光子学

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　  1.1 光子学的内涵

　　光子学作为学术词汇，早在40年前就曾出现在学术刊物上，但最早赋之以科学定义规范的当数1970年。这一年，在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学家Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他认为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学’。过了几年，他又作了补充，认为“以光子作为能量载体的”也应属光子学的研究内容。其后，相继出现不少类似的定义。例如，法国颇有影响的DGRST组织提出：激光二极管的问世，使光子替代了电子成为信息的载体，从而促成了光子学的形成。世界著名的美国《SPECTRA》杂志，也于1982年率先更名为《PHOTONICS―spectra》，并提出光子学是“研究发生与利用以光子为量化单位的光，或其他辐射形式的科学”，并认为，“光子学的应用范围从能量的发生到通信与信息处理”。贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作了一个颇为广义的定义，他认为，可与电子学类比，“电子学是关于电子的科学”，光子学则应是“关于光子的科学”。在我国，老一辈科学家龚祖同、钱学森等早在70年代末就频频发出呼吁，希望大家积极开展光子学的学科建设。钱学森教授提出，“光子学是与电子学平行的科学”，它主要“研究光子的产生、运动和转化”。他还首次提出了“光子学―光子技术―光子工业”的关于光子学的发展模式。鉴于上述情况，1994年我国一些科学家聚会于北京，在香山科学会议上，，对光子学的有关问题展开了热烈讨论，并在诸多方面取得了共识。关于光子学定义、内涵及研究范围，较为一致的见解是：光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。或者广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。 在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测规律等。实际上，光子学是一个具有极强应用背景的学科，并由此而形成了一系列的光子技术，如光子发生技术(激光技术)、光子传输技术、光子调制与开关技术、光子存储技术、光子探测技术、光子显示技术等等。光子技术的基础是光子学。因此在这个意义上讲，光子学是一门更具技术科学性质的学科。

　　应当指出，对光子学的定义，无论是广义的还是狭义的，都不能看作是最终的。光子学作为一门新兴学科，目前正处于成长与发展时期，它尚有一个逐步充实、完善，最后走向成熟的必然过程。同时，人们对它的认识也将自然随之进一步深化和统一，因此，起码在目前还不宜对它的定义和研究范畴等做过多的人为划定，以有利其发展。

　　光子学在发展中已形成诸多活跃的和重要的研究领域。

　　信息科学是光子学的重大应用领域之一。特别是在下一个世纪(有称信息时代)里，光子学将继电子学之后成为信息科学的又一个重要支柱。光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科―信息光子学(INFOPHOTONICS)。电子学及其电子信息科学技术已经成熟。电子作为信息的载子已经成为本世纪信息领域的主要特征和标志，并为人类社会做出了巨大贡献。因此，人们又常常为本世纪冠之以电子时代的美誉。而光子学及其光子信息科学技术则初露锋芒，其优越性已被广泛确认。光子作为信息的载体的优势与竞争力正在不断地被挖掘和开拓。因此，相对于今天的电子时代而言，人们自然认为，下一个世纪将是光子的时代。正是基于这种情况，可以说光子学是应运于信息时代的来临而产生的。

　　生物或生命科学是光子学的又一个重要应用领域。从发展来看，在２１世纪，所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻找自己的有意义的生长点与发展面。光在自然界一直与人类亲密相伴，地球上若没有光也就没有生命，光与生命早已结下不解之缘。光学在生命科学中的应用，在经历了一个较缓慢的发展阶段后，由于激光与光子技术的介入，又开始了一个迅速发展的新时期，近年来生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科―生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS)。简言之，生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的边缘学科。它涉及生物系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子的探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行的加工与改造。

　　光子学的另一个重要领域是基础光子学。基础研究一直是影响和促成光子学发展的重要因素。如上所述，光子学是一门更具技术科学性质的学科，其理论基础则是基础光子学。今天，光子技术的发展，甚至每个技术细节的进步都与基础光子学息息相关。反之，基础光子学的每一个“突破”和每一次“飞跃”，也自然导致光子技术的一次次创新、开拓和革命。今天，基础光子学仍在不断发展着，并具一定的独立性。量子光学、分子光学、非线性光学、超快光子学等已经成为基础光子学中逐渐趋于成熟的分支学科，它们对技术光子学的推动和促进作用也日趋卓然。

　　1.2 光子学与电子学

　　众所周知，电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。正是这些个性才决定了电子学与光子学分属不同的学科。正如钱学森所言，“光子学是一门和电子学平行的科学，而不是在电子学之内的科学”。关于光子与电子在性质上的差别可以列举很多，下表列举出一些主要差别可供参考。这些差别也决定了它们在应用上的不同。

　　正因为光子具有这样一些特性，才使其，特别是在信息领域显示出非凡的能力， 以下仅举几例说明之：

　　1.2.1 光子具有的优异特性

　　1, 光子具有极高的信息容量和效率

　　作为信息载体，光与电相比信息容量要大出几个量级。例如，一般可见光的频率为5×1014Hz，而处于微波波段的电波频率仅为1010Hz量级；光子在光纤中能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个量级，即千倍以上。一个载子可承载的信息量为信息效率。如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声则有可能减小到极小值，光子的信息效率自然也将成量级地提高，这时，一个光子甚至具有承载成千上万个比特信息的能力。

　　2, 光子具有极快的响应能力

　　在信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。在电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级。对于光子技术来说，由于光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(PS，10-12S)量级。实际上，现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到小于10个飞秒(fS,10-15S)量级。而且，近两年有望实现2～3个fs，即相当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)都是可能的。如果使用具有巨大带宽的光纤作信息的传输媒质，于是就能够以如此高的速率，通过光纤将信息传输到几千公里或更远的距离以外。这样，获得的信息比特率×传输距离之积将是非常可观的。显然，这对于电子技术来说，绝对是望尘莫及的。

　　3, 光子具有极强的互连能力与并行能力

　　如上所述，电子有电荷，因此电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。例如，在电子技术中，两根导线如果交连，就会形成短路。所以，在电路中为了实现互连，就只能像搭“立交桥”那样，将其运行路线彼此隔离，显然这就使互连受限，成为限制电子信息速率与容量的一个主要因素。另外，在电子技术中，电子信号也只能是串行提取、传输和处理的，对于两维以上的信号，如图象信号等，则只好依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。这是另一个限制电子信息速率和容量的主要因素。对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性等，这些似乎都是光子的“天赐秉性”。例如，在拟开发的第六代计算机―神经网络计算机中，具有足够大的网络规模，需要超大规模的群并行性处理。对于一阶网络，规模为N时，其完全互连数则为N2。例如N=104，互连数则为108。计算机的等效运算速率与互连通量成正比，因此，在这种情况下，速率可达1010 bit / s，这差不多是目前计算机的最高水平。

　　4, 光子具有极大的存储能力

　　不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量(bit)所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，这个量为其波长(Λ)量级，因此，三维存储容量为(1/Λ)3量级。如果使用可见光(Λ～500nm)，光子的存储能力则可达到1012bit／cm3量级。三维存储除容量大外，另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。这样一些优点，都是“电子”无法与之相媲美的。此外，由于光在时间与空间上的特性，可形成反演共轭波，在自适应控制等信息处理领域有独到应用；还由于光子的自旋为h，导致出现偏振、双折射效应等， 并因此而产生一系列新的应用等等。

　　1.2.2 光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系

　　以上只是阐述了光子的优越性。但是必须承认，对于光子人们在认识和利用上还不成熟，这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电子学显示出优势。对于电子无论是在理论上，还是在实际应用上都已相当成熟。 电子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。因此有人讲，利用光子学的优越性与电子学的成熟性相结合，即可创造出一系列新的奇迹。在这个意义上讲，光子与电子是一对孪生的天然伙伴，光子学将受益于电子学而不断获得发展。“光子”与“电子”的结合已开始给我们带来巨大的益处，成为当今乃至未来人类社会的宝贵财富。因此，这种结合已给人们留下深刻印象，以至有不少专家学者反复告诫人们，光子学与电子学之间的结合要永远进行下去。“光子”与“电子”以及它们之间的结合，起码在信息领域，有以下4种(a,b,c,d)模式：

　　这里(a)是全电子(ee)过程，如果有光(O)参与，它只是起辅助作用(如提供能源等)，典型的例子是由太阳能电池供电的各种电子设备。(b)是全光子(PP)过程，电(E)在其中起辅助作用，如各种光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系统。(C)与(d)则是光电结合，即光电子过程。其中(c)的典型例子是光电探测及现行的各种光电通信接收系统等；(d)的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。显然(a)与(b)应分别划为电子学与光子学的研究范畴。而(C),(d)则分属光电子学和电光学，但二者区分并非十分严格。这种状况，在一定意义上也可以说，它反映出光子学与电子学之间存在着某种“血缘”关系。在很多情况下，严格地区分它们似乎是困难的。例如早期PHOTO-ELECTRONICS和ELECTO-OPTICS，后来有OPTO-ELECTRONICS以及OPTICAL ELECTRONICS等。近些年来又出现 OPTRONICS 和 PHOTRONICS的新词汇。还有的， 干脆使用O PLUS E、O und E等等。事实表明，今天乃至今后，光子学与电子学之间已形成的相互依赖、相互渗透、相互补充、相互结合以及相互促进的不可分割的共融关系会进一步深入发展下去。

　　此外，光子学与电子学在发展模式上也有或将有惊人地相似之处：

　　　　电学 → 电子学 → 电子回路 → 电子集成 → 电子系统 → 电子工程→电子产业

　　光学 → 光子学 → 光子回路 → 光子集成 → 光子系统 → 光子工程 →光子产业

　　　　正是由于有了这种“相似”，才不断地为我们的创造性思维与开拓性研究提供一个个契机，并使之得以借鉴，从而不断地促成了光子学的飞速发展。

　　　　1.3 光子学的发展及其意义

　　如上所述，光子学具有丰富的内涵和重大的应用前景，它的提出也是科学与社会发展之必然。 因此，光子学一经问世便即刻引起人们的广泛关注。需要指出的是，欧洲和美国，在促成光子学的形成和发展方面表现出极大的兴趣和热情。早在1973年，法国就率先召开了国际光子学会议。同一年，荷兰将原来的“摄影、光化学、光物理学会”合并组成“光子学会”，并于1975年召开了全国光子学会议。经过多方组织和酝酿，于1978年正式成立了欧洲光子学会。其间，一些国际性学术刊物和会议也纷纷更换名称，冠以光子学的词汇。例如美国光学学会的会刊《光学通信》改名为《光学与光子学通信》，另一个刊物《光谱》也更名为《光子学集锦》。最近，国际非线性光学会议正式更名为国际非线性光子学会议，美国还决定，分别在东西部城市轮流每年一届举办光子学学术大会，等等，此类情况已不胜枚举。就连美国的光学学会也受到多方压力，准备改名为光学与光子学会。这一系列情况表明，光子学及其重要意义已逐渐被越来越多的人们所接受和认可，并且开始积极地加以实施。特别是最近几年里，光子学的发展更为引人注目。在美国，对光子学及其技术的发展与应用已予以高度重视。1991年政府将光子学列为国家发展的重点，认为光子学“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力，并且肯定，通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域”。为此，美国已建立诸多“光子学高技术研究中心”。例如，以南加州大学为中心的由多所高校联合组建了著名的“光子学工艺研究中心”。在欧洲，近年来也相继建立了研究与开发光子学的 联合机构。在德国，政府已确定“光子学是下个世纪初对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的九大关键技术之一”。在这些国家里，已把大量的、越来越多的资金投入到光子学及其技术的研究与开发上去。在日本，对发展光子学及其产业尤为重视，特别是近些年来，日本已在光子学材料和器件的研究与开发上显示出优势，并且对美国和欧洲构成威胁。现在有人甚至认为，在当今时代，光子学即将成为“改变世界技术的杠杆，用它可以转动世界力量的均衡。在今后世界各国经济实力与国防力量的较量中，光子学必定占据极其重要的位置”。另外，需要指出的是，像电子学那样，光子学的发展也将对人们的思维方式产生影响，甚至会改变其在未来社会的生活方式。现在至少可以说，光子学已极大地激励起人们对未来科学技术的信心，以至于不断地提出一个个雄心勃勃的计划和实验，积极地去开拓一个即将到来、定能实现的光子时代。

　　但是，在我国，应该承认，无论是学术界还是产业界，对光子学的学科建设与开发尚存在一段认识过程。几位老科学家早在70年代就曾多次撰写文章、发表演讲、频频发出呼吁，希望积极开展光子学的学科建设。当时已引起一些人的关注和响应。现在，十多年过去了，形势已经出现了明显的转机。越来越多的人开始关注光子学，对这个新学科、对它的发展以及对它在社会与科学发展中的作用有了越来越明确的认识和共识，并且产生了参与欲和紧迫感。特别是近几年来，天津、上海、西安等地的高校与科研机关适形势之发展，先后建立了各种“光子学研究中心”。当然，与国际的发展势态比较，我们仍存在较大的差距。

光子学的重要分支

　 电子学源于电学，而光子学则是从光学开拓出来的。因此，在光子学形成过程中，相应的各个分支学科也开始形成，而且已有若干分支学科在诸多科技领域获得重要应用，并产生强烈影响。这类分支学科主要有：A,基础光子学，包括量子光学、分子光子学、超快光子学、非线性光子学等；B,光子学器件，包括新型激光器、有源无源光子器件等；C,信息光子学，包括导波（光纤）光子学、光通信技术、光存储技术、光显示技术等；D,集成与微结构光子学，包括半导体集成光子学、微结构光子学等；E,生物医学光子学，包括生物光子学、医学光子学等。

　　　　2.1 基础光子学

　　综上所述，电子学源于电学，而光子学则是从光学开拓出来的。在光子学形成和发展过程中，光子学在诸多技术领域中的重要应用都建立在与光子产生、传输和探测有关的基础上。基础光子学主要包括量子光学、分子光子学、超快光子学、光量子信息论、非线性光学等几个部分。

　　　　2.1.1 量子光学

　　光具有波粒二象性。光子是量子化光场的基本单元；量子光场遵循量子力学的规律。光子器件、光子系统等均是利用了光的量子特性和量子效应才显示出异彩纷呈的优良特性。因此，光子学虽然是一门更侧重于技术的学科，但它的基础是量子光学。量子光学侧重于理论，是光子学的重要组成部分。量子光学中的效应、规律、理论等将不断地为光子学的发展开拓新的途径，产生新的突破。

　　量子光学主要研究光的量子与相干性质，以及光场与原子相互作用中的量子现象，其内容涉及到光的各类非经典效应（诸如：光场压缩态、亚泊松分布、反聚束效应等等）、光子发射与散射及吸收机理、原子冷却与俘获等方面。

　　当前，量子光学的重要研究领域有：光场的量子噪声、光场与物质相互作用中的动量传递、腔量子电动力学等。　　

　　1, 光场的量子噪声

　　光场的量子噪声在光子学及其诸多的应用研究中占有重要的地位。量子噪声与光放大、光探测等类物理过程紧密相关。若在每一个模式中的光子数很大，则足可以用光的经典理论来描述；反之，若每一个模式中有一个或少数的光子时，就必须考虑量子噪声的影响。为了克服或消除量子噪声的影响，人们卓有成效地进行了诸多方面的研究。

　　(1) 光场压缩态的产生和应用

　　随着认识的深入，人们已经发现有三类光：一是混沌光，它是由自发辐射过程产生的光子构成的，给出的是最大噪声的光场；二是相干光，即激光，具有很低的总噪声，并称之为真空噪声；三则是由非线性过程产生的非经典光，如压缩光、光子数态光等。

　　由于压缩态中可以使光场的某个正交分量具有比相干态更小的量子噪声，以致突破散粒噪声极限；因此，在光通讯、高精度测量等诸多应用中具有极为重要的实际意义。

　　自1985年首次在实验中获得压缩态光场的近十多年来，世界各国的有关实验室在光场压缩态的获得和探测等方面进行了卓有成效的研究工作，已实现了正交位相压缩、强度差压缩、振幅压缩等。目前，国内外有关实验室的注意力和兴趣点已转向压缩光的应用方面。其中，最引人注目的两个方面是：利用压缩光进行低于散粒噪声的高精度测量和利用压缩光实现与原子的相互作用，特别是实现与冷原子的相互作用。关于压缩光本身的研究，其重点已转向压缩光产生装置的小型化和实用化方面。

　　(2) 突破散粒噪声极限的超高精度测量

　　光场的量子噪声是提高光信息传输、处理、探测和测量能力的最终限制；因此，在信息科学等诸多领域中，突破由量子噪声形成的散粒噪声极限（SNL）的限制一直是科学界长期追逐的目标。压缩态光场的出现，为实现灵敏度突破SNL限制的超高精度测量打开了希望之门。近年来，人们已提出了诸多的理论与实验方案：如将正交压缩真空态用于填补干涉仪的“暗”通道，使振幅、相移、偏振及光谱测量的灵敏度达到高于由SNL所限定的水平。除正交压缩真空态之外，通过运转于阈值以上的光学参量振荡器获得量子相关的挛生光束，其强度差的量子噪声低于散粒噪声极限；而且，理论与实验研究表明，较之正交压缩真空态，这种强度差压缩在实验上更易实现，因此它的应用研究也更具有吸引力，将有望产生实际意义。此外，在实验中还有用频率非简并双共振光学参量振荡器产生的双色强度差压缩光场以及用量子相关的挛生光束实现微小信号的恢复与分析，较之SNL使信噪比分别提高了2.2dB和2.5dB。

　　2, 光场与物质相互作用中的动量传递

　　光与物质相互作用中动量传递是量子光学研究的另一个重要方面，也是近年来发展十分迅速的研究领域。光与原子或离子的相互作用中，由于动量传递形成的辐射压力足以控制原子或离子的运动，最成功的应用是对原子和离子的激光冷却与俘获。

　　(1) 原子冷却与俘获

　　利用辐射场与物质相互作用的动力学效应，通过适当选择激光的偏振、频率和强度，可以用光束控制原子的运动状态，使之减速，并可进一步将其稳定地俘获于空间某一特定的势阱中；也能操纵原子或其他微小粒子（如细胞、细菌等），使之按照一定的要求移动或偏转。

　　近年来，激光冷却与俘获的理论和实验技术已经日趋完善，并被广泛应用于基础科学和高技术领域的研究。人们已经提出诸多的冷却机制，使原子冷却的温度不断降低；例如，除早期的“光子粘胶”方法外，近来还提出速度选择相干布居俘获方法等，能使原子被冷却到光子反冲极限温度以下，俘获的原子密度可达1012/cm3。虽然光子粘胶方法可冷却原子，并在一定程度上限制原子扩散，但还不能构成稳定的原子势阱。在最初的静磁阱与光学阱的基础上，人们又提出磁光阱，通过多能级原子与外部的非均匀磁场相结合，实现了散射力原子阱。其后，又通过不断完善使阱深、俘获区域、稳定性等均达到原子俘获的要求。目前，世界各国几乎所有的现代化光学实验室均建立了激光冷却与俘获原子的装置，并用以开展各具特色的前沿性科学研究工作。

　　原子冷却与俘获技术一经发展就被广泛地应用于科学与技术的各个领域。原子束是进行原子物理研究的重要工具和技术手段。历史上有许多重要的实验工作是使用原子束技术来完成的。然而，传统的热原子束存在着发散角大、平均速度高、速度分布范围宽等不利因素，限制了实验测量的精度。利用激光冷却与俘获原子技术，可以获得发散角很小、速度极低的慢速原子，从而能使原子物理实验达到前所未有的精度，对于探索与控制原子量子态结构极为有利。冷原子的动量很低，相应原子波的波长较长，波性十分明显，使原子光学效应（原子的反射、聚焦、干涉及衍射等）易于观察，从而为建造新型原子干涉仪和发展高分辨光谱学开辟了新的前景。

　　被俘获在空间极小区域的低温中性原子是非常理想的实验样品，也是很好的新型非线性光学介质，在高分辨光谱、冷原子碰撞、放射性同位素原子结构及量子光学实验研究等诸多领域均已获得了应用。在利用冷原子进行高分辨光谱分析中，由于原子密度高、速度分布范围窄以及多普勒效应影响的有效抑制，信噪比和实验精度得以大幅度提高。用磁光阱研究冷原子的碰撞过程和俘获放射性同位素，为进行基本物理问题的研究提供了一种相对便宜而又极为有效的实验手段。虽然这是一个比较新的研究课题，许多技术尚待完善，但它在基础研究中的价值不容忽视。近来，在激光冷却与俘获原子的研究中，最激动人心的是在实验中相继实现了铷原子、锂原子和钠原子的玻色―爱因斯坦凝聚（BEC）。BEC的实现，获得了处于全新状态的原子样品，为更深层次上的研究开辟了途径。

　　对于冷原子而言多普勒效应对于谱线宽度的影响被有效抑制，因此可以将泵浦光和探针光更准确地调谐在原子共振线附近，以获得较大的非线性极化。被冷却与俘获的原子样品成为一种新的很好的非线性光学介质。例如：有的研究组已将被冷却与俘获的铯原子样品置于光学谐振腔内，在极低的阈值功率下观察到了双稳、多稳、喇曼光以及量子噪声压缩等丰富的非线性量子光学效应。

　　除了冷却与俘获中性原子外，冷却与俘获离子以及用“光”操纵细胞等方面的研究也获得了很大的进展。所有这些都表明，激光冷却与俘获技术已为我们提供了一种前所未有的实验手段，使我们能够到达并触及微观粒子，窥探原子世界，用宏观手段来验证量子力学的基本原理。

　　(2) 原子光学

　　如上所述，当原子被冷却到1K时， 其德布罗意波长为微米量级，原子的波性将明显地表现出来。实验上已观察到原子经驻波栅或原子镜产生的布喇格衍射和反射，并因而导致一门新的分支学科―原子光学的诞生，包括原子的“几何光学”与“波动光学”。近年来，由于通过激光冷却与俘获实现了BEC，从实验中观察到可区分粒子（如原子―光子对）的非定域纠缠，以及许多不可区分原子的量子统计效应，进一步激发了科学界研究原子光学的热情，不断发展原子光学的新领域。除了基础研究的意义外，原子光学可在原子干涉仪、原子平版印刷术、海森堡显微镜、物质结构研究以及纳米结构产生等诸多方面获得广泛应用。

　　3, 腔量子电动力学

　　瞬时自发跃迁是量子世界中的普遍现象，小型腔中的原子辐射特性与自由空间中原子的情况完全不同。腔量子电动力学（C-QED）即以原子与光子在小型谐振腔中的相互作用为研究对象；最初，主要研究工作主要集中在里德堡原子与毫米波的相互作用方面。1987年W.Jhe等将原子物理范围内的C-QED研究拓展到了光频范围，相继观察到了腔诱变频率漂移、原子在高Q腔中的真空Rabi分裂等现象。同时，C-QED的概念应用到了半导体物理领域，微腔半导体激光的理论基础就是微腔QED效应，在这方面人们已作了大量的理论与实验工作。在微腔半导体激光器中发现，自发辐射系数得到了增强，泵浦阈值可以大幅度降低，同时光子流噪声也可以降到标准量子极限以下，产生光子数压缩态光场。

　　C-QED的一个突出特点是，光场与原子相互作用后可以形成纠缠态，这是光场与原子的一种非定域量子态，这种相关性可应用于量子非破坏性测量（QND）、制备薛定锷猫态、验证Bell不等式等等，还可以利用C-QED来制备多于两个粒子的纠缠态，比通常的纠缠态更为有效地用于验证量子非定域性。目前量子计算机的提出就是基于这种非定域相关性。与C-QED密切相关的另一个引人注目的领域是量子态控制与量子计算机的逻辑门。

　　利用C-QED改变自发辐射的特性，使微腔激光器的研究取得了的可喜的成就。数年前，在几平方毫米的芯片上可以集成上百个微激光器；现在，在5”的衬底上可以集成108个微激光器。这种高密度的光子集成，为光通信、光计算等高技术的进一步开拓和发展开辟了美好的前景。

　　4, 量子光学近期的研究重点

　　近年来量子光学领域的研究十分活跃，已形成很多研究热点。根据国外的发展和国内的实际情况，近期应重点开展以下研究课题：

　　(1) 压缩态的研究

　　A 研制实用化小型压缩光光源――压缩器；

　　B 利用压缩光进行低于散粒噪声极限(SNL)的超高精度测量；

　　C 研究压缩光与冷原子样品相互作用的非经典物理现象。

　　(2) 原子冷却与俘获的基础及应用研究

　　(3) 原子光学的基础研究

　　(4) 腔量子电动力学及其应用研究

　　(5) 光子定域、光子带隙结构及光子晶体的研究

　　　　2.1.2 光量子信息科学

　　当前，信息科学迅猛发展，诸如计算机、通信网等一系列经典信息系统与技术日新月异，不断开拓，其性能(如运算速度、信息容量、检测精度等)大幅度提高，目前已达到相当可观的水平，有的几乎接近其经典理论极限值。为了满足社会对信息日益倍增的高度需求，人们必须更新观念，为信息科学的发展寻找和探索更新的原理与方法。光量子信息理论以及由此可能产生的新技术便在这种情况下应运而生。它是量子光学与信息科学交叉、结合形成的一门新兴的学科分支。特别是在1994年，Shor率先提出量子平行算法，并证明一种新颖的量子计算机可以轻而易举地破译目前广泛使用的RSA密码体系，从而更加有力地刺激了量子计算机和量子密码术的飞速发展。业已证明，光的量子特性在信息领域有着独特的功能，利用这些功能，就有可能在提高运算速度、增大信息传输能力和容量、确保信息安全等诸多方面突破现有经典信息系统固有的极限。新的光量子信息理论的提出，为信息科学与技术的发展注入了新的活力，其巨大的潜力将可望在下一世纪得以充分发挥。

　　1， 量子计算机

　　当前，计算机的运算速度虽然在不断提高，但由于不可避免的能耗以及分布参数等限制着元件集成度的进一步提高，因此从实质上讲，单机运算速度存在着极限值。而通过减小元件尺寸来提高运算速度，最终要变成单原子器件，于是就必须考虑到微观的量子效应以及由此带来的影响，然而，作为计算机科学基石的图灵理论对此则已经无能为力。这就极大地激发了物理学家们开拓研究新型计算机的热情，经过努力，一种以量子系统作为存储元件、以量子态作为信息单元的新型计算机原理被提出来，于是出现了一种“量子计算机”。1994年Shor提出一种基于量子相干性的量子并行算法，并证明量子计算机可以将一类问题从现有的指数增长的运算变成为多项式增长的运算，这样，便使运算速度的提高得到突破性进展。例如，当前被公认最安全的公开密钥密码系统RSA的核心是一个几百位大数因子分解，采用现有经典计算机需要宇宙年龄尺寸的时间，然而，若使用量子计算机则只需几分钟。这一激动人心的进展引起广泛关注，并被认为是计算机研究领域中发生的一场革命。1995年有人采用量子光学原理在实验上研制成功一种量子图灵机的关键性器件―量子受控非门，证实了量子计算机的可行性。尽管距研制成真正可以实用的量子计算机还有相当大的距离，然而在通往最终成功的道路上尚有许多重要的应用可以开发。例如，它可以提供一种真正随机数发生器，为复杂性理论研究打下坚实的基础；简单的量子网络可以模拟真实的量子过程，为研究微观世界提供直接而有效的手段等等。

　　2， 量子密码术

　　信息技术越发达，信息安全就越发变成急待解决的问题，尤其是信息网络的迅猛发展，使得国家安全、金融外贸、军事情报等诸多方面面临新的威胁。当前使用的保密通信本质上是不安全的，虽然一次性便笺式Vernam密钥是不可破译的，但由于它要求通信双方需有共享的庞大密钥，因而在传递与管理等方面则极为不安全。上述RSA密码体系，其安全性是基于“大数因子分解”这样难以计算的数学问题，因此可以说，现有经典密钥体系已受到严峻挑战。量子密码术提供了解决这一危机的有效手段，原则上能够实现不可窃听、不可破译的保密通信体系。其安全性依赖于物理学基本定律，量子力学的不确定性原理使任何窃取信息的过程都会因留下痕迹而被发现，而量子不可隆定理也迫使即便是智能极高的非法者，也无法采用克隆技术来窃取信息。目前，采用量子光学原理已成功地在光纤中实现了30公里的密锁传递，它为量子密码术的发展展现了光明的前景。

　　3， 量子通信

　　量子通信是借助量子态作为载体完成信息传递的一种新颖的通信方式，它可以使经典通信根本无法实现的功能得以实现。例如，若以光子数完全确定的光场量子态来传递信息，其通信容量能够得到实质性地提高。量子信道则可以有效地实现数据压缩。

　　量子态隐形传递(Ouantum teleportation)是量子特性在通信中的奇妙应用，它利用基于量子力学非局域性的纠缠量子态和量子测量原理来实现量子态传递，即它将某一量子体系(如粒子)的未知量子态从一处传送到另一处，并使该处的另一量子体系处于这个未知量子态上，而原来的量子体系仍保持在原处不被传递。最近，这种奇特的隐形量子态传送已经在实验上得以实现。量子通信的研究和发展将促成现代通信技术的一场重要变革。

　　还有一种新颖的量子通信模式―量子光通信，在本章2.3节中对其有较为详细的介绍。

　　4， 量子检测

　　信息的检测也是信息技术的一个重要方面。现有(经典)检测技术的精度已经接近量子噪声限的水平，可以说，其检测精度或灵敏度最终受限于量子噪声，或者说，对于现有检测技术量子噪声是无法突破的界限，是其发展“不可逾越”的鸿沟。于是，人们寄希望于量子力学理论，探索非经典的检测方法。“量子非破坏性测量”就是在这种情况下被提出来的，并已经逐渐形成一种非经典的检测技术。这是一种观念全新的技术，用这种方法可以突破量子噪声极限，探测到极为微弱的信号，它可望在探测生物体电磁信号、宇宙引力波以及各种被淹没在量子噪声中的超微弱信号等方面获得重要应用。例如，在以下2.3节将要介绍的光量子通信中，这种量子非破坏性测量已成为其中最关键的技术。

　　5， 量子态的制备与操作

　　量子态在量子信息科学中扮演着关键的和独特的角色，它是信息的携带者，因此量子信息的提取、传送和处理等，实质上就是量子态的制备和操作。人们期望按照自己的意愿来制备和控制所期望的量子态，以实现特定的信息功能，这就是所谓量子态工程。目前，人们已设计出了诸多新的原理和方法，能够实现对量子态的人为制备。特别是采用腔量子电动力学与量子测量相结合的方法，可以实现众多光场量子态和原子量子态的制备，这对量子信息科学的发展以及对量子力学基本原理的研究有着很高的学术与应用价值。

　　6，量子信息科学近期的研究重点

　　(1) 消相干与量子编码

　　寻找具有更强纠错或防错能力、更高效率的量子编码方案；

　　(2) 研究更为有效的量子受控非门；

　　(3) 研究量子密码体系及其在信息网络中的应用；

　　(4) 研究量子态的制备与操纵；

　　(5) 对量子通信的理论与实验研究。

　　　　2.1.3 分子光子学

　　分子光子学是以分子或其组合体中光子的产生、传输和检测等为研究对象的一门分支学科。分子组合体是指分子间弱相互作用结合的体系，它可以是同种分子的组合，也可以是不同分子的组合。利用分子设计，可以组装并实现具有各种功能和特性的分子组合体，诸如提高对光子的捕获能力、提高荧光强度、实现对生物功能的模仿等。一般来讲，研制分子光子器件所须设备相对便宜，制造工序相对简单，因此近年来分子光学的研究倍受关注，已成为光子学的一个重要学科分支。

　　1, 限域腔（量子阱、量子点等）中电子态的量子电动力学

　　限域腔（量子阱、量子点等）中电子态的量子电动力学是分子光子学的理论研究基础。许多分子光子器件中，分子组装常常是量子阱或量子点结构，因此研究这种结构体系内电子的量子性质与输运特性，对认识和了解介观尺寸物质现象与性质以及发展分子光子学器件与系统均有重要意义。当前，人们得已开展了诸多有意义的研究工作，如：

　　(1) 制备和组装有应用前景的各种材料、各种构型和尺寸的量子限域腔；

　　(2) 探索由单个限域腔组装成线状、平板状或者块状限域腔集合体的耦连机制；

　　(3) 对限域腔的量子效应（包括限域电子的条件、电子的能级结构及电荷密度分布等）及其应用的研究；

　　(4) 对限域腔的量子电动力学效应（包括在限域腔之间电子的输运动力学过程等）及其应用的研究；

　　(5) 对限域腔光谱学（包括限域腔的光发射、光吸收、光电离等光与限域腔的电子的相互作用）及其应用的研究。

　　2, 有机―无机界面对光量子的增强效应

　　二十多年前，人们首次在电化学池中的银电极表面上观察到了吡啶分子喇曼光谱信号的增强（SERS）效应，其散射截面比普通吡啶分子的散射截面增大106倍。这一现象的发现立即引起了科学界的广泛关注。而后又相继发现在金、铟、锂、钠、铝、铂、钛等金属表面和一些半导体氧化物（如NiO、TiO2等）的表面上对有机分子喇曼信号均有增强作用，还发现一些氧化物半导体纳米颗粒对有机分子发光的增强效应等。

　　在理论上，人们提出了许多模型解释增强的机理，但是到目前为止，尚无一种完整的理论能对实验作出圆满的解释。当前的研究工作主要集中在以下方面：

　　(1) 利用纳米加工和纳米表征技术制备具有确定粗糙度的纳米表面，进而研究这类表面对有机分子光谱增强的规律性，包括对喇曼光谱、吸收光谱、荧光光谱、光电压光谱等的增强规律性的研究；

　　(2) 研究有机分子和纳米粒子的组装体结构对输运光量子的增强效应；

　　(3) 在上述研究的基础上，进一步研究和完善增强效应的机理。

　　3, 分子光子学中的光物理过程的研究

　　研究用于分子光子器件的材料中有关的光物理过程，对合理选择有关的功能分子及合理设计光子学器件是十分重要的。有关的主要物理过程有：

　　(1) 激发态和弛豫过程

　　激发态是一种非平衡过程，原子或分子通过光或电等方法向其注入能量，使电子处于高能量状态（激发态），处于激发态的原子或分子通过光学声子散射、偶极―偶极相互作用等向较低的激发态弛豫。另一种过程是，分子体系中的施主被激发后，将其能量传递给受主使其处于激发态，随后发生弛豫。激发态的各种弛豫过程直接影响分子光学和非线性光学性质。分子激发态和超快过程的研究同样特别重要，通常采用飞秒时间光谱的方法进行。

　　(2) 层间界面的形成及其对光电荷输运的影响

　　光子学器件通常有多个组分层来组成，层间形成界面态。界面态对电荷的输运和复合有重要的影响，因而也影响了未来光子器件的性能。至今，对大多数界面状态了解得尚不十分清楚。

　　通常采用表面光电压技术、电容―电压法、小角X射线衍射等方法来研究界面状况，对于分子光子学器件还需要发展新的研究方法。

　　(3) 在光场作用下分子的光致异构、取向、重排等物理运动过程

　　(4) 发光器件的失效机制

　　4, 光电和电光转换原型器件研究

　　(1) 纳米生物学启示

　　光生物学的研究发现，功能性的亚单位均为纳米尺度。例如，嗜盐菌中的光敏蛋白（BR），在光作用下有质子泵功能，可产生300毫伏的跨膜电位。在生物进化的历程中，又产生了紫色细菌。光诱导的是质子泵，可产生800毫伏的跨膜电位。另外，产生的绿硫细菌光诱导跨膜电位也达800毫伏，而且有放氧机构。重要的进化步骤是绿色高等植物的产生。实际上它是紫色细菌膜蛋白（即光合系统Ⅰ）、绿硫细菌膜蛋白（即光合系统Ⅱ）在细胞膜上借助多个电子传递链亚单位和接收光子的天线亚单位偶链构成的，具有双步光子功能的光敏体系。这些事实预示着分子组装思想在分子光子学研究中可能发挥重大作用。最近，美国橡树岭实验室利用光合系统Ⅰ实现的二维表面上的组装，已获得光量子效应极高的光生电压效果，这无疑对分子光子学的研究有重要启示。

　　(2) 电致发光器件发光性能的研究

　　对于电致发光器件来说，分子组装体的组成、结构及排布对发光特性均有很大影响。只有弄清这些影响后，才有可能通过分子设计与组装来研制更高质量的有机/聚合物发光器件。

　　(3) 有机微腔发光器件

　　微腔有明显的致使器件发光增强和谱线变窄的作用。英国剑桥大学的研究者们利用微腔已经作了很出色的工作：光致发光的最小谱宽达到4纳米，电注入发光的最小谱宽达到20纳米，发光强度增加一个量级。深入研究微腔结构与设计，能进一步改善这些性能。

　　(4) 有机/聚合物电发光器件中的分布反馈结构

　　为了提高效率、降低阈值，人们把研究无机半导体激光器时使用的分布反馈光栅结构引入到有机/聚合物发光器件中，并且已获得了明显的效果，实现了光泵浦激射发光。电注入激光发射成为当前被广泛关注的研究课题。

　　5, 近场光学在分子光子学中的应用

　　九十年代近场扫描显微镜（SNOM）的出现使得近场光谱学得以迅速发展，并成为光子学的一个重要分支。所谓近场是指光源（或光栏）的尺寸以及光源与被测物的距离远小于光的波长，此时光束的大小不再受光的衍射效应的影响，而主要由光源（或光栏）的直径大小来决定。

　　随着扫描隧道显微镜（STM）的问世及其迅速发展，使得近场技术中的关键问题，即光源与被测样品之间的近场调控问题，得到顺利解决。光纤技术的发展，又提供了可以小到10纳米以下的输出光束。显然，SNOM已经成为具有纳米级空间分辨率的光谱分析和纳米加工的手段。为促使分子光子学的研究与发展，为分子光子学器件的设计与工艺提供了新的依据。

　　由于SNOM输出的光很弱，而且需要时时保持近场距离，所以被研究的分子必须能够提供超高灵敏度、超高信噪比和稳定的测量数据。显然，它适宜于研究用分子自组装、分子沉积成膜以及L-B技术制备的光子学材料的光学特性。同时，它也为探索新现象和开发新效应提供了有力手段。

　　6, 分子光子学近期的研究重点

　　(1) 对限域腔（量子阱、量子点等）中诸多重要的量子电动力学效应及其应用进行深入研究

　　如研究各种有重要意义的量子限域腔的制备与组装、各种限域腔集合体的耦连机制、限域腔的量子效应与光谱学效应及其重要应用等；

　　(2) 对有机/无机界面输运光量子增强效应的机制进行深入研究

　　研究光量子增强的规律性、有机分子与纳米粒子的组装体结构对增强效应的影响、粗糙纳米表面对有机分子光谱的增强规律性等；

　　(3) 深入研究分子光子学器件和材料中的重要光物理过程

　　如研究激发态及其弛豫过程、光场作用下分子的光致异构与取向过程以及层间界面的形成及其对光电荷输运的影响问题等。通过研究为分子光子学器件的有效设计提供依据；

　　(4) 研究与研制光电转换与电光转换原型光子器件

　　如研究与研制高质量有机/无机聚合物发光器件、有机微腔发光器件有机/聚合物激光器件等；

　　(5) 开展分子光子学中近场光学的应用研究

　　这一研究将为改善和提高分子光子学器件的设计与工艺技术提供一种有效的手段。

　　　　2.1.4 超快光子学

　　实际上，超快光子学研究领域是由超短激光脉冲技术开辟的。从六十年代开始，人们通过各种激光锁模技术，如被动锁模、主动锁模、同步锁模等手段，把激光脉冲的脉宽压缩到皮秒(ps，10-12秒)，并且开始将其应用于物理、化学等学科领域。到了八十年代，激光碰撞锁模技术的开拓，又把激光脉冲的宽度压缩到了飞秒(fs，10-15秒)，就是说,在这个脉冲时间里，光子在空间只运行了亚微米的距离。由此，人类被带进了一个崭新的时空世界。同时，脉冲的压缩与放大必然导致峰值功率的大幅度提高，以至能够获得峰值功率密度达1018～1020W/cm2量级的光脉冲,其相应强度已达到并大于原子内的库仑场强。这样，一系列新现象、新效应、新规律、新机制以及新理论、新方法、新应用等等便随之如雨后春笋般迅速涌现出来。光孤子的形成与传输、啁啾光脉冲的压缩、展宽与放大等等，一个个重要课题不断地吸引人们去研究和应用。于是，超快光子学也随之不断得以发展和丰富。

　　1, 超快光子学器件的研究状况

　　(1) 飞秒激光脉冲产生的四类器件

　　目前已有四类激光器可用于产生飞秒激光脉冲,即：

　　A 飞秒脉冲染料激光器 可借助碰撞锁模方式获得飞秒级超短激光脉冲。目前，在可见光波长范围很有竞争力；

　　B 掺钛蓝宝石、镁橄榄石、Cr:LiSAF等固体介质的飞秒脉冲激光器. 可通过稳定的激光自锁模获得飞秒光脉冲，简单、实用、可靠，并有十分宽的调谐范围；

　　C 飞秒半导体激光器 多量子阱半导体激光器的成功是产生飞秒激光脉冲的关键。多量子阱半导体具有高增益、宽谱带、低色散以及强的非线性增益饱和与非常快的恢复时间等优异特性，因此能轻易获得高重复频率的飞秒激光脉冲，并将碰撞锁模、吸收与增益饱和、色散补偿等俱于一身，使器件小巧实用；

　　D 飞秒光纤激光器 近年来，以掺稀土元素的SiO2光纤基质为增益介质已研制出各种光纤激光器，再进一步通过主动、被动锁模或借助光纤所具有的独特的孤子效应，即可使之处于脉冲运转状态，产生飞秒激光脉冲。这种飞秒激光器的特点是全光纤结构，小巧、高效，与传输光纤兼容，因此更有重要的实用价值。

　　上述四种飞秒激光已基本覆盖了从紫外到中红外的波长范围，飞秒激光脉冲宽度可达7fs。

　　(2) TW(1012瓦)飞秒激光系统

　　飞秒激光器输出的单个脉冲能量一般在0.1nJ～10nJ，对应的峰值功率则在103W～105W。为了提高峰值功率，发展了飞秒激光放大技术。按重复率划分，有两类放大技术：一是低重复率(1Hz～10Hz)的，一类是高重复率(1kHz～10kHz)的；放大后单个脉冲的能量分别可达10mJ～1J，和10J～1mJ；峰值功率分别为1010W～1013W和107W～1010W。近年，发展了啁啾放大技术，在钛宝石激光器中已获得峰值功率达1013W的结果。经聚焦后，峰值功率密度可达1018 W/cm2～1020W/cm2，即达到和超过原子的库仑场强。

　　2, 超快光子学中的超快过程与超快技术

　　飞秒激光的发展与超快过程的探测息息相关，它为我们提供了一种时间分辨率高达10-15秒的光探针，使得我们有可能了解原子、分子的结构及其超快运动过程。通常的规律是：能探测运动过程的速度越高，对微观世界在空间的认识上则越细微。因此可以说，获得的激光脉冲宽度越窄，能促使我们研究物质微观世界的层次也就越深。这样，用超快技术研究超快过程成了超快光子学的主要任务之一。

　　目前，对超快过程的研究表现最为活跃的方面有：

　　(1) 飞秒半导体物理

　　利用飞秒激光脉冲的泵浦―探测技术，测量半导体材料中的载流子寿命、弛豫时间等物理参数以及各种动力学过程，一直是超快光子学的主要应用课题之一。

　　(2) 飞秒化学中分子动力学过程

　　化学领域超快过程的研究受益于超快激光技术不断取得新成果。近年来发展起来的超连续飞秒激光与平台光谱超连续飞秒激光，被认为是进行飞秒化学研究的最为有力的工具。

　　(3) 生物光合作用的超快过程

　　生物以光合作用的形式，通过光循环，反复将光能转化为生物功能所需的生物化学能。在这种循环中，一些环节是超快过程。超快激光技术为研究生物光合作用提供了有力工具。

　　(4) 飞秒光电子技术

　　由飞秒激光引发的超短光脉冲和光电导可以产生飞秒量级的电脉冲，它比用常规电子技术产生的电脉冲在宽度上要短数个量级。这种光电子脉冲很快被用于超快逻辑电路、超快光电子计算、超高速超高频电子器件等，并由此形成了一门新的学科―超快光电子学。

　　(5) 飞秒光谱全息技术

　　不同于常规的全息术,这种飞秒光谱全息是在时域中实现光脉冲信号的记录、处理和再现。利用这种新颖的飞秒光谱全息术已首次实现了飞秒脉冲信号的时间反演、相关、卷积与合成处理等。这一成果将对光学信息处理及全息技术产生重大影响。

　　(6) 光层析(OCT)及光子成象技术

　　对埋藏在高度散射介质中的物体的光学成象研究是一个颇具意义并富有挑战性的课题,原因在于它潜在的生物学及医学方面的重要应用前景。近来,以超短光脉冲技术为核心的时间分辨方法,被证明是一种实现高散射介质中物体成象的有效途径。它通过提取带有信息的弹道光子和蛇形光子，进行相干选通，实现成象脉冲的测定。时间分辨率取决于入射脉冲的宽度，采用飞秒光脉冲时，其时间分辨率将达到10-15秒量级。

　　3, 超快、超强激光物理

　　目前TW级飞秒激光脉冲经聚焦后产生高达1014V/m以上的场强，这相当100倍于氢原子对其基态电子的库仑场强。如此高的场强足以在几十到几百飞秒时间里，能够将原了的几乎所有电子剥离，使其处于高剥离态。如此高的场强又足以能在一个光学周期(～2fs)内将剥离的电子加速到相对论速度。在这样的极端条件下，电子、原子、离子、等离子体的结构状态等表现出许许多多奇特的物理现象与新的运动规律，而且在其后还将孕育着诸多重大科学技术的新突破。

　　(1) TW飞秒激光在传输介质中的SC效应

　　当具有足够高峰值功率的飞秒激光在介质中传输时,因介质非线性产生的自聚焦效应与因等离子的自散焦效应相平衡时,就会使得飞秒脉冲激光在介质中传输相当长的距离后仍不发散,即出现一种SC(Self-Channel)效应。这一效应在物理、化学、大气放电等方面有极为重要的应用。

　　(2) 高次谐波及飞秒软X射线的产生

　　当足够强的飞秒激光作用于介质时,可以产生高次谐波。例如已获得165次谐波,对应的波长短至4nm～5nm,即相当于软X射线波段。这样产生的X射线有两个特点:一是其幅射持续时间为飞秒量级,二是具有相干性。因此,高次谐波效应为实现飞秒X波段的相干辐射提供了一个新的途径。

　　(3) Thomson散射与飞秒硬X射线产生

　　飞秒激光脉冲在通过电子束时可产生Thomson散射，从中得到硬X射线波段的同步辐射。由于它具有很小的尺寸和飞秒的持续时间，因此为凝聚态结构动力学等方面的研究提供了快速时间分辨手段，并将大大推动医学、生物学、物理学和材料科学的发展。

　　(4) 飞秒等离子体与Rydberg X射线激光

　　飞秒强激光经聚焦作用于介质时，其场强如此之高，以至由于多光子和隧道电离效应等，促使介质在极短时间内成为密度高达1023/cm3～1024/cm3的等离子体。

　　(5) 等离子体波与等离子体加速器

　　利用飞秒强激光产生的等离子波对粒子加速，被加速的粒子可能达到的场强,从理论上讲,要比现有加速器的场强高出103～104倍。如若获得TeV量级的粒子,只要几十米的加速距离即可。因此，利用飞秒强激光产生的等离子波来实现高能、超小型的新一代粒子加速器，已成为引人关注的热门研究课题。

　　当前，有两种技术途径可以实现等离子体波的粒子加速：一种是尾流场法；另一种是拍频波动法。

　　4， 超快光子学近期的研究重点

　　(1) 半导体量子阱材料做为可饱和吸收体、半导体啁啾镜做为色

　　散补偿的LD泵浦的飞秒固体激光器的研究

　　(2) 利用光谱增宽、高阶色散补偿及无象差光学系统实现10~30

　　飞秒、太瓦激光系统的研究

　　(3) 短于30飞秒的太瓦激光脉冲与物质相互作用得研究，如利用

　　高阶谐波产生水窗χ射线飞秒激光、利用汤姆逊散射产生硬χ射线飞秒激光以及飞秒太瓦激光脉冲在介质中传输的Self-trapping效应得研究等。

　　　　2.1.5 非线性光子学

　　光子与物质的非线性相互作用效应的研究是基础光子学的重要方面，也是发展多样化非线性光子器件的理论基础。

　　1, 变频效应的扩展研究

　　自激光器发明以来，已发现了大量的光学非线性效应，特别是各种变频的研究结果极大地丰富了新的光子源。我国在紫外波段的硼酸盐系列非线性晶体的创新研究成果，为国际上激光技术的发展作出了贡献。当前，这方面的研究还继续向纵深发展。主要有如下方面：

　　(1) 非线性变频效应及晶体研究向深紫外与中红外波段扩展

　　在向紫外波段扩展的研究中，硼酸盐系列衍生物仍然列为优先探索的对象。CsLiBO3晶体由于其易于生长成较大尺寸而受到重视。YCa4O(BO3)3晶体适合于Nd:YAG激光(1060nm)三倍频，也引人关注。

　　在向中红外波段扩展的研究中，ZnGeP2、AgGaS2和AgGaSe2等非线性晶体已有产品，可有效地用于中红外波段的倍频及OPO变频器件。

　　(2) 准相位匹配(QPM)变频技术的理论与实验研究

　　对光学非线性晶体进行周期性极化或非对称周期极化处理，可大大地提高非线性晶体的变频特性，即可以利用晶体的最大二阶非线性系数，扩展频率转换波段至该晶体的整个透明波段；同时，由于不受基波与变频光波的“走离”效应的影响，使用较长尺寸的非线性晶体，可大大降低变频的阈值与效率。利用特别的非对称周期极化结构，可以同时产生二倍频与三倍频，及压窄或展宽变频后的光脉冲宽度等。这是当前光学非线性及其应用研究的最大热点之一。

　　目前，研究较多的为周期极化LiNbO3(PPLN)、周期极化KTP和周期极化RTA等晶体，它们特别适合于制作3～5μm波段的OPO器件。最近，在诸多研究工作中又将这种OPO器件与ZnGeP2等的OPO器件串接产生波长在10μm附近的激光。这些变频器件的出现将大大推动光谱学、环境监测以及军用光电对抗的应用。

　　(3) 高场效应与高阶谐波的产生

　　利用强激光与物质的相互作用可以产生高达100阶以上的谐波，因此可获得相干软X射线。最近的突破性进展是，利用不太强的飞秒激光与氦喷流的相互作用能够产生波长短于2.7nm的相干软X射线短脉冲。由于其波长恰好落于“水窗”，因此有望在对细胞内超快过程的研究中获得重要应用。此外，相干软X射线在对化学与材料动力学过程的研究中以及在X射线光刻等方面也有重要应用。

　　2, 激发态光学非线性的研究

　　以往光学非线性的研究主要是集中于远离光学共振区的非共振光学非线性的研究。一般地，需要运用极强的激光进行操作。以激光直接作用于光学共振区，则可用较弱的激光作用，即可引发明显的光学非线性－即激发态光学非线性。这方面的研究极待发展与开拓。主要有以下方面：

　　(1) 有机材料的激发态参与的可饱和吸收效应及其用于光学限制器的应用基础研究；

　　(2) 光折变效应的机理研究，着重提高响应速度，扩展响应波段至

　　近红外波段，及全息固定机理的研究；

　　(3) 稀土离子发光中心的有效非线性上转换激发机理，特别是敏

　　化－雪崩上转换机理研究，以及稀土离子团簇中的交叉弛豫与能量交换过程的研究等。

　　3， 低维半导体材料中光学非线性增强效应研究

　　在低维半导体材料中，由于量子限制效应导致激发电子能带及能态密度的变化，这将有助于增强各种光学非线性。在这方面较为有成效的研究主要有：

　　(1) 低维半导体中激子的量子限制斯托克效应及用于自电光逻辑器件的应用；

　　(2) 半导体超晶格材料的可饱和吸收效应及其用于克尔透镜效应飞秒锁

　　模激光器的自启动应用；

　　(3) 纳米团蔟材料的超快光克耳效应的研究。

　　4， 有机光学非线性材料研究

　　有机光学非线性材料也受到人们的广泛重视，这主要是由于这类材料较之无机非线性材料具有更大的二阶与三阶非线性系数。当前的研究重点有：

　　(1) 对有机光学非线性材料的热稳定性研究；

　　(2) 对具有更大光学非线性系数的有机材料的探索与研究

　　(3) 对具有更大的多光子吸收截面的有机材料的探索与研究，以及对其上转换荧光、激光、双光子存储与双光子显微镜、光子限阈器件等应用基础的研究。

　　5， 光纤材料中光学非线性效应的研究

　　由于光纤的芯径极小，进入其中的激光功率即使较小，也能够得到相当高的功率密度。加之受波导限制，激光又可在其中长距离传输，即使光纤存在较小的非线性系数，由于积累作用也能促成各种非线性光子耦合效应的显著发生。利用光纤中的光学非线性形成光孤子传输、产生受激喇曼或布里渊分布式放大等都是当前引人关注的研究课题。