【正文】 于今天的電子時代而言，人們自然認為，下一個世紀將是光子的時代。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。如果使用具有巨大帶寬的光纖作信息的傳輸媒質，于是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的距離以外。一個存儲器的容量極限是由單位信息量(bit)所需最小存儲介質體積決定的，對于光來說，這個量為其波長(Λ)量級，因此，三維存儲容量為(1/Λ)3量級。(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)。早在1973年，法國就率先召開了國際光子學會議。在日本，對發(fā)展光子學及其產業(yè)尤為重視，特別是近些年來，日本已在光子學材料和器件的研究與開發(fā)上顯示出優(yōu)勢，并且對美國和歐洲構成威脅。在光子學形成和發(fā)展過程中，光子學在諸多技術領域中的重要應用都建立在與光子產生、傳輸和探測有關的基礎上。自1985年首次在實驗中獲得壓縮態(tài)光場的近十多年來，世界各國的有關實驗室在光場壓縮態(tài)的獲得和探測等方面進行了卓有成效的研究工作，已實現(xiàn)了正交位相壓縮、強度差壓縮、振幅壓縮等。其后，又通過不斷完善使阱深、俘獲區(qū)域、穩(wěn)定性等均達到原子俘獲的要求。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諧振腔內，在極低的閾值功率下觀察到了雙穩(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效應。數(shù)年前，在幾平方毫米的芯片上可以集成上百個微激光器；現(xiàn)在，在5”的襯底上可以集成108個微激光器。這一激動人心的進展引起廣泛關注，并被認為是計算機研究領域中發(fā)生的一場革命。還有一種新穎的量子通信模式—量子光通信。（1）限域腔（量子阱、量子點等）中電子態(tài)的量子電動力學限域腔（量子阱、量子點等）中電子態(tài)的量子電動力學是分子光子學的理論研究基礎。通常采用表面光電壓技術、電容—電壓法、小角X射線衍射等方法來研究界面狀況，對于分子光子學器件還需要發(fā)展新的研究方法。電注入激光發(fā)射成為當前被廣泛關注的研究課題。同時，脈沖的壓縮與放大必然導致峰值功率的大幅度提高，以至能夠獲得峰值功率密度達1018～1020W/cm2量級的光脈沖,其相應強度已達到并大于原子內的庫侖場強。因此可以說，獲得的激光脈沖寬度越窄，能促使我們研究物質微觀世界的層次也就越深。時間分辨率取決于入射脈沖的寬度，采用飛秒光脈沖時，其時間分辨率將達到1015秒量級。因此，利用飛秒強激光產生的等離子波來實現(xiàn)高能、超小型的新一代粒子加速器，已成為引人關注的熱門研究課題。這些變頻器件的出現(xiàn)將大大推動光譜學、環(huán)境監(jiān)測以及軍用光電對抗的應用。 有機光學非線性材料研究 有機光學非線性材料也受到人們的廣泛重視，這主要是由于這類材料較之無機非線性材料具有更大的二階與三階非線性系數(shù)。利用特別的非對稱周期極化結構，可以同時產生二倍頻與三倍頻，及壓窄或展寬變頻后的光脈沖寬度等。由于它具有很小的尺寸和飛秒的持續(xù)時間，因此為凝聚態(tài)結構動力學等方面的研究提供了快速時間分辨手段，并將大大推動醫(yī)學、生物學、物理學和材料科學的發(fā)展。這一成果將對光學信息處理及全息技術產生重大影響。為了提高峰值功率，發(fā)展了飛秒激光放大技術。 超快光子學實際上，超快光子學研究領域是由超短激光脈沖技術開辟的。(3) 有機微腔發(fā)光器件 微腔有明顯的致使器件發(fā)光增強和譜線變窄的作用。分子激發(fā)態(tài)和超快過程的研究同樣特別重要，通常采用飛秒時間光譜的方法進行。 分子光子學分子光子學是以分子或其組合體中光子的產生、傳輸和檢測等為研究對象的一門分支學科。量子信道則可以有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。而通過減小元件尺寸來提高運算速度，最終要變成單原子器件，于是就必須考慮到微觀的量子效應以及由此帶來的影響，然而，作為計算機科學基石的圖靈理論對此則已經(jīng)無能為力。CQED的一個突出特點是，光場與原子相互作用后可以形成糾纏態(tài)，這是光場與原子的一種非定域量子態(tài)，這種相關性可應用于量子非破壞性測量（QND）、制備薛定鍔貓態(tài)、驗證Bell不等式等等，還可以利用CQED來制備多于兩個粒子的糾纏態(tài)，比通常的糾纏態(tài)更為有效地用于驗證量子非定域性。近來，在激光冷卻與俘獲原子的研究中，最激動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）。近年來，激光冷卻與俘獲的理論和實驗技術已經(jīng)日趨完善，并被廣泛應用于基礎科學和高技術領域的研究。若在每一個模式中的光子數(shù)很大，則足可以用光的經(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影響。第二章 光子學的重要分支學科及其發(fā)展（基礎光子學）如上所述，電子學源于電學，而光子學則是從光學開拓出來的。例如，以南加州大學為中心的由多所高校聯(lián)合組建了著名的“光子學工藝研究中心”。此外，光子學與電子學在發(fā)展模式上也有或將有驚人地相似之處：電學 → 電子學 → 電子回路 → 電子集成 → 電子系統(tǒng) → 電子工程→電子產業(yè)光學 → 光子學 → 光子回路 → 光子集成 → 光子系統(tǒng) → 光子工程 →光子產業(yè)正是由于有了這種“相似”，才不斷地為我們的創(chuàng)造性思維與開拓性研究提供一個個契機，并使之得以借鑒，從而不斷地促成了光子學的飛速發(fā)展。在這個意義上講，光子與電子是一對孿生的天然伙伴，光子學將受益于電子學而不斷獲得發(fā)展。例如N=104，互連數(shù)則為108。對于光子技術來說，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，1012S)量級。反之，基礎光子學的每一個“突破”和每一次“飛躍”，也自然導致光子技術的一次次創(chuàng)新、開拓和革命。電子作為信息的載子已經(jīng)成為本世紀信息領域的主要特征和標志，并為人類社會做出了巨大貢獻。他還首次提出了“光子學—光子技術—光子工業(yè)”的關于光子學的發(fā)展模式。這個公式打開了光譜奧秘的大門，找到了翻譯原子“密碼”的依據(jù)。1972年，埃文森測得了目前真空中光速的最佳數(shù)值：177。到十九世紀初，以惠特曼為代表的認為光波是一種橫向波的學說發(fā)展成為了以楊氏和菲涅耳為代表的認為光波是一種縱向波的學說。不久后笛卡兒也推出了相同的結論，但他是把光的傳播想象成球的傳播，是用力學規(guī)律來解釋的，不是十分嚴密。例如，有關電磁輻射的物理量的測量的光度學、輻射度學；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；以及眾多的技術光學：光學系統(tǒng)設計及光學儀器理論，光學制造和光學測試，干涉量度學、薄膜光學、纖維光學和集成光學等；還有與其他學科交叉的分支，如天文光學、海洋光學、遙感光學、大氣光學、生理光學及兵器光學等。物理光學是從光的波動性出發(fā)來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學科，所以也稱為波動光學。此后，光學開始進入了一個新的時期，以致于成為現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術前沿的重要組成部分。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹薄６裉?，常說的光學是廣義的，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的，關于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質相互作用的科學。此篇“光子學與光子技術發(fā)展戰(zhàn)略報告”是國家自然科學基金委員會政策局在“九五”優(yōu)先資助領域的基礎上安排的軟課題，由信息科學部組織隊伍開展戰(zhàn)略研究所取得的結果。光子學與光子技術發(fā)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，由十五位各分支學科的專家組成。光學是物理學的一個重要組成部分，也是與其他應用技術緊密相關的學科。并且指出光振動所達到的每一點，都可視為次波的振動中心、次波的包絡面為傳播波的波陣面(波前)。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質，其唯一特點是，在這種媒質中光振動具有一定的傳播速度。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦于1916年預言過的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產生受激輻射的技術。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中傳插時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。光學的進步和發(fā)展光與人類的生產、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，所以光學的起源可以追溯到二、三千年以前。1661年，費馬把數(shù)學家赫里貢提出的數(shù)學方法用于折射問題，推出了折射定律，得到了正確的結論。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。除在波粒之爭中的作用之外，光速的測定本身在光學的研究歷程中也有著重要的意義。從此光譜規(guī)律陸續(xù)總結出來，原子光譜逐漸成為了一門系統(tǒng)的學科。鑒于上述情況，1994年我國一些科學家聚會于北京，在香山科學會議上，對光子學的有關問題展開了熱烈討論，并在諸多方面取得了共識。因此，人們又常常為本世紀冠之以電子時代的美譽。今天，基礎光子學仍在不斷發(fā)展著，并具一定的獨立性。實際上，現(xiàn)在實驗室的光子脈沖寬度水平已達到小于10個飛秒(fS,1015S)量級。計算機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1010 bit / s，這差不多是目前計算機的最高水平?！肮庾印迸c“電子”的結合已開始給我們帶來巨大的益處，成為當今乃至未來人類社會的寶貴財富。 光子學的發(fā)展及其意義如上所述，光子學具有豐富的內涵和重大的應用前景，它的提出也是科學與社會發(fā)展之必然。在歐洲，近年來也相繼建立了研究與開發(fā)光子學的 聯(lián)合機構。因此，在光子學形成過程中，相應的各個分支學科也開始形成，而且已有若干分支學科在諸多科技領域獲得重要應用，并產生強烈影響。為了克服或消除量子噪聲的影響，人們卓有成效地進行了諸多方面的研究。人們已經(jīng)提出諸多的冷卻機制，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1012/cm3。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辟了途徑。目前量子計算機的提出就是基于這種非定域相關性。這就極大地激發(fā)了物理學家們開拓研究新型計算機的熱情，經(jīng)過努力，一種以量子系統(tǒng)作為存儲元件、以量子態(tài)作為信息單元的新型計算機原理被提出來，于是出現(xiàn)了一種“量子計算機”。量子態(tài)隱形傳遞(Ouantum teleportation)是量子特性在通信中的奇妙應用，它利用基于量子力學非局域性的糾纏量子態(tài)和量子測量原理來實現(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。分子組合體是指分子間弱相互作用結合的體系，它可以是同種分子的組合，也可以是不同分子的組合。② 層間界面的形成及其對光電荷輸運的影響光子學器件通常有多個組分層來組成，層間形成界面態(tài)。英國劍橋大學的研究者們利用微腔已經(jīng)作了很出色的工作：光致發(fā)光的最小譜寬達到4納米，電注入發(fā)光的最小譜寬達到20納米，發(fā)光強度增加一個量級。從六十年代開始，人們通過各種激光鎖模技術，如被動鎖模、主動鎖模、同步鎖模等手段，把激光脈沖的脈寬壓縮到皮秒(ps，1012秒)，并且開始將其應用于物理、化學等學科領域。按重復率劃分，有兩類放大技術：一是低重復率(1Hz～10Hz)的，一類是高重復率(1kHz～10kHz)的；放大后單個脈沖的能量分別可達10mJ～1J，和10 W/cm2～1020W/cm2，即達到和超過原子的庫侖場強。(6) 光層析(OCT)及光子成象技術 對埋藏在高度散射介質中的物體的光學成象研究是一個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及醫(yī)學方面的重要應用前景。(4) 飛秒等離子體與Rydberg X射線激光 飛秒強激光經(jīng)聚焦作用于介質時，其場強如此之高，以至由于多光子和隧道電離效應等，促使介質在極短時間內成為密度高達1023/cm3～1024/cm3的等離子體。這是當前光學非線性及其應用研究的最大熱點之一。當前的研究重點有：(1) 對有機光學非線性材料的熱穩(wěn)定性研究；(2) 對具有更大光學非線性系數(shù)的有機材料的探索與研究(3) 對具有更大的多光子吸收截面的有機材料的探索與研究，以及對其 上轉換熒光、激光、雙光子存儲與雙光子顯微鏡、光子限閾器件等應用基礎的研究。最近，在諸多研究工作中又將這種OPO器件與ZnGeP2等的OPO器件串接產生波長在10μm附近的激光。如若獲得TeV量級的粒子,只要幾十米的加速距離即可。它通過提取帶有信息的彈道光子和蛇形光子，進行相干選通，實現(xiàn)成象脈沖的測定。通常的規(guī)律是：能探測運動過程的速度越高，對微觀世界在空間的認識上則越細微。由此，人類被帶進了一個嶄新的時空世界。(4) 有機/聚合物電發(fā)光器件中的分布反饋結構 為了提高效率、降低閾值，人們把研究無機半導體激光器時使用的分布反饋光柵結構引入到有機/聚合物發(fā)光器件中，并且已獲得了明顯的效果，實現(xiàn)了光泵浦激射發(fā)光。至今，對大多數(shù)界面狀態(tài)了解得尚不十分清楚。一般來講，研制分子光子器件所須設備相對便宜，制造工序相對簡單，因此近年來分子光學的研究倍受關注，已成為光子學的一個重要學科分支。量子通信的研究和發(fā)展將促成現(xiàn)代通信技術的一場重要變革。例如，當前被公認最安全的公開密鑰密碼系統(tǒng)RSA的核心是一個幾百位大數(shù)因子分解，采用現(xiàn)有經(jīng)典計算機需要宇宙年齡尺寸的時間，然而，若使用量子計算機則只需幾分鐘。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。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介質。在最初的靜磁阱與光學阱的基礎上，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合，實現(xiàn)了散射力原子阱。由于壓縮態(tài)中可以使光場的某個正交分量具有比相干態(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用中具有極為重要的實際意義。 基礎光子學綜上所述，電子學源于電學，而光子學則是從光學開拓出來的。在這些國家里，已把大量的、越來越多的資金投入到光子學及其技術的研究與開發(fā)上去。需要指出的是，歐洲和美國，在促成光子學的形成和發(fā)展方面表現(xiàn)出極大的興趣和熱情?！肮庾印迸c“電子”以及它們之間的結合，起