??摘要：光學作為一門誕生340余年的古老科學，經歷了漫長的發展過程，從經典光學到近代光學，再到現代光學，它的發展也表征著人類社會的文明進程。展望21世紀，隨著以光信息為代表的信息化社會的發展，人類將邁進光子時代，光子學的發展和光子技術的廣泛應用將對人類生活產生巨大影響。

??光學是研究光的產生和傳播、光的本性、光與物質相互作用的科學。光學作為一門誕生340余年的古老科學，經歷了漫長的發展過程，它的發展也表征著人類社會的文明進程。20世紀以前的光學，以經典光學為標志，為光學的發展奠定了良好的基礎;20世紀的光學，以近代光學為標志取得了重要進展，推動了激光、全息、光纖、光記錄、光存儲、光顯示等技術的出現，走過輝煌的百年歷程;展望21世紀的現代光學，將邁進光子時代，光子學已不僅僅是物理學的學術上的突破，它的理論及其光子技術正在或已經成為現代應用技術的主角，光子學的發展和光子技術的廣泛應用將對人類生活產生巨大影響。1 現代光學的誕生和發展20世紀60年代激光器的發明帶來了一場新的光學革命，促進了光學與光電子學相結合，也標志著現代光學的誕生。此后，光學開始進入了一個新的歷史時期，成為現代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分。

??非線性光學(也叫強光光學)是現代光學的重要組成部分，是系統地研究光與物質的非線性相互作用的一門分支學科。激光問世之前，基本上是研究弱光束在介質中的傳播，確定介質光學性質的折射率或極化率是與光強無關的常量，介質的極化強度與光波的電場強度成正比，光波疊加時遵守線性疊加原理。在上述條件下研究光學問題屬于線性光學范疇。而對很強的激光，例如當光波的電場強度可與原子內部的庫侖場相比擬時，光與介質的相互作用將產生非線性效應，反映介質性質的物理量(如極化強度等)不僅與場強E的一次方有關，而且還決定于E的更高冪次項，從而出現在線性光學中不明顯的許多新現象。非線性光學主要涉及二階、三階非線性光學效應，在激光技術、信息和圖像的處理與存儲、光計算、光通信等方面有著重要的應用。

??傅立葉光學是現代光學的又一分支。自20世紀中期以來，人們開始把數學、電子技術和通信理論與光學結合起來，給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新了經典成像光學，形成了傅立葉光學。集成光學是激光問世以后，上世紀70年代初開始形成并迅速發展的一門學科，研究以光波導現象為基礎的光子和光電子系統。集成光學系統包括光的產生、耦合、傳播、開關、分路、偏轉、擴束、準直、會聚、調制、放大、探測和參量相互作用。集成光學系統除了具有光子學器件的一般特點外，它還具有體積小、重量輕、堅固、耐震動、不需機械對準、適于大批量生產、低成本的優點，因而具有廣泛的應用前景。20世紀70年代以后，由于半導體激光器和光導纖維技術的重大突破，導致以光纖通信為代表的光信息技術的蓬勃發展，促進了相應各學科的相互滲透，開始形成了光子學(Photonics)這一新的光學分支。光子學是研究以光子為信息載體, 光與物質相互作用及其能量相互轉換的科學, 研究內容有:光子的產生、運動、傳播、探測, 光與物質( 包括光子與光子、光子與電子) 的相互作用, 光子存儲、載荷信息的傳輸、變換與處理等。隨著光學儀器小型化、微型化的發展要求, 誕生了微光學。微光學是研究微米量級尺寸光學元件和系統的現代光學分支。微型光學元器件的加工, 是在一些特殊基底材料上利用光刻技術、波導技術和薄膜技術等, 制成光學微型器件。隨著微加工技術的成熟, 未來的微光學研究還會有進一步的突破。還有衍射光學的發展, 衍射光學是基于光的衍射原理發展起來的, 衍射光學元件是利用電子束、離子束或激光束的刻蝕技術制作而成。可以預言, 微光學和衍射光學這兩個新興學科將隨著日益壯大的光學工業對光學器件微型化的要求有更大的發展, 在使宏觀光學元件轉化為微觀光學元件以及具有處理功能的集成光學組件, 從而推動光學儀器的根本變革。

??現代光學還包括全息光學、自適應光學、X射線光學、天文光學、激光光譜學、氣動光學、應用光學等。由于現代光學具有更加廣泛的應用性, 所以還有一系列應用背景較強的分支學科也屬于光學范圍。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; 還有眾多的技術光學, 如光學系統設計及現代光學儀器理論、現代光學制造和光學測試、干涉量度學、薄膜光學、纖維光學等; 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。可以預見, 隨著科學技術的發展, 現代光學這棵大樹會越來越枝繁葉茂, 碩果累累。

??2 光子時代的到來隨著科學與技術的進步，21世紀的人類社會真正進入了高度信息化時代。人們的生活、工作無不與信息的傳輸、重組、分析、處理、存儲等密切相關。在“3C”技術革命——(Communication通信、Computerization計算機化和Control控制)和“3A”應用——(FA工廠自動化、OA辦公自動化和HA家庭自動化)的基礎上，社會運作對信息量的巨大需求將用“3T”來表征(T表示10-12):TB/s(太比特/秒)的信息傳輸速率、TB(1TB=1000GB)位的存儲容量和(1/T)s(皮秒，p=10-12，1ps=(1/T)s)的處理速度。由于電子技術受到荷電性、帶寬、互擾等固有的物理性質的限制，已很難滿足“3T”的要求。而光子技術無疑是對電子技術的發展與突破，成為信息化社會的另一主要支柱。2.1 光子的優勢與光子技術的特點"光子"的概念來自于愛因斯坦對光電效應的解釋，后來在有關原子、分子系統受激輻射與自發輻射的論述中就已經引入。但是對光子的進一步認識，直到在20世紀60年代激光問世以后才真正開始。激光、全息和光纖技術的興起，突出了光學的作用和地位，量子光學、光電子學及其技術的發展推動了信息科學的飛速前進。光波導技術的應用與推廣，使光纖通信與信息處理技術成為信息科學的一支生力軍。科學家們發現，電子學中的變頻、混頻、調制、解調以及通信、信息處理等都可以在光頻波段實現，因此自然就提出了把光學向光子學開拓的問題。與電子相比，光子具有如下特點:一是光子所涉及的波段波長較短，頻率高，因此分辨率高;二是光子的速度快，因此處理速度快;三是光的平行性、抗干擾性、空間互連性，這些性質具有更大的技術應用潛力。表1表明了電子與光子的共性與差異。

審核編輯 黃宇