【正文】 人們又提出磁光阱，通過多能級(jí)原子與外部的非均勻磁場相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了散射力原子阱。冷原子的動(dòng)量很低，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）易于觀察，從而為建造新型原子干涉儀和發(fā)展高分辨光譜學(xué)開辟了新的前景。被冷卻與俘獲的原子樣品成為一種新的很好的非線性光學(xué)介質(zhì)。（3） 腔量子電動(dòng)力學(xué)瞬時(shí)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。利用CQED改變自發(fā)輻射的特性，使微腔激光器的研究取得了的可喜的成就。它是量子光學(xué)與信息科學(xué)交叉、結(jié)合形成的一門新興的學(xué)科分支。例如，當(dāng)前被公認(rèn)最安全的公開密鑰密碼系統(tǒng)RSA的核心是一個(gè)幾百位大數(shù)因子分解，采用現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要宇宙年齡尺寸的時(shí)間，然而，若使用量子計(jì)算機(jī)則只需幾分鐘。量子密碼術(shù)提供了解決這一危機(jī)的有效手段，原則上能夠?qū)崿F(xiàn)不可竊聽、不可破譯的保密通信體系。量子通信的研究和發(fā)展將促成現(xiàn)代通信技術(shù)的一場重要變革。（5） 量子態(tài)的制備與操作量子態(tài)在量子信息科學(xué)中扮演著關(guān)鍵的和獨(dú)特的角色，它是信息的攜帶者，因此量子信息的提取、傳送和處理等，實(shí)質(zhì)上就是量子態(tài)的制備和操作。一般來講，研制分子光子器件所須設(shè)備相對便宜，制造工序相對簡單，因此近年來分子光學(xué)的研究倍受關(guān)注，已成為光子學(xué)的一個(gè)重要學(xué)科分支。當(dāng)前的研究工作主要集中在以下方面：① 利用納米加工和納米表征技術(shù)制備具有確定粗糙度的納米表面，進(jìn)而研究這類表面對有機(jī)分子光譜增強(qiáng)的規(guī)律性，包括對喇曼光譜、吸收光譜、熒光光譜、光電壓光譜等的增強(qiáng)規(guī)律性的研究；② 研究有機(jī)分子和納米粒子的組裝體結(jié)構(gòu)對輸運(yùn)光量子的增強(qiáng)效應(yīng)；③ 在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究和完善增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)理。至今，對大多數(shù)界面狀態(tài)了解得尚不十分清楚。實(shí)際上它是紫色細(xì)菌膜蛋白（即光合系統(tǒng)Ⅰ）、綠硫細(xì)菌膜蛋白（即光合系統(tǒng)Ⅱ）在細(xì)胞膜上借助多個(gè)電子傳遞鏈亞單位和接收光子的天線亞單位偶鏈構(gòu)成的，具有雙步光子功能的光敏體系。(4) 有機(jī)/聚合物電發(fā)光器件中的分布反饋結(jié)構(gòu) 為了提高效率、降低閾值，人們把研究無機(jī)半導(dǎo)體激光器時(shí)使用的分布反饋光柵結(jié)構(gòu)引入到有機(jī)/聚合物發(fā)光器件中，并且已獲得了明顯的效果，實(shí)現(xiàn)了光泵浦激射發(fā)光。 由于SNOM輸出的光很弱，而且需要時(shí)時(shí)保持近場距離，所以被研究的分子必須能夠提供超高靈敏度、超高信噪比和穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。由此，人類被帶進(jìn)了一個(gè)嶄新的時(shí)空世界。這種飛秒激光器的特點(diǎn)是全光纖結(jié)構(gòu)，小巧、高效，與傳輸光纖兼容，因此更有重要的實(shí)用價(jià)值。通常的規(guī)律是：能探測運(yùn)動(dòng)過程的速度越高，對微觀世界在空間的認(rèn)識(shí)上則越細(xì)微。超快激光技術(shù)為研究生物光合作用提供了有力工具。它通過提取帶有信息的彈道光子和蛇形光子，進(jìn)行相干選通，實(shí)現(xiàn)成象脈沖的測定。(2) 高次諧波及飛秒軟X射線的產(chǎn)生 當(dāng)足夠強(qiáng)的飛秒激光作用于介質(zhì)時(shí),可以產(chǎn)生高次諧波。如若獲得TeV量級(jí)的粒子,只要幾十米的加速距離即可。主要有如下方面：(1) 非線性變頻效應(yīng)及晶體研究向深紫外與中紅外波段擴(kuò)展 在向紫外波段擴(kuò)展的研究中，硼酸鹽系列衍生物仍然列為優(yōu)先探索的對象。最近，在諸多研究工作中又將這種OPO器件與ZnGeP2等的OPO器件串接產(chǎn)生波長在10μm附近的激光。以激光直接作用于光學(xué)共振區(qū)，則可用較弱的激光作用，即可引發(fā)明顯的光學(xué)非線性－即激發(fā)態(tài)光學(xué)非線性。當(dāng)前的研究重點(diǎn)有：(1) 對有機(jī)光學(xué)非線性材料的熱穩(wěn)定性研究；(2) 對具有更大光學(xué)非線性系數(shù)的有機(jī)材料的探索與研究(3) 對具有更大的多光子吸收截面的有機(jī)材料的探索與研究，以及對其 上轉(zhuǎn)換熒光、激光、雙光子存儲(chǔ)與雙光子顯微鏡、光子限閾器件等應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。 激發(fā)態(tài)光學(xué)非線性的研究 以往光學(xué)非線性的研究主要是集中于遠(yuǎn)離光學(xué)共振區(qū)的非共振光學(xué)非線性的研究。這是當(dāng)前光學(xué)非線性及其應(yīng)用研究的最大熱點(diǎn)之一。我國在紫外波段的硼酸鹽系列非線性晶體的創(chuàng)新研究成果，為國際上激光技術(shù)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。(4) 飛秒等離子體與Rydberg X射線激光 飛秒強(qiáng)激光經(jīng)聚焦作用于介質(zhì)時(shí)，其場強(qiáng)如此之高，以至由于多光子和隧道電離效應(yīng)等，促使介質(zhì)在極短時(shí)間內(nèi)成為密度高達(dá)1023/cm3～1024/cm3的等離子體。(1) TW飛秒激光在傳輸介質(zhì)中的SC效應(yīng) 當(dāng)具有足夠高峰值功率的飛秒激光在介質(zhì)中傳輸時(shí),因介質(zhì)非線性產(chǎn)生的自聚焦效應(yīng)與因等離子的自散焦效應(yīng)相平衡時(shí),就會(huì)使得飛秒脈沖激光在介質(zhì)中傳輸相當(dāng)長的距離后仍不發(fā)散,即出現(xiàn)一種SC(SelfChannel)效應(yīng)。(6) 光層析(OCT)及光子成象技術(shù) 對埋藏在高度散射介質(zhì)中的物體的光學(xué)成象研究是一個(gè)頗具意義并富有挑戰(zhàn)性的課題,原因在于它潛在的生物學(xué)及醫(yī)學(xué)方面的重要應(yīng)用前景。(3) 生物光合作用的超快過程 生物以光合作用的形式，通過光循環(huán)，反復(fù)將光能轉(zhuǎn)化為生物功能所需的生物化學(xué)能。按重復(fù)率劃分，有兩類放大技術(shù)：一是低重復(fù)率(1Hz～10Hz)的，一類是高重復(fù)率(1kHz～10kHz)的；放大后單個(gè)脈沖的能量分別可達(dá)10mJ～1J，和10 W/cm2～1020W/cm2，即達(dá)到和超過原子的庫侖場強(qiáng)。目前，在可見光波長范圍很有競爭力； B 摻鈦藍(lán)寶石、鎂橄欖石、Cr:LiSAF等固體介質(zhì)的飛秒脈沖激光器. 可通過穩(wěn)定的激光自鎖模獲得飛秒光脈沖，簡單、實(shí)用、可靠，并有十分寬的調(diào)諧范圍； C 飛秒半導(dǎo)體激光器 多量子阱半導(dǎo)體激光器的成功是產(chǎn)生飛秒激光脈沖的關(guān)鍵。從六十年代開始，人們通過各種激光鎖模技術(shù)，如被動(dòng)鎖模、主動(dòng)鎖模、同步鎖模等手段，把激光脈沖的脈寬壓縮到皮秒(ps，1012秒)，并且開始將其應(yīng)用于物理、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。顯然，SNOM已經(jīng)成為具有納米級(jí)空間分辨率的光譜分析和納米加工的手段。英國劍橋大學(xué)的研究者們利用微腔已經(jīng)作了很出色的工作：光致發(fā)光的最小譜寬達(dá)到4納米，電注入發(fā)光的最小譜寬達(dá)到20納米，發(fā)光強(qiáng)度增加一個(gè)量級(jí)。另外，產(chǎn)生的綠硫細(xì)菌光誘導(dǎo)跨膜電位也達(dá)800毫伏，而且有放氧機(jī)構(gòu)。② 層間界面的形成及其對光電荷輸運(yùn)的影響光子學(xué)器件通常有多個(gè)組分層來組成，層間形成界面態(tài)。而后又相繼發(fā)現(xiàn)在金、銦、鋰、鈉、鋁、鉑、鈦等金屬表面和一些半導(dǎo)體氧化物（如NiO、TiO2等）的表面上對有機(jī)分子喇曼信號(hào)均有增強(qiáng)作用，還發(fā)現(xiàn)一些氧化物半導(dǎo)體納米顆粒對有機(jī)分子發(fā)光的增強(qiáng)效應(yīng)等。分子組合體是指分子間弱相互作用結(jié)合的體系，它可以是同種分子的組合，也可以是不同分子的組合。這是一種觀念全新的技術(shù)，用這種方法可以突破量子噪聲極限，探測到極為微弱的信號(hào)，它可望在探測生物體電磁信號(hào)、宇宙引力波以及各種被淹沒在量子噪聲中的超微弱信號(hào)等方面獲得重要應(yīng)用。量子態(tài)隱形傳遞(Ouantum teleportation)是量子特性在通信中的奇妙應(yīng)用，它利用基于量子力學(xué)非局域性的糾纏量子態(tài)和量子測量原理來實(shí)現(xiàn)量子態(tài)傳遞，即它將某一量子體系(如粒子)的未知量子態(tài)從一處傳送到另一處，并使該處的另一量子體系處于這個(gè)未知量子態(tài)上，而原來的量子體系仍保持在原處不被傳遞。當(dāng)前使用的保密通信本質(zhì)上是不安全的，雖然一次性便箋式Vernam密鑰是不可破譯的，但由于它要求通信雙方需有共享的龐大密鑰，因而在傳遞與管理等方面則極為不安全。這就極大地激發(fā)了物理學(xué)家們開拓研究新型計(jì)算機(jī)的熱情，經(jīng)過努力，一種以量子系統(tǒng)作為存儲(chǔ)元件、以量子態(tài)作為信息單元的新型計(jì)算機(jī)原理被提出來，于是出現(xiàn)了一種“量子計(jì)算機(jī)”。為了滿足社會(huì)對信息日益倍增的高度需求，人們必須更新觀念，為信息科學(xué)的發(fā)展尋找和探索更新的原理與方法。目前量子計(jì)算機(jī)的提出就是基于這種非定域相關(guān)性。近年來，由于通過激光冷卻與俘獲實(shí)現(xiàn)了BEC，從實(shí)驗(yàn)中觀察到可區(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(jì)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，不斷發(fā)展原子光學(xué)的新領(lǐng)域。BEC的實(shí)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辟了途徑。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(shí)驗(yàn)測量的精度。人們已經(jīng)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。壓縮態(tài)光場的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)靈敏度突破SNL限制的超高精度測量打開了希望之門。為了克服或消除量子噪聲的影響，人們卓有成效地進(jìn)行了諸多方面的研究。因此，光子學(xué)雖然是一門更側(cè)重于技術(shù)的學(xué)科，但它的基礎(chǔ)是量子光學(xué)。因此，在光子學(xué)形成過程中，相應(yīng)的各個(gè)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)烈影響。但是，在我國，應(yīng)該承認(rèn)，無論是學(xué)術(shù)界還是產(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(shí)過程。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)。最近，國際非線性光學(xué)會(huì)議正式更名為國際非線性光子學(xué)會(huì)議，美國還決定，分別在東西部城市輪流每年一屆舉辦光子學(xué)學(xué)術(shù)大會(huì)，等等，此類情況已不勝枚舉。 光子學(xué)的發(fā)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(huì)發(fā)展之必然。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?！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)今乃至未來人類社會(huì)的寶貴財(cái)富。此外，由于光在時(shí)間與空間上的特性，可形成反演共軛波，在自適應(yīng)控制等信息處理領(lǐng)域有獨(dú)到應(yīng)用；還由于光子的自旋為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。計(jì)算機(jī)的等效運(yùn)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(jì)算機(jī)的最高水平。所以，在電路中為了實(shí)現(xiàn)互連，就只能像搭“立交橋”那樣，將其運(yùn)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(gè)主要因素。實(shí)際上，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的光子脈沖寬度水平已達(dá)到小于10個(gè)飛秒(fS,1015S)量級(jí)。正因?yàn)楣庾泳哂羞@樣一些特性，才使其，特別是在信息領(lǐng)域顯示出非凡的能力， 以下僅舉幾例說明之： 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(gè)量級(jí)。今天，基礎(chǔ)光子學(xué)仍在不斷發(fā)展著，并具一定的獨(dú)立性。光學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用，在經(jīng)歷了一個(gè)較緩慢的發(fā)展階段后，由于激光與光子技術(shù)的介入，又開始了一個(gè)迅速發(fā)展的新時(shí)期，近年來生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)驟然興起，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)(BIOMEDOPHOTONICS)。因此，人們又常常為本世紀(jì)冠之以電子時(shí)代的美譽(yù)。光子學(xué)作為一門新興學(xué)科，目前正處于成長與發(fā)展時(shí)期，它尚有一個(gè)逐步充實(shí)、完善，最后走向成熟的必然過程。鑒于上述情況，1994年我國一些科學(xué)家聚會(huì)于北京，在香山科學(xué)會(huì)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(shí)。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。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。他們發(fā)明了為光譜學(xué)的蓬勃發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)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。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。 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)。微粒說一方，牛頓最初在他的論文文里用微粒說闡述了光的顏色理論，后來提出了完整的微粒說理論，并得到牛頓派二百多年的支持。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(diǎn)。1661年，費(fèi)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。1611年，他又出版了一部光學(xué)著作，其中記載了他的兩個(gè)重要試驗(yàn)：比較入射角和出射角的實(shí)驗(yàn)，圓柱玻璃試驗(yàn)。光學(xué)的進(jìn)步和發(fā)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，所以光學(xué)的起源可以追溯到二、三千年以前。在光電效應(yīng)中，當(dāng)光子照射到金屬表面時(shí)，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預(yù)計(jì)的那種累積能量的時(shí)間，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(dòng)能。它可以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(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。光纖通信就是依據(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)。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦于1916年預(yù)言過的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。1905年，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動(dòng)的媒質(zhì)，其唯一特點(diǎn)是，在這種媒質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。并且指出光振動(dòng)所達(dá)到的每一點(diǎn)，都可視為次波的振動(dòng)中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。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。光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)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。從這一角度來說，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(shí)施綱領(lǐng)。光子學(xué)與光子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究軟課題于九六年底立項(xiàng)，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。光子學(xué)與光子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告154 / 156目 錄前 言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類歷史即將進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代—信息時(shí)代。此篇“光子學(xué)與光子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告”是國家自然科學(xué)基金委員會(huì)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，由信息科學(xué)部組織隊(duì)伍開展戰(zhàn)略研究所取得的結(jié)果。根據(jù)我委管理辦法的規(guī)定，只要在學(xué)科專家評審會(huì)通過，這些項(xiàng)目就可以在近期內(nèi)得以實(shí)施。而今天，常說的光學(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，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。1665年，牛頓進(jìn)行太陽光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個(gè)顏色按一定順序排列的光分布——光譜。提出“光同聲一樣，是以球形