【正文】 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。在中國(guó)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(duì)光學(xué)現(xiàn)象的介紹?！　缀喂鈱W(xué)的最初發(fā)展就是源于天文學(xué)和解剖學(xué)的需要。幾何光學(xué)的基礎(chǔ)是光的反射定律和光的折射定律。1604年他發(fā)表了一篇論文，對(duì)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。在書中，他對(duì)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。斯涅爾通過實(shí)驗(yàn)與幾何分析，最初發(fā)現(xiàn)了光的反射定律。但斯涅爾在世時(shí)并沒有發(fā)表這一成果。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。折射定律的確立，促進(jìn)了幾何光學(xué)的迅速發(fā)展。在笛卡兒的《方法論》中，提到了作者早期的色散試驗(yàn)，但他沒有觀察到全部的色散現(xiàn)象。 牛頓在笛卡兒等人的著作中得到了啟示，用三個(gè)棱鏡重新作了光的色散試驗(yàn)，并在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)光的顏色總結(jié)出了幾條規(guī)律，結(jié)論全面，論據(jù)充分。隨著幾何光學(xué)的發(fā)展，物理光學(xué)也隨之逐漸發(fā)展起來。波動(dòng)說與微粒說的爭(zhēng)論幾乎貫穿近代物理光學(xué)研究的始終。物理學(xué)巨星牛頓，荷蘭著名天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家惠更斯，英國(guó)物理學(xué)家胡克，英國(guó)著名物理學(xué)家托馬斯．楊等多位著名的科學(xué)家參與其中。簡(jiǎn)單的概括一下波粒之爭(zhēng)的過程。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)說發(fā)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)說。 經(jīng)過三個(gè)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。與此同時(shí)，光學(xué)的其它發(fā)展既是他們研究的產(chǎn)物、又成為了雙方的論據(jù)。1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律。二十世紀(jì)初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子說。1607年，伽利略進(jìn)行了最早的測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)。1725年，英國(guó)天文學(xué)家布萊德雷發(fā)現(xiàn)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(yáng)光到達(dá)地球需要8分13秒。1849年，法國(guó)人菲索第一次在地面上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)定光速。1972年，埃文森測(cè)得了目前真空中光速的最佳數(shù)值：177。 牛頓的色散試驗(yàn)揭開了光譜研究的序幕，但當(dāng)時(shí)牛頓并沒有觀察到光譜線。直到1803年，托馬斯．楊進(jìn)行光的干涉試驗(yàn)，第一次提供了測(cè)定波長(zhǎng)的方法。此后，人們逐漸對(duì)光譜的性質(zhì)重視起來。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(shí)發(fā)現(xiàn)了銫和銣。隨后，用光譜方法人們又發(fā)現(xiàn)了幾種金屬元素。 1868年，埃格斯特朗發(fā)表了“標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜”，記有上千條弗瑯和費(fèi)線的波長(zhǎng)，數(shù)字十分精確，為光譜工作者提供了極有價(jià)值的資料。 在這一形勢(shì)下，許多物理學(xué)家都試圖尋求光譜的規(guī)律。這個(gè)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)。 1871年，G．J．斯坦尼第一次嘗試用波長(zhǎng)的倒數(shù)表示光譜線，并建議取名為波長(zhǎng)。這些研究給了瑞典物理學(xué)家里德伯重要的啟示，使他通過另一個(gè)途徑找到了光譜規(guī)律。 光譜研究還在繼續(xù)發(fā)展。這一年，在第九屆國(guó)際高速攝影會(huì)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)’。其后，相繼出現(xiàn)不少類似的定義。世界著名的美國(guó)《SPECTRA》雜志，也于1982年率先更名為《PHOTONICS—spectra》，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”。在我國(guó)，老一輩科學(xué)家龔祖同、錢學(xué)森等早在70年代末就頻頻發(fā)出呼吁，希望大家積極開展光子學(xué)的學(xué)科建設(shè)。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)的發(fā)展模式。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)。 在理論上，它主要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?jī)?nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測(cè)規(guī)律等。光子技術(shù)的基礎(chǔ)是光子學(xué)。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)光子學(xué)的定義，無論是廣義的還是狹義的，都不能看作是最終的。同時(shí)，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)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(duì)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。信息科學(xué)是光子學(xué)的重大應(yīng)用領(lǐng)域之一。光子學(xué)與信息科學(xué)的交叉已經(jīng)形成一門新興的學(xué)科—信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS)。電子作為信息的載子已經(jīng)成為本世紀(jì)信息領(lǐng)域的主要特征和標(biāo)志，并為人類社會(huì)做出了巨大貢獻(xiàn)。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)。因此，相對(duì)于今天的電子時(shí)代而言，人們自然認(rèn)為，下一個(gè)世紀(jì)將是光子的時(shí)代。生物或生命科學(xué)是光子學(xué)的又一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。光在自然界一直與人類親密相伴，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。簡(jiǎn)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。光子學(xué)的另一個(gè)重要領(lǐng)域是基礎(chǔ)光子學(xué)。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)。反之，基礎(chǔ)光子學(xué)的每一個(gè)“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。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(duì)技術(shù)光子學(xué)的推動(dòng)和促進(jìn)作用也日趨卓然。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(gè)性。正如錢學(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)”。這些差別也決定了它們?cè)趹?yīng)用上的不同。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(jí)；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(gè)量級(jí)，即千倍以上。如果考慮到光子的數(shù)字編碼與光子的統(tǒng)計(jì)特性等，光子的信息效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出電子。（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主要因素。對(duì)于光子技術(shù)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(jí)。而且，近兩年有望實(shí)現(xiàn)2～3個(gè)fs，即相當(dāng)一個(gè)光學(xué)周期的寬度。如果使用具有巨大帶寬的光纖作信息的傳輸媒質(zhì)，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(yuǎn)的距離以外。顯然，這對(duì)于電子技術(shù)來說，絕對(duì)是望塵莫及的。例如，在電子技術(shù)中，兩根導(dǎo)線如果交連，就會(huì)形成短路。另外，在電子技術(shù)中，電子信號(hào)也只能是串行提取、傳輸和處理的，對(duì)于兩維以上的信號(hào)，如圖象信號(hào)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(hào)來處理。對(duì)于光子來說，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢(shì)。例如，在擬開發(fā)的第六代計(jì)算機(jī)—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)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。例如N=104，互連數(shù)則為108。（4）光子具有極大的存儲(chǔ)能力 不同于電子存儲(chǔ)，光子除能進(jìn)行一維、二維存儲(chǔ)外，尚能完成三維存儲(chǔ)。一個(gè)存儲(chǔ)器的容量極限是由單位信息量(bit)所需最小存儲(chǔ)介質(zhì)體積決定的，對(duì)于光來說，這個(gè)量為其波長(zhǎng)(Λ)量級(jí)，因此，三維存儲(chǔ)容量為(1/Λ)3量級(jí)。三維存儲(chǔ)除容量大外，另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是并行存取，即信息寫入和讀出都是“逐頁(yè)”進(jìn)行的，并能與運(yùn)算器并行連接，由此速度很快。這樣一些優(yōu)點(diǎn)，都是“電子”無法與之相媲美的。 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。而恰恰在這方面電子學(xué)顯示出優(yōu)勢(shì)。 電子已經(jīng)深入社會(huì)，乃至家庭的方方面面。在這個(gè)意義上講，光子與電子是一對(duì)孿生的天然伙伴，光子學(xué)將受益于電子學(xué)而不斷獲得發(fā)展。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。(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)。(C)與(d)則是光電結(jié)合，即光電子過程。顯然(a)與(b)應(yīng)分別劃為電子學(xué)與光子學(xué)的研究范疇。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。例如早期PHOTOELECTRONICS和ELECTOOPTICS，后來有OPTOELECTRONICS以及OPTICAL ELECTRONICS等。還有的， 干脆使用O PLUS E、O und E等等。此外，光子學(xué)與電子學(xué)在發(fā)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”，才不斷地為我們的創(chuàng)造性思維與開拓性研究提供一個(gè)個(gè)契機(jī)，并使之得以借鑒，從而不斷地促成了光子學(xué)的飛速發(fā)展。 因此，光子學(xué)一經(jīng)問世便即刻引起人們的廣泛關(guān)注。早在1973年，法國(guó)就率先召開了國(guó)際光子學(xué)會(huì)議。經(jīng)過多方組織和醞釀，于1978年正式成立了歐洲光子學(xué)會(huì)。例如美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的會(huì)刊《光學(xué)通信》改名為《光學(xué)與光子學(xué)通信》，另一個(gè)刊物《光譜》也更名為《光子學(xué)集錦》。就連美國(guó)的光學(xué)學(xué)會(huì)也受到多方壓力，準(zhǔn)備改名為光學(xué)與光子學(xué)會(huì)。特別是最近幾年里，光子學(xué)的發(fā)展更為引人注目。1991年政府將光子學(xué)列為國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，認(rèn)為光子學(xué)“在國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)方面有深遠(yuǎn)的意義和潛力，并且肯定，通信和計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展的未來世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域”。例如，以南加州大學(xué)為中心的由多所高校聯(lián)合組建了著名的“光子學(xué)工藝研究中心”。在德國(guó)，政府已確定“光子學(xué)是下個(gè)世紀(jì)初對(duì)保持德國(guó)在國(guó)際技術(shù)市場(chǎng)上的先進(jìn)地位至關(guān)重要的九大關(guān)鍵技術(shù)之一”。在日本，對(duì)發(fā)展光子學(xué)及其產(chǎn)業(yè)尤為重視，特別是近些年來，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(shì)，并且對(duì)美國(guó)和歐洲構(gòu)成威脅。在今后世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力與國(guó)防力量的較量中，光子學(xué)必定占據(jù)極其重要的位置”?，F(xiàn)在至少可以說，光子學(xué)已極大地激勵(lì)起人們對(duì)未來科學(xué)技術(shù)的信心，以至于不斷地提出一個(gè)個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)，積極地去開拓一個(gè)即將到來、定能實(shí)現(xiàn)的光子時(shí)代。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)?，F(xiàn)在，十多年過去了，形勢(shì)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)機(jī)。特別是近幾年來，天津、上海、西安等地的高校與科研機(jī)關(guān)適形勢(shì)之發(fā)展，先后建立了各種“光子學(xué)研究中心”。第二章 光子學(xué)的重要分支學(xué)科及其發(fā)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。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(chǔ)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。在光子學(xué)形成和發(fā)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(cè)有關(guān)的基礎(chǔ)上。 量子光學(xué)光具有波粒二象性。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。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)主要研究光的量子與相干性質(zhì)，以及光場(chǎng)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(chǎng)壓縮態(tài)、亞泊松分布、反聚束效應(yīng)等等）、光子發(fā)射與散射及吸收機(jī)理、原子冷卻與俘獲等方面。（1） 光場(chǎng)的量子噪聲光場(chǎng)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。若在每一個(gè)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(gè)模式中有一個(gè)或少數(shù)的光子時(shí)，就必須考慮量子噪聲的影響。①光場(chǎng)壓縮態(tài)的產(chǎn)生和應(yīng)用 隨著認(rèn)識(shí)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(chǎng)；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。自1985年首次在實(shí)驗(yàn)中獲得壓縮態(tài)光場(chǎng)的近十多年來，世界各國(guó)的有關(guān)實(shí)驗(yàn)室在光場(chǎng)壓縮態(tài)的獲得和探測(cè)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究工作，已實(shí)現(xiàn)了正交位相壓縮、強(qiáng)度差壓縮、振幅壓縮等。其中，最引人注目的兩個(gè)方面是：利用壓縮光進(jìn)行低于散粒噪聲的高精度測(cè)量和利用壓縮光實(shí)現(xiàn)與原子的相互作用，特別是實(shí)現(xiàn)與冷原子的相互作用。 ② 突破散粒噪聲極限的超高精度測(cè)量 光場(chǎng)的量子噪聲是提高光信息傳輸、處理、探測(cè)和測(cè)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(zhǎng)期追逐的目標(biāo)。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(cè)量的靈敏度達(dá)到高于由SNL所限定的水平。此外，在實(shí)驗(yàn)中還有用頻率非簡(jiǎn)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(chǎng)以及用量子相關(guān)的攣生光束實(shí)現(xiàn)微小信號(hào)的恢復(fù)與分析。光與原子或離子的相互作用中，由于動(dòng)量傳遞形成的輻射壓力足以控制原子或離子的運(yùn)動(dòng)，最成功的應(yīng)用是對(duì)原子和離子的激光冷卻與俘獲。近年來，激光冷卻與俘獲的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)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。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(shì)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。原子冷卻與俘獲技術(shù)一經(jīng)發(fā)展就被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)與技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。歷史上有許多重要的實(shí)驗(yàn)工作是使用原子束技術(shù)來完成的。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(duì)于探索與控制原子量子態(tài)結(jié)構(gòu)極為有利。被俘獲在空間極小區(qū)域的低溫中性原子是非常理想的實(shí)驗(yàn)樣品，也是很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(shí)驗(yàn)研究等諸多領(lǐng)域均已獲得了應(yīng)用。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)行基本物理問題的研究提供了一種相對(duì)便宜而又極為有效的實(shí)驗(yàn)手段。近來，在激光冷卻與俘獲原子的研究中，最激動(dòng)人心的是在實(shí)驗(yàn)中相繼實(shí)現(xiàn)了銣原子、鋰原子和鈉原子的