光子学等；E,生物医学光子学，包括生物光子学、医学光子学等。2.1 基础光子学综上所述