关于光学和光子学主要分支学科的发展战略

关于光学和光子学主要分支学科的发展战略

1988年，国家自然科学基金委员会对所资助的56个学科提出进行发展战略研究。以王之江研究员为首的14位专家组成了光学与光电子学发展战略研究组，于1991年完成了发展战略研究报告。现概略叙述该报告中关于光学和光电子学的主要分支学科的发展战略。

（1）量子光学

量子光学是研究广场的量子性质和光与物质相互作用中的量子现象。它的研究成果深刻地影响着光学和光电子学以及原子分子物理、量子统计物理等学科的发展。

量子光学应着重开展以下两方面的研究工作：

· 非经典光场研究，

· 光子动量传递研究（光的力学效应）。

（2）激光光谱学

激光光谱学的发展，把光谱分辨率、灵敏度、精确度以及时间分辨率推进到新的高度，不仅进一步丰富了原有原子、分子以及固体的光谱数据，而且开拓了很多新的研究领域，成为物理学、生物学、固体材料、表面科学等研究的强有力的手段。

激光光谱学的发展方向主要有以下方面：

· 超精密激光光谱测量技术，

· 超高灵敏度光谱技术，

· 超高分辨率的激光光谱，

· 相干喇曼光谱，

· 相干瞬态光学现象，

· 超快激光光谱。

（3）非线性光学

非线性光学是研究相干光与物质相互作用出现的各种非线性光学效应及其产生机制与应用途径。它在激光技术、信息和图像的处理与存储、光计算、光通信等方面有着重要的应用。

非线性光学应优先发展具有较强应用背景的研究，如：

· 光学双稳、非稳和混沌的研究，

· 光波耦合与光学相位共轭中新效应和新机制的研究，

· 表面、界面和多量子阱中的非线性光学。

（4）超短脉冲激光与超快现象

超短脉冲激光指脉宽在皮秒到飞秒范围的激光。超快现象就是用这样的光脉冲与物质相互作用产生的内在的瞬态现象。飞秒脉冲激光的产生为激光在各个领域中的应用产生时域上的飞跃，它将为物理、化学、生物、材料科学等各个领域的物质内部微观动力学的研究提供优异的工具。

主要发展方向有：

· 超短脉冲产生的机制与技术研究，

· 飞秒脉冲放大研究，

· 超短脉冲的非线性光学，

· 超快速光电子学，

· 超快诊断技术，

· 超短脉冲在光纤中传输的非线性效应，孤子激光器，

· 超短脉冲与物质相互作用。

（5）激光化学、激光生物学与激光医学

激光在化学中的应用发展了化学反应动力学，光物理和光化学，并越来越多地应用于燃烧、等离子体诊断、环境检测、化学合成和裂解，以及发展新的激光体系等。

激光化学的发展方向：

· 分子的电子结构和分子光谱学，

· 分子的光离化、分子自离化动力学、分子场中的形态共振、共振多光子电离，

· 电子－分子碰撞，

· 分子反应动力学，

· 原子簇（多聚物）的获得及光谱测量，

· 结构对表面的研究。

激光与生物组织的相互作用的研究已深入到分子生物学、细胞学、遗传学、生物化学、生物物理学、生态学，以及光合作用等研究。激光技术已在基因工程、细胞工程、基因移植等生物技术中以及医学临床诊断与治疗、农业育种等方面发挥有效作用。

近期内应优先开展的课题有：

· 生物组织的结构光谱诊断及活细胞内生物分子的光谱研究，

· 激光用于细胞生物学的研究，

· 低功率激光与生物组织相互作用（生物刺激）的分子机理，

· 激光消融生物组织的热效应（物理过程）及光化学效应，

· 脉冲激光与生物组织“非线性”相互作用的时间特性研究。

（6）生理光学

生理光学时研究生物视觉系统与环境的相互作用，以及具有智能的知觉系统对外界光信息进行加工的科学。

具有重大理论意义和应用前景的前沿课题有：

· 人和动物视觉系统的智能光学信息加工研究，

· 环境以及物理因素与视觉的相互作用的研究。

（7）光信息处理

光学由于其并行、高速和可交叉互联等特性，在信息处理中与计算机图像处理互为补充，甚至在某些处理中，由于其具有独特的优越性，受到人们的极大重视。

这一领域的前沿课题有：

· 模拟光学处理系统

o 克服空间畸变的光学相关系统，

o 可编程的光电混合的实时光学处理系统，

o 光学神经网络。

· 数字光学计算

o 双稳和光学逻辑元件，

o 结构与算法。

· 光互联

o 二维光计算的基础功能器件的研究，

o 用于模式识别新型滤波器的研究，

o 晶体体全息术及计算机全息术的研究，

o 光学神经网络的研究。

（8）导波光学

导波光学主要研究光在波导中传输、耦合及外场相互作用引起的各种物理现象和以此为基础的光波导器件。它时集成光路、光纤、光波导传感器等设计和制造的基础。

这一领域可开展如下几方面的工作：

· 光波导传输理论与互联耦合，

· 波导电光、声光、磁光和热光效应，

· 光波导传感技术与器件，

· 半导体导波器件物理及集成化关键技术，

· 非线性导波光学，

· 光纤非线性基础研究。

（9）光电子器件

光电子器件是以光电转换为主要形式完成信息或能量转换的功能性器件。主要研究内容有：

· 光源器件，

· 光电子控制器件，

· 光电子成像器件，

· 光电子探测器件，

· 光电子显示器件，

· 光电子集成器件。

（10）新型激光器

CO2，Nd：YAG，Cu，XeCl，KrF等激光器应用广泛，是由于它们在该波段具有最高效率而且能获得高平均功率，这两点对实用是最重要的性能。寻找优于它们的激光器是十分有意义的。材料加工或激光对抗之类应用都要求将平均功率做到千瓦以上。

这一领域开展的前沿课题有：

· 固体可调谐激光器，

· 自由电子激光器，

· XUV和X波段激光器，

· 高平均功率激光器，

· 全固体化激光器。

（11）技术光学

技术光学的内容十分广泛。它包括光学工艺与检测、薄膜光学、工程光学、X射线光学技术等。各领域重点支持的研究项目如下：

· 光学工艺与检测

o 建立高精度（精度在1/200波长以上）的光学平面基准以及一套有效的加工工艺过程及检验方法与设备，

o 计算机辅助抛光技术，

o 高次非球面及各种特殊形状非球面的加工与检验，

o 光学检验数据处理软件包的建立。

· 薄膜光学

o 光学薄膜淀积的离子束技术，

o 光学薄膜的成核、生长核微结构的模型，

o 薄膜特性的检测核微结构分析。

· 工程光学

o 人工智能解决计算机辅助透镜设计，

o 大型光电工程，如用于定向能武器的光学发射系统，

o 微电子光刻设备，

o 精密跟踪定位技术。

· X射线光学技术

o 多层膜X射线光学元件研究，

o X射线超光滑光学表面加工与检测，

o X射线波段物质光学常数（n，k）及光学元件反射率、透过率、偏振度等的测量，

o 同步辐射X射线计量标准和传递标准的建立，

o X射线光源及探测器研究。

（12）光学材料与光功能材料

光学材料与光功能材料研究的内容是：研究在特定波段内具有良好透过、反射、吸收、传输特性以及具有发光、激光、光电、光磁、光存储及其它光功能特性的新系统、新材料、新工艺。研究上述材料的组成、结构、性质变化规律，改进现有材料性能，开拓新型光学与光电子学用的玻璃、晶体和功能材料。

光学和光功能材料、激光材料、非线性材料应优先开展的课题有：

· 光学和光功能材料

o 光谱极限吸收与色散，

o 二次色散与组分关系，

o 稀土和稀有元素的光学性质，

o 低热光系数、声光、磁光材料研制，

o 光功能材料的能量转换及失效机理，

o 光计算、集成光学、光电功能转换元件的非晶格及超晶格材料研究。

· 激光材料

o 激光参数与材料基质基结构的基础研究，

o 材料破坏及失效过程机理，金属和有害杂质消除方法等研究，

o 能量传递过程及敏化机理研究，

o 新型高功率材料，可调谐材料的研制，

o 建立光功能材料数据库。

· 非线性材料

o 非线性与材料的化学组成及结构关系，

o 扩展调谐波长范围（特别是短波长区）的低阈值材料并发展有机及非氧化物材料，

o 提高材料对高平均功率激光的破坏强度，解决大尺寸晶体生长技术，

o 合成多层电解质膜及有机薄膜非线性材料，

o 根据分子模型、计算方法及非对成中心取向排列等理论，开展材料普查与测试。

8、结束语

关于光学与光学工程的重要性，我在北京理工大学成立光电子中心时讲了如下一段话：“中国自称是龙的国家，我们是龙的传人。我们中国常把事业的兴盛发达比作龙的腾飞。龙要腾飞，就要靠龙头，因为它是神经指挥系统。神经指挥系统要靠眼睛——信息获得系统来认识世界，即所谓的“画龙点睛”之说。有了眼睛，龙头使脊梁动作，龙才能腾飞，由此可见眼睛的重要。眼睛是什么？就是光学、光子学。”“20世界是电子的世纪，21世纪将是光子的世纪”，这绝非夸大之辞。光学工程正在对高科技、国防建设、国民经济与人民生活产生巨大的影响。可以预期，光子技术在21世纪将会像20世纪电子技术那样大有发展。

我们从事现代光学科技的工作者，应为有这样的发展机遇而感到鼓舞。机不可失，大有可为。让我们一起为创造现代龙睛（指世界意义的龙信息时代，而不只是把中国看作龙）而努力吧！

参考文献

1 王之江，陈星旦.光学与光电子学的发展【A】.庆祝王大珩教授从事科研活动55周年学术论文集【C】.吉林：吉林科学技术出版社，1992.72－76.

2 王大珩.我国独立自主地从事国防光学工程的历史【A】.庆祝王大珩教授从事科研活动55周年学术论文集【C】.吉林：吉林科学技术出版社，1992.63－66.

3 王大珩，等.中国的光学近况【J】.光学学报，1985，5(1):1-10.

4 母国光.中国光学【A】.庆祝王大珩教授从事科研活动55周年学术论文集【C】.

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