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世界华人交流协会  世界文化艺术研究中心   主办 2005年4月13日　星期三 　 下午好！
 

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光子学的进展
 
上海市 邱元武
 
　　作者简介：邱元武地地男，1937年4月生，上海人。1959年毕业地北京大学无线电电子学系无线电物理专业波谱专门化。曾先后在中国科学院物理研究所、上海光学和精密机械研究的和安徽光学和精密机械研究所工作。现任同济大学物理学教授、同济大学研究生院光学专业委员会主任，兼任中国高等科学技术中心协联成员。长期从事激光光谱学、反应动力学和光电子学等领域的教学和科研工作，《激光光谱学》和《光电子学》等研究生课程，编著《激光技术和应用》获1999年上海市普通高校优秀教材三等奖。科研上，在《物理学报》、《光学学报》和《physicelReview》、《Aeitschriftfurphysik》等国内外核心期刊上共发表学术论文70多篇，其中多篇被SCI和EI等国际检索期刊收录和被国内外同行多次引用。主持完成国家自然科学基金项目“卤代卡宾的光谱测定”，用分子束技术首次观察到HCF的振转带~A1A（000）-X~1A（010）和HCCI的振动转带~　A1A（030）和~A1A”（040）-X~1A’（000）中的部分子带的激光感生荧光激发谱，有关成果获1988年中国科学院科学技术进步奖三等奖。
　　论文关键词：光子 光子学
　　论文摘要：光子学是研究相干光的产生、放大、传输、控制和探测，以及把这些技术应用于能量产生、通讯、信息处理等的一门科学。光子学已成为一根改变世界技术的杠杆，它将撬动世界力量的均衡，在世界各国经济实力和国防实力的较量中占据极为重要的位置。光子学的应用范围很广，现丰，光子技术人仅在工业、农业、医疗和军事等领域的应用日益广泛，而且激光唱机、激光影碟机、激光打印机等已进入了人们的日常生活。光子技术将引起一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击。
　　论文全文：
　　《光子学的概念》
　　爱因斯坦在1905年就提出了光子的概念，1917年又提出了原子系统中光子不仅有自发发射而且还有受激发射的假设。爱因斯坦的光子学说促进了光学和光电子学的发展，为激光的出现奠定了理论基础。60年代激光的出现，使以光子为主体的光子学走上了快速发展的道路。1970年荷兰学者彼德沃尔特（L．J．Poldervaart）在美国丹佛召开的第9届国际高速摄影会议教育小组的讨论会上明确提出了光子学（Photonics）的概念，指出光子学是研究以光子作为信息载体的科学，后来他又认为光子不仅是信息载体，也是能量载体。
　　自从1970年提出光子学的概念以来，国外许多学术团体、学术会议和刊物纷纷更名。例如，1973年荷兰把原来的摄影、光化学和光物理学会合并组成光子学会；1978年成立欧洲光子学会；国际高速摄影会议从1978年第13届国际会议开始更名为国际高速摄影和光子学会议；1982年美国《光谱》杂志更名为《光子学集锦》；1989年美国创刊《光子技术快报》。1994年10月在美国达拉斯召开的美国光学学会年会上，把光子学作为整个光学领域6大部分（即信息处理、光学科学、光学技术、光子学、量子电子学、视觉和医学光学）之一。光子学部分包括集成光学和微小光学、光通讯、光传感器和探测器、光电子学4个小组。在我国，70年代后期龚祖同院土在多次学术报告中提到发展光子学的意义，1979年钱学森院士提出了“光子学、光子技术和光子工业”的构想。
　　光子学是研究相干光的产生、放大、传输、控制和探测，以及把这些技术应用于能量产生、通讯、信息处理等的一门科学。光子学是一门以应用为主要目标的科学和技术，它属于技术科学范畴，具有鲜明的技术性和实用性。
　　光子学的进展
　　光子的概念提出以来，特别是近十多年中光子学的进展，使科学界认识到光子学的重要性，并能在更深的层次上认识光子学，从而达到共识，认为“光子学已成为一根改变世界技术的杠杆，它将撬动世界力量的均衡，在世界各国经济实力和国防实力的较量中占据极为重要的位置”。下面概要介绍近十多年中光子学在材料、器件和理论方面的进展。
　　1、 光子材料
　　半导体材料中，Ⅲ-Ⅱ族化合物半导体GalnAsP／InP、GaAIAs／GaAs在光子学及其今后的发展中占有重要的地位。这类半导体具有良好的光电性能，是目前光纤通讯和微型光信息处理器件的主要材料。随着分子束外延、金属有机化学汽相淀积和化学束外延等半导体外延技术成功地应用，超晶格量子阱结构村料的生长，使这些Ⅲ-Ⅱ族化合物半导体获得了一系列的重要特性，为光子学的发展开辟了广阔的前景。因此，Ⅲ-Ⅱ族化合物半导体，尤其是它们的低维结构（量子阶、量子线和量子点）材料，在光信息技术中已占据了重要地位，有可能成为“光学硅”。非线性光学材料的飞速发展，初步奠定了光子学发展的物质基础。半导体量子阶材料、有机高分子薄膜、生物分子、液晶、铁电晶体和复合材料都有非线性效应较强、响应速度快、损耗低、损伤阈值高和稳定性好的特点。这些材料为制造光子开关、光子放大、光子调制、光子变频、光子限制和光子振荡等光子学功能元器件创造了条件。
　　2、 光子器件
　　超晶格和量子讲异质结构的研究得到了飞速的发展，量子阶激光器、量子线激光器和量子点激光器的出现和垂直胜面发射激光器的问世为光子器件的微型化和集成化打下了基础。导波光学、非线性导波光学的发展导致了三项重要成果：掺铒光纤放大器、孤子激光器和光孤子传输、波分复用技术，这三项技术很大地推动了光通讯的发展。
　　光子集成已看到曙光，与电路集成相似的光子回路集成取得飞速的发展。然而，光集成有其自己的特色，即可通过衍射光学的方法，特别是二元光学的方法，实现光学功能集成，已初步实现分束、整形、阵列、核正、扫描、相干合成、光互连等。从理论上讲，任何二种波面之间的变换都可通过二元光学器件实现。
　　3、 光子学理论
　　一些现代光学、光子学理论的建立，有助于光子学理论体系的建立，促进光子学的发展，同时这些研究又不甚完善，本身又是光子学应重视研究的课题。谐振腔量子电动力学效应的发现是光子学发展进程中在理论上的一大突破，在微腔中，当所研究的波长和腔的尺寸同量级时，电磁场是不连续的、是量子化的，光子的自发发射是能够控制的。无粒子数反转激光的研究有一定的突破，为短波长激光的研究提供了一个新的可能途径。光子数压缩态研究有一定的进展，它可最大限度地控制噪音，为实现超高精度、超微弱信号的测量创造了条件。无衍射光束引起了人们的极大兴趣，在提出贝塞尔光束后，又提出了Airy无衍射光束和COS无衍射光束，无衍射光束的研究有利于超衍射极限光束的实现。光子晶体。光子半导体和光子定域的研究，为类似于电子器件的光子器件带来了希望，但理论的完善和从理论到元件还有很多工作要做。
　　光子学的应用
　　光子学的应用范围很广，现在，光子技术不仅在工业旅业、医疗和军事等领域的应用日益广泛，而且激光唱机、激光影碟机、激光打印机等已进入了人们的日常生活。有人预言，20世纪后半叶是电子时代，21世纪将是一个光子时代。
　　光子作为能量载体，在激光加工、激光医疗等方面已获得广泛应用，并具有一定的产业规模。激光受控热核反应有可能成为下个世纪的一种几乎不会枯竭的新能源。光干作为信息、载体，已成功地用于信息传输（光纤通讯）和信息存储（光盘），并已形成可观的产业规模。光信息处理的功能正在不断开发，特别是正在开发研制中的光计算机，它所具有的潜在优点一旦变成现实，则对未来信息领域的影响是很深远的。因此，光子学不仅与电子学一样有极广泛的应用领域，而且正在电子学最重要的、又是迫切需要革新的领域——信息领域作出积极的贡献。
　　光子产业
　　有些科学家预言“光子技术将引起一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击”。美国国防部和能源部把光子学列为当前20项关键技术中的第5位，前8项依次为复合材料、计算流体力学（核爆炸的计算机模拟）、数据聚变、被动传感器、光子学、半导体器件和微电子线路、信号处理、软件的可生产性。德国科学家在规划21世纪科技发展时，把光子学列为9项关键技术的第4项，这9项关键技术的排列依次为新材料技术、微电子技术、纳米技术、光子学、显微系统技术、软件技术、分子电子学技术、细胞生物工艺学、生产和管理技术。
　　光子学的概念是在以光子为主体的光子技术和光子产业发展到一定阶段之后提出来的。光子学的发展和完善，又将反过来把光子技术和光子产业推上一个新的层次、推上高速发展的道路。
 
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