【正文】 世界提供直接而有效的手段等等。（1） 量子計(jì)算機(jī)當(dāng)前，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度雖然在不斷提高，但由于不可避免的能耗以及分布參數(shù)等限制著元件集成度的進(jìn)一步提高，因此從實(shí)質(zhì)上講，單機(jī)運(yùn)算速度存在著極限值。根據(jù)國外的發(fā)展和國內(nèi)的實(shí)際情況，近期應(yīng)重點(diǎn)開展以下研究課題：① 壓縮態(tài)的研究A 研制實(shí)用化小型壓縮光光源——壓縮器；B 利用壓縮光進(jìn)行低于散粒噪聲極限(SNL)的超高精度測量；C 研究壓縮光與冷原子樣品相互作用的非經(jīng)典物理現(xiàn)象。在微腔半導(dǎo)體激光器中發(fā)現(xiàn)，自發(fā)輻射系數(shù)得到了增強(qiáng)，泵浦閾值可以大幅度降低，同時光子流噪聲也可以降到標(biāo)準(zhǔn)量子極限以下，產(chǎn)生光子數(shù)壓縮態(tài)光場。② 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，原子的波性將明顯地表現(xiàn)出來。雖然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。原子束是進(jìn)行原子物理研究的重要工具和技術(shù)手段。① 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，可以用光束控制原子的運(yùn)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)。關(guān)于壓縮光本身的研究，其重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向壓縮光產(chǎn)生裝置的小型化和實(shí)用化方面。量子噪聲與光放大、光探測等類物理過程緊密相關(guān)。光子是量子化光場的基本單元；量子光場遵循量子力學(xué)的規(guī)律。當(dāng)然，與國際的發(fā)展勢態(tài)比較，我們?nèi)源嬖谳^大的差距。另外，需要指出的是，像電子學(xué)那樣，光子學(xué)的發(fā)展也將對人們的思維方式產(chǎn)生影響，甚至?xí)淖兤湓谖磥砩鐣纳罘绞?。為此，美國已建立諸多“光子學(xué)高技術(shù)研究中心”。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。事實(shí)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賴、相互滲透、相互補(bǔ)充、相互結(jié)合以及相互促進(jìn)的不可分割的共融關(guān)系會進(jìn)一步深入發(fā)展下去。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。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，即可創(chuàng)造出一系列新的奇跡。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。對于一階網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模為N時，其完全互連數(shù)則為N2。（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。在電子技術(shù)中，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，109s)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)于光子與電子在性質(zhì)上的差別可以列舉很多，下表列舉出一些主要差別可供參考。今天，光子技術(shù)的發(fā)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)。從發(fā)展來看，在２１世紀(jì)，所有的科學(xué)技術(shù)都將環(huán)繞人與人類的發(fā)展問題，尋找自己的有意義的生長點(diǎn)與發(fā)展面。電子學(xué)及其電子信息科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成熟。因此在這個意義上講，光子學(xué)是一門更具技術(shù)科學(xué)性質(zhì)的學(xué)科。錢學(xué)森教授提出，“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)”，它主要“研究光子的產(chǎn)生、運(yùn)動和轉(zhuǎn)化”。 第一章 光子學(xué)的發(fā)展與戰(zhàn)略地位 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。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)現(xiàn)的氫光譜公式。 1859年，基爾霍夫?qū)庾V進(jìn)行了深入的研究，他發(fā)現(xiàn)了物體吸收和發(fā)射本領(lǐng)之間的聯(lián)系。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。1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。波動說一方，格里馬第是光的波動說的提出者, 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(diǎn)。十七世紀(jì)，幾何光學(xué)初步形成便得到了蓬勃的發(fā)展。1626年，他的遺稿被惠更斯讀到后才正式發(fā)表。　　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(shí)際需要開始了對幾何光學(xué)的研究。 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，所以還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。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。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)果通常總是波動光學(xué)在某些條件下的近似或極限。自20世紀(jì)50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(yùn)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)”。光學(xué)的發(fā)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)和狹義相對論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。量子論不僅很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。然而，這樣的理論還不能說明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。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?；莞故枪獾奈⒘Ｕf的反對者，他創(chuàng)立了光的波動說。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(dú)立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。光學(xué)簡介狹義來說，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，optics(光學(xué))這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。在這一思想指導(dǎo)下，本戰(zhàn)略中所提出的重大、重點(diǎn)項(xiàng)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(xiàng)依據(jù)。不難看出，光子學(xué)已經(jīng)形成一個新興的獨(dú)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。其鮮明的時代特征是，支撐這個時代的諸如能源、交通、材料和信息等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)均將得到高度發(fā)展，并能充分滿足社會發(fā)展及人民生活的多方面需求。在開展研究的過程中進(jìn)行了大量調(diào)查工作。眾所周知，光子學(xué)是一門新興學(xué)科，對于它的內(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。 光學(xué)的發(fā)展簡史光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當(dāng)用白光照射時，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)用某一單色光照射時，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)。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，但都不很完整。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)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。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。波動光學(xué)的基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動力學(xué)的麥克斯韋方程組。這種從光子的性質(zhì)出發(fā)，來研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。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。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(diǎn)、光軸等幾何光學(xué)概念，發(fā)現(xiàn)了全反射。折射定律的確立，促進(jìn)了幾何光學(xué)的迅速發(fā)展。波動說與微粒說的爭論幾乎貫穿近代物理光學(xué)研究的始終。 經(jīng)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。1607年，伽利略進(jìn)行了最早的測量光速的實(shí)驗(yàn)。 牛頓的色散試驗(yàn)揭開了光譜研究的序幕，但當(dāng)時牛頓并沒有觀察到光譜線。隨后，用光譜方法人們又發(fā)現(xiàn)了幾種金屬元素。 1871年，G．J．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。其后，相繼出現(xiàn)不少類似的定義。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)。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，以有利其發(fā)展。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)。簡言之，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)就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。量子光學(xué)、分子光學(xué)、非線性光學(xué)、超快光子學(xué)等已經(jīng)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。例如，一般可見光的頻率為51014Hz，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3～4個量級，即千倍以上。而且，近兩年有望實(shí)現(xiàn)2～3個fs，即相當(dāng)一個光學(xué)周期的寬度。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，對于兩維以上的信號，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。（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。 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。因此，這種結(jié)合已給人們留下深刻印象，以至有不少專家學(xué)者反復(fù)告誡人們，光子學(xué)與電子學(xué)之間的結(jié)合要永遠(yuǎn)進(jìn)行下去。這種狀況，在一定意義上也可以說，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。 因此，光子學(xué)一經(jīng)問世便即刻引起人們的廣泛關(guān)注。就連美國的光學(xué)學(xué)會也受到多方壓力，準(zhǔn)備改名為光學(xué)與光子學(xué)會。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”。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)。這類分支學(xué)科主要有：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。量子光學(xué)側(cè)重于理論，是光子學(xué)的重要組成部分。①光場壓縮態(tài)的產(chǎn)生和應(yīng)用 隨著認(rèn)識的深入，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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，具有很低的總噪聲，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。近年來，人們已提出了諸多的理論與實(shí)驗(yàn)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。雖然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。利用激光冷卻與俘獲原子技術(shù)，可以獲得發(fā)散角很小、速度極低的慢速原子，從而能使原子物理實(shí)驗(yàn)達(dá)到前所未有的精度，對于探索與控制原子量子態(tài)結(jié)構(gòu)極為有利。對于冷原子而言多普勒效應(yīng)對于譜線寬度的影響被有效抑制，因此可以將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。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。與CQED密切相關(guān)的另一個引人注目的領(lǐng)域是量子態(tài)控制與量子計(jì)算機(jī)的邏輯門。光量子信息理論以及由此可能產(chǎn)生的新技術(shù)便在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。1994年Shor提出一種基于量子相干性的量子并行算法，并證明量子計(jì)算機(jī)可以將一類問題從現(xiàn)有的指數(shù)增長的運(yùn)算變成為多項(xiàng)式增長的運(yùn)算，這樣，便使運(yùn)算速度的提高得到突破性進(jìn)展。上述RSA密碼體系，其安全性是基于“大數(shù)因子分解”這樣難以計(jì)算的數(shù)學(xué)問題，因此可以說，現(xiàn)有經(jīng)典密鑰體系已受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。最近，這種奇特的隱形量子態(tài)傳送已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得以實(shí)現(xiàn)。例如，這種量子非破壞性測量已成為其中最關(guān)鍵的技術(shù)。利用分子設(shè)計(jì)，可以組裝并實(shí)現(xiàn)具有各種功能和特性的分子組合體，諸如提高對光子的捕獲能力、提高熒光強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)對生物功能的模仿等。在理論上，人們提出了許多模型解釋增強(qiáng)的機(jī)理，但是到目前為止，尚無一種完整的理論能對實(shí)驗(yàn)作出圓滿的解釋。界面態(tài)對電荷的輸運(yùn)和復(fù)合有重要的影響，因而也影響了未來光子器件的性能。重要的進(jìn)化步驟是綠色高等植物的產(chǎn)生。深入研究微腔結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，能進(jìn)一步改善這些性能。為促使分子光子學(xué)的研究與發(fā)展，為分子光子學(xué)器件的設(shè)計(jì)與工藝提供了新的依據(jù)。到了八十年代，激光碰撞鎖模技術(shù)的開拓，又把激光脈沖的寬度壓縮到了飛秒(fs，1015秒)，就是說,在這個脈沖時間里，光子在空間只運(yùn)行了亞微米的距離。多量子阱半導(dǎo)體具有高增益、寬譜帶、低色散以及強(qiáng)的非線性增益飽和與非常快的恢復(fù)時間等優(yōu)異特性，因此能輕易獲得高重復(fù)頻率的飛秒激光脈沖，并將碰撞鎖模、吸收與增益飽和、色散補(bǔ)償?shù)染阌谝簧恚蛊骷∏蓪?shí)用； D 飛秒光纖激光器 近年來，以摻稀土元素的SiO2光纖基質(zhì)為增益介質(zhì)已研制出各種光纖激光器，再進(jìn)一步通過主動、被動鎖模或借助光纖所具有的獨(dú)特的孤子效應(yīng)，即可使之處于脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，產(chǎn)生飛秒激光脈沖。 超快光子學(xué)中的超快過程與超快技術(shù) 飛秒激光的發(fā)展與超快過程的探測息息相關(guān)，它為我們提供了一種時間分辨率高達(dá)1015秒的光探針，使得我們有可能了解原子、分子的結(jié)構(gòu)及其超快運(yùn)動過程。在這種循環(huán)中，一些環(huán)節(jié)是超快過程。近來,以超短光脈沖技術(shù)為核心的時間分辨方法,被證明是一種實(shí)現(xiàn)高散射介質(zhì)中物體成象的有效途徑。這一效應(yīng)在物理、化學(xué)、大氣放電等方面有極為重要的應(yīng)用。(5) 等離子體波與等離子體加速器 利用飛秒強(qiáng)激光產(chǎn)生的等離子波對粒子加速，被加速的粒子可能達(dá)到的場強(qiáng),從理論上講,要比現(xiàn)有加速器的場強(qiáng)高出103～104倍。當(dāng)前，這方面的研究還繼續(xù)向縱深發(fā)展。 目前，研究較多的為周期極化LiNbO3(PPLN)、周期極化KTP和周期極化RTA等晶體，它們特別適合于制作3～5μm波段的OPO器件。一般地，需要運(yùn)用極強(qiáng)的激光進(jìn)行操作。 光纖材料中光學(xué)非線性效應(yīng)的研究 由于光纖的芯徑極小，進(jìn)入