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主题:光子学基础

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光子学基础  发帖心情 Post By:2005-6-28 10:47:22 [只看该作者]

第一章 光子学的发展与战略地位

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。

1.3.2 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。

第二章 光子学的重要分支学科及其发展

如上所述,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。(在下面光纤光子学中还有详细论述)

第三章 光子学发展战略

3.1 光子学发展战略目标
根据我国的实际情况,充分利用当前的有利条件,抓住机遇,
制定我国的光子学发展战略目标,大力促成光子学的发展,乃是当务之急。

3.1.1 发展光子学及技术的有利条件
如同电子学来源于电学,光子学则是从现代光学中开拓出来的。我国的现代光学有较好的基础,已有一支训练有素的科技队伍,一大批出类拔萃的光学科技人员在光学前沿从事当属一流的研究工作,并且在一些分支学科点上不断取得国际先进水平的成果,一些卓有成效的科研项目在国民经济与国防建设中发挥了出色作用。有这样好的基础,对我国光子学的迅速兴起和发展是十分有力的。
其实在我国,早在七十年代,龚祖同、钱学森等几位著名科学家就高瞻远嘱,预见到一个与电子学并驾齐驱的重要学科—光子学即将兴起。他们为促进我国光子学事业的开拓与发展,做了大量有益的工作。在他们的感召下,特别是近年来,由于国家自然科学基金委的大力支持和指导,热心投入我国光子学学科建设的科技工作者队伍日益俱增,从小到大,从弱到强。现在已在以下观点上达成共识:即当前已不再是讨论光子学有无必要的问题,现在的问题是如何规划光子学的发展,如何使之尽快从基础研究转入产业,并在国民经济建设中,特别是在国家信息高速公路建设等重大工程或举措中发挥主导作用。
近来有人预测,大约五十年后,光子技术的应用在深度和广度上将同电子技术并驾齐驱,它们在国民经济中将发挥同样重大的作用,而且在若干领域光子技术极有可能超过电子技术,并产生更大的影响。
强大的社会需求,也是促成光子学与技术迅猛发展的重要因素。
发展光子学的另一个有利条件是,当前光子学尚处于发展阶段,与国际的差距并不十分明显,总体上相差仅在十几年上下,而在某些分支学科的个别点上,研究水平已接近或达到国际先进水平。我们应充分利用这些条件,抓住机遇,选好目标,加倍努力,一定会在不太长的时间内获得显著成绩。

3.1.2 光子学发展战略目标
根据我国的现实条件和实力以及现有的实际基础,确定我们当前“九五”、“十五”期间发展光子学的总体战略目标是:
1, 在“九五”、“十五”期间建立一支结构合理、精干和稳定的光子学研究队伍,在光子学和技术的若干研究领域达到领先的国际水平,在一些分支学科中要确立一批有特色、有创新的研究课题,其研究成果达到或超过国际先进水平;
2, 完成十余个上水平、上高度、或与国家经济建设密切相关的重大和重要的光子学研究课题,并能产生显著的社会效益或经济效益;
3, 促成数项光子学和技术的研究成果能够转化为产业,并形成一定规模和产值。为促成和指导我国大规模地发展光子工程、光子产业创造条件。

3.2 发展光子学的战略部署与举措
应以我国的具体情况和实际条件确定发展光子学的战略措施。其基本点是,应以“有所为,有所不为”为指导思想。近期跟踪性的研究必须紧密结合国内发展的需求,有限目标重点布署,力求尽快突破,提供应用并以实现产品化、产业化为最终目标。当然也不能照样模仿,必须有自己的创新与改进以保证未来的产品能在国际市场上立足。
从基础研究的角度考虑,则应不避艰难,放眼于未来,选定有带动性的
基础课题,深入研究、透彻掌握,并力争获得创新性的成果。努力开拓出自己的路子,脚踏实地地前进,不宜急功近利。关键是要选准应用目标,避免失误,丢失机遇。因此对发展态势的透彻掌握,切中的综合分析,充分的正反论证,准确判断、果断决策和不失时机的重点布署是发展我国光子学成败的关键。为此提出以下几点具体措施:
1, 执行择优支持、平等竞争的政策。基础研究的关键在于创新,必需优先支持有学术创新思想、有竞争力的研究工作。择优不可按单位大小、人物大小,要按真正的能力,提倡平等竞争的风气。
2, 重点突出,提高投资强度。重点项目的基金经费应具高力度,确保高水平的研究工作有保障。同时,能够在面上确立一些相关项目,以配合和加强重点的出色完成。在执行中要有明确的监督政策和奖罚政策。
3, 吸引优秀人才,组织好研究队伍,逐步解决断层。要制定特殊政策,从政策上做好落实工作,为培养一支高水平的科技队伍,选拔优秀学术带头人,尤其应为中青年优秀人才的脱颖而出创造条件。
4, 开展国际合作,促进国际交流。基金委应组织并支持国际交流与合作项目,为基础研究创造更多、更好的国际交流环境和条件,并给以足够的经费支持。
5, 要充分发挥国家自然科学基金委的学科优势,提倡和加强多学科领域之间的交叉互补与协作。
6, 加强国内外光子学界的学术交流,广泛和深入开展学术研讨活动。为有效组织和指导我国的光子学学术研讨活动,以提高光子学的学术水平和地位,建议在适当时期,以适当的形式建立我国的光子学会组织。












3.3 光子学与光子技术的近期优先研究领域

3.3.1 确定光子学与光子技术优先研究领域的依据
总体上说,确定学科重点发展的依据应该是:符合自然发展规律,面对社会发展紧迫需求,有高度、有创新、有交叉,并以实事求是、坚持有限目标为原则。
根据上述原则,光子学及其技术的发展重点应从基础光子学、信息光子学和生物光子学三个领域中择优选定。
1, 光子学兴起和发展的直接原因之一是,光学研究从宏观向微观现象的深化,必然要求人们从微观、在更深层次上了解光子及其与物质相互作用的规律,于是导致人们在认识上的不断飞跃,并因此而促成了光学向光子学的进一步开拓。对光子学的更深层次的认识,亦即光子学理论基础,反过来又为光子学、为光子技术的应用和发展不断提供新思想、新观念、新构思、新方法,进而促成了理论向应用的转化,为社会创造了精神与物质财富。这是当前光子学发展之本。鉴于此,应从基础光子学领域选定若干数量的重点研究项目。
2, 光子学兴起的另外一个直接原因是,光子学与信息科学之间形成的交叉,即信息光子学,不但为光子学本身的发展注入生机,而且更重要的是,它为信息科学乃至信息社会提供了最优秀的载体,成为今天乃至未来信息时代的、不可替代的重要支柱。因此可以说,光子学是应运于信息时代而生。鉴于此,应从信息光子学领域选定若干数量的重点研究项目。
3, 光子学本身也是科学交叉的产物,同时这种科学上的交叉又将进一步促成光子学的迅猛发展。由光子学与生命或生物科学、医学的交叉形成的生物医学光子学是继信息光子学之后又一个交叉科学的典范,被认为是当今光子学发展的又一伟大成就。生物医学光子学的发展不仅为光子学的兴起注入活力,而且将促成生命科学发展的飞跃和突破。鉴于此,应从生物医学光子学领域选定若干数量的重点研究项目。

3.3.2 关于光子学与光子技术的优先研究领域
鉴于上述, 光子学与光子技术的优先研究领域是基础光子学、信息光子学、生物医学光子学以及它们之间的一些交叉领域。
1, 基础光子学研究领域
在该研究领域,量子光子学、光量子信息、 分子光子学等分支学科占有重要地位,其中有重要意义的研究项目选题是:
1-1 实用化非经典光场产生系统的研制与非经典光场的应用研究
过去十余年来, 量子光学的理论与实验研究证明,量子噪声被“压缩”的各类非经典光场,如正交压缩真空态光场和量子相关孪生光子对等,可应用于超高精度光学测量和微弱信号检测,信噪比可突破标准量子极限,也可用于原子物理与光谱学实验研究,以揭示更深层次的量子力学效应。本项目的目的是研究全固化、小型化、实用化的非经典光场产生系统—“压缩器”,并探索其在超高精度光学测量和基础物理研究中的实际应用。
本项目的主要研究内容是:
A 研制全固化、小型、可靠、适用于超高精度光学测量的非经典光
场产生系统;
B 研制适用于高精度光谱学研究的可调谐压缩光场产生系统;
C 用获得的非经典光场进行灵敏度突破散粒噪声极限的光学测量及原子物理实验探讨。
本项目的预期目标是:
A 研制出一至二类全固化、小型、可靠、能适用于超高精度光学测量的非经典光场产生系统;
B 完成一套可调谐压缩光场产生系统,可调谐范围在GHz量级;
C 用非经典光场进行低于散粒噪声极限的吸收光谱测量及进行压缩光与原子相互作用的实验探索。
1-2 光量子信息若干基本问题的理论与实验研究
光的量子特性在信息领域有着独特的功能,在提高运算速度、确保信息
安全、增大信息容量等方面可以突破现有经典信息系统的极限。特别是近年来,在量子计算机研究方面获得的突破性进展,证明了基于量子特性的量子平行算法可以有效地超越现有计算机的速度极限,能够轻而易举地破译现在广泛使用的密码体系。这些成果使人们认识到量子计算机、量子通信、量子密码术等在下个世纪的信息科学发展中将扮演极其重要的角色。光量子信息科学作为一个新的科学分支正以惊人的速度发展着,并日益广泛地受到世界各国的高度重视。目前,在量子信息科学中被人们所关注的诸多基本问题已构成该学科的发展前沿,对推动量子信息论的发展至关重要。首当其冲的关键性课题是如何有效地克服量子信息系统中的消相干。众所周知,所有量子信息系统在物理上都基于量子相干性,但实际的量子系统与环境不可避免的耦合,从而导致这种相干性的不断破坏,这就是困扰整个量子信息论的消相干问题。量子编码是迄今发现的克服消相干的最有效方法,因此,寻找具有强的纠错或防错能力的高效率量子编码方案自然成为量子信息论中至关重要的研究课题。
量子信息的传输和处理实际上是量子态的制备和操作的过程,光场、原子等量子系统的各种量子态的制备是个重要的基本问题。本课题将针对上述若干问题开展理论和实验研究,并将所研究的量子编码、纠缠纯化等方案应用到量子密码术、量子传真术等实际量子信息系统中,并提高其信息功能,为最终实用化打下扎实基础。
本项目的主要研究内容是:
A 消相干和量子编码
理认上和实验上研究各种光量子信息系统的消相干特性,据此特性,提出更高效的量子编码方案,去有效地克服量子信息系统中的消相干,并在实验上观察量子编码对消相干大小的实际上影响。
B 局域网量子密钥体系及量子编码在量子密钥体系中的应用
理论上和实验上研制出局域网量子密钥体系。采用量子编码方案来提高量子密钥体系的性能,如降低误码率、增大传输距离等。
C 光量子通信技术
理论上和实验上研究量子通信系统,采用量子编码和纠缠纯化方案改善量子通信系统的性能。
D 量子态的制备和操作
应用光子与原子、光子与光子、以及光子与声子之间的相互作用,设计有效的方案,能按照要求来制备和操作光场各种量子态。利用量子编码技术减小量子态制备和操作过程中的消相干。
本项目的预期目标是:
理论上研究清楚各种光量子信息系统的消相干特性,并取得实验验证,根据不同的消相干特性,设计出高效的量子编码方案,并在实验上观察到它的实际效用,取得富有创新性的达到国际先进水平的研究成果。
理论上和实验上研制成功局域网量子密钥体系,并采用有效的量子编码技术提高其性能。
1-3 有机/聚合物发光器件研究
有机/聚合物发光器件是在有机/聚合物材料科学与半导体光电子学基础上发展起来的一种新型发光材料。由于有机/聚合物发光器件具有制作工艺简单、价格便宜、发光波长容易控制、易于制造大面积显示器件,甚至可以制作在柔性衬底上等诸多优点而倍受人们重视。和无机发光管一样,有机/聚合物兰光发光器件相对其它波段来说也是困难较大、起步较晚的。近年来美、日等国的许多研究部门和公司都在加大研究力度,并已经取得了显著进步,诸如用有机小分子材料发光器件点阵制造的山水画样品已有报道,但寿命与无机发光管相比还有很大距离。可以预料,随着器件性能进一步提高和可靠性问题的逐步解决,有机/聚合物发光器件终将成为显示器件中的重要一员。
本项目的主要研究内容是:
A 有机/聚合物发光器件载流子(电子与空穴)传输层材料、发光层材料的禁带宽度、电子亲和势和载流子迁移率等参数的表征,采用的主要方法分别是循环伏-安法、I-V特性法、光谱特性法和飞行时间法(ToF)等,为有机/聚合物发光器件的设计提供必要的数据。
B 发光材料、传输层材料的研究
分析良好发光材料、电子传输层材料和空穴传输层材料的特性,新材料的合成;发光器件材料体系研究,诸如分子掺杂体系、有机/无机复合材料体系、稀土配合物材料等体系的构成及其对发光性能的影响等。
C 发光器件结构设计和工艺实现
有机/聚合物发光器件的结构对发光特性影响很大。首先,对异质结构来说,能带匹配是必要的;其次,为了获得好的发光特性,两种载流子的平衡注入也是重要的,而这与各层能带情况、载流子迁移率大小、各层厚度以及电极材料等诸多因素有关;研究它们之间的关系和对发光特性的影响,找出规律进行合理设计。为了减少界面污染,设计并加工多元有机/聚合物沉积系统,并对工艺条件进行优化。
D 研究改善光谱带宽的方法
有机/聚合物发光器件存在的问题之一是发光谱带较宽,为解决这个问题,将选择稀土配合物或有机/无机复合纳米材料作发光材料,此外,在结构上选用量子阱、超晶格结构,探索在兼顾其它特性的同时减小光谱带宽的有效方法。
E 有机/聚合物发光器件稳定性的研究
目前认为单重态氧是促使器件衰退的原因之一,除了尽可能选择对单重态氧有较高抵抗能力的材料之外,如何减小器件工作时氧从 ITo衬底进入发光层的问题也是重要的,此外,制造过程以及封装方式都可能有影响。由于 ITo衬底导热很差,寻求新的衬底、减小器件工作电压、电流从而减小热效应,也都是有待解决的问题。以上这些问题全都与所用材料的性能有密切关系,因此高质量发光材料的探索是非常重要的。
2, 信息光子学研究领域
在该研究领域,集成与微结构光子学、 光子器件、光子信息处理、光通信技术、光传感技术、光子存储技术等分支学科占有重要地位。其中有重要意义的研究项目选题是:
2-1 半导体光子集成基础与应用研究
当今的社会正在步入高度信息化社会,超高速信息流(Tb/s)的传输,超快速率(ps)的处理与超大信息量(Tb)的存储已是人们追求的目标。以电子作为信息载体的电子技术由于受到分布延迟效应和电磁串扰的影响,已开始表露出局限性。光子为玻色子,不荷电性,没有分布延迟效应。激光有很好的单色性、相干性,能实现高密集波分复用和并行与交叉传输以及分束存储。因此用光子作为信息的载体将使未来信息系统的传输容量、处理速度和存储密度有着惊人的扩充和提高,因而已经成为当今科技界关注的热点,并促成了一门新型学科—信息光子学的迅速兴起和发展。
光纤通信是当前信息光子学取得的最重大的成就。它将继续朝向密集波分复用发展,以提高单纤传输容量。而高密度的双向联网和分道交换的发展则是信息化社会的迫切需求。电子计算机芯片光互连是突破瓶颈阻塞效应的重要途径。而高级的神经网络体系则寄希望于三维光互连技术的采用。光盘存储技术的进一步发展已由于弥散和扩散效应而受到写入光斑尺寸和存储单元尺寸的限制,人们正在探索以全息存储为代表的三维立体存储技术。对一个实用化的信息光子系统,无论从速率的提高,功能的拓展,系统的可靠性、稳定性以及与微电子系统的兼容性等诸多方面考虑,光子回路集成化的发展将是必由之路。人们认为,一旦光子回路与微电子系统集成得以实现,它将继微电子的成就之后,导致信息高技术的第二次革命性飞跃。
半导体光子集成的研究与应用已成为国际发展的热点,并已取得重大的进展。功能集成方面,不仅已有半导体量子阱DFB激光器与EA高速(40GHz)电光调制器,以及DFB激光器与半导体扇形光放大器的集成器件出现,而且由十个波长的量子阱DBR激光器与EA调制器、光放大器和会聚波导组成的波分复用单片集成光源已研究成功。美国Hennywell公司最近报导在四Φ3”GaAs基片上研制出了108×34位VCSEL面阵。64k量子阱自电光效应开关SEED面阵也已研制成功,并曾试用于二维全光数据处理,期望用于高速空间光调制器。目前国外正致力于发展SiO2/Si波导光栅集成面阵,拟用于波分复用和全光交换系统等。
当前尚需进一步研究的主要问题是,如何提高集成器件的运作速率,以扩大传输容量和提高处理速度;大幅度降低器件的功耗,以提高面阵集成度;扩展光子器件的功能以简化集成工序,优化集成器件的性能,以及如何突破Si材料本身的局限,发展Si基光子器件,以使光子器件集成与微电子集成在Si基上得以融合实现。
半导体光子集成的研究是一项开拓性的创新工作,它的突破,有赖于对一系列基础性科学与技术问题的深入研究、透彻掌握和熟练运用。
半导体光子集成基础研究课题包括:半导体量子阱体系中的受激光子跃迁、半导体多层介质波导中的光传输模式、Bragg介质光栅的多功能特性、微光学谐振腔的光场量子化、量子阱中激子非线性光学效应以及能带工程对光子材料的人工改性等。尤其是对后面四个方面系统深人研究与透彻掌握运用,对创新发展半导体光子集成极为重要。
此项目的主要研究内容:
A 半导体与多层介质膜Bragg光栅的综合优化设计及其多功能特性的研究开拓与在信息传输集成光于器件中的应用;
B 半导体微腔稳态及瞬态光学物理过程的研究及其微腔在低阈值、低噪声、高速响应电注人集成激光器中的应用;
C 半导体量子阱室温激子非线性光学效应及室温高灵敏光折变效应的研究及其在数字和模拟快速光信息传输与处理器件方面的应用;
D 运用能带工程的基本概念,优化设计集成光子器件所需优质人构材料,着重研究大失配度应变层量子阱材料的理论设计,实验生长和物理测试。
拟重点解决的科学与技术问题有:
A 对半导体光子集成发展中的若干关键基础问题,从实验与理论方面取得较系统深人的认识,并有创新性的开拓应用,如:
a,光场量子化特性与微腔形态的关系;它对带间受激跃迁率、光子寿命与发光响应和光场量子噪声等的关联性;
b,量子阱结构与形态对激子局域化特性、激子寿命、激子吸收带宽、电场调制效应(Stark效应)等的关系;
c,深入掌握运用能带工程对光子器件材料结构人工改性的理论预估和工艺实现,如应变补偿技术的运用、导带偏移的人工优化、Ⅳ族Si材料共价健特性的人工异化,调制量子阱中电子的运动行为等;
d,复折射率Bragg介质光栅中的传输特性、模特性等与光栅结构及形态的依赖关系和优化设计。
B 精确掌握Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅳ族及Ⅲ-Ⅴ/Ⅳ、Ⅱ-Ⅳ/Ⅳ族代表性器件材料的单原子层及多量子阱的优化生长技术,力求满足光子器件集成兼容性的要求,并对生长动力学过程有较深人的掌握,从而达到缩短实验周期,以利创新思想的及时验证。
C 对某些光子器件,要求有大周期数(如50对以上)的量子阱材料生长。为了克服内扩散效应的影响导致量子阱结构劣化,需借助某种外场的作用研究一种很低温度下的优质生长技术;缩小光子器件的尺寸是提高集成器件应用特性的重要方面。在微小线度器件材料中,界面态的存在将产生很重要的影响。探明界面态的产生机制,研究其特性,探索抑制的途径和增强利用的可能性是重要的问题。
此项目的预期目标是:
通过本项目的组织研究,较系统地深人掌握光子集成的基础科学问题和关键工艺技术,如微光学腔中光强量子化效应对优化发光与激光器件输出特性的关系,激子非线性光学效应与量子阱形态的物理关系,介质光栅、波导光栅多功能特性的优化设计与制作技术,能带工程的理论设计与实现,及其对优化光子器件的特性的应用等。
从而能够尽量采用自己的创新思想,研制出若干种由实用前景,并有自己特色的光子集成原形器件。如作出对反射光有隔离特性的复折射率耦合长波长DFB激光器与量子阱EA电光调制器的单片集成,满足高速率调制下无啁啾动态单纵模运作的需求;作出有较高集成度的、可用于光互连及光信息处理的微腔VCSEL集成面阵与光逻辑的SEED面阵;研制出对偏振不敏感、有增益的高速光开关及其集成单元;研制出带布喇格谐振腔、有选频功能、并能与硅的微电子工艺兼容的硅基长波长光电探测器等。
2-2 超宽调谐全固化激光器与准相位匹配技术的研究
激光二极管(LD)泵浦的固体激光器(LDPSSL)最显著的特点是其泵浦源的发射波长可准确地调到激活介质的吸收峰上,所以其总体转换效率比传统的灯泵的固体激光器高出5~10倍,此外还具有频率稳定、输出线宽窄、光束质量可接近衍射极限、可靠性高、寿命长、小型化等一系列突出的优点,加上它可以多种方式运转,还可通过频率变换获得多种波长、多种功率(能量)水平、多种脉宽、线宽的激光,因而已成为当前激光器件最具前景的发展方向。目前这类器件的研究发展极快,产品也层出不穷,已形成世界范围内全固化激光技术研究的一个热点。其中全固化宽调谐激光光源是一个重要分支,在激光光谱、激光化学、激光检测等方面有重要应用。目前尚存在调谐范围不宽以及与线宽、功率之间的矛盾等问题尚未得到解决。
近年来,作为非线性光学频率变换的一个重要发展方向—准相位匹配技术得到飞速发展,它已成功地用于多种器件实现高效率的倍频、差频及光学参量振荡等。因此,准相位匹配技术将成为全固化激光频率变换以及超宽调谐范围激光光源研制中的核心技术。
本项目的主要研究内容是:‘
A 对高功率LD用于固体激光介质的泵浦技术、致冷技术、谐振腔与泵浦光束之间的摸匹配技术,以及对改进光束质量、压窄线宽和实现多种运转方式等进行深入研究,为LDPSSL工程化提供最佳的运转参数;
B 采用非线性光学频率变换技术及固体可调谐激光技术,将LD泵浦KW级准连续工作的Nd:YAG激光,经KTP倍频后,再去泵浦钛宝石可调谐激光和KTP(或KTA)晶体的光学参量振荡器,用这一方案实现从紫外(200nm)到红外(4000nm~5000nm)波段的超宽范围调谐的高功率、窄线宽的激光输出。
C 对准相位匹配(QPM)器件工艺及特性进行研究。其中重点对LiNbO3、LiTaO3及KTP等为基底,采用电场极化与电子束加工等工艺进行研究,以实现周期性反转极化。同时,对块状及波导型的Ⅰ阶及Ⅲ阶器件进行特性研究,包括对其相干长度、转换效率、功率密度、稳定性以及寿命等进行研究;
D 采用QPM器件实现倍频、差频及光学参量振荡器(OPO)的运转,最终实现300~4000nm波长范围、高转换效率下的宽调谐运转;
E 研究包括QPM器件在内的全固化超宽调谐激光光源的实用化技术。
本项目预期达到的指标为:
A LD泵浦的宽调谐激光光源
a, 高功率GaAlAs激光二极管(LD,809nm波长)泵浦Nd:YAG(1064nm)激光及倍频,其输出(532nm激光)再泵浦Ti:Al2O3可调谐激光器及KTP或KTA光学参量振荡器,以获得680~l000nm及600~4500nm的调谐输出;
b,高功率线阵LD(670nm)泵浦Nd:YAG(1320nm激光),经倍频(660nm)再泵浦Cr4+:LiSAF,以获得760~920nm的可调谐激光输出;
c,高功率LD(809nm)泵浦Nd:YAG,经三倍频获得波长为355nm的激光,再泵浦BBO,产生OPO,以获得400~3000nm的可调谐激光输出;
d,用上述波段的激光输出,再进行倍频以扩展调谐波段,达到300nm~4500nm的可调谐范围,并确保在一些波段范围内将线宽压缩至001cm - 1。
B 准相位匹配器件
a,以LiNbO3、LiTaO3及KTP为基底材料,采用多种工艺手段,制作出不同特征长度的准相位匹配材料与器件;
b,实现由946nm倍频获得473nm波长的兰光输出,倍频效率达到40~50%;
c,实现由波长1320nm(YAG)激光与800nm~900nm(Ti:Al2O3)激光的差频运转,获得2100nm波长的激光输出,效率达30%;
d,实现宽调谐单频连续波的OPO(如采用 PPLN)运转,达到调谐范围为1400nm~4000nm,激光线宽<20MHz。
2-3 光纤光栅、全光纤集成波分复用通信系统
当前,信息技术的迅猛发展,以及信息高速公路的飞快建设,不断向光纤通信提出更高、更快的要求。现行光通信,即常规的IM/DD制式的光通信,由于其固有的症结而面临严峻的挑战。为满足超快速、超大容量的通信要求,人们不得不探索和启用更新的制式。目前普遍认为,复用通信是一种非常方便和有效的通信扩容方式,起码可解决本世纪、以至下个世纪初的不断增长的通信要求。在诸多复用通信方式中,波分复用(多路)(WDM)加光放大单元的通信被证明是目前最可行和有效的通信模式。
近年来,又—新技术热点—紫外侧写入光纤光栅成为光纤通信领域最引人关注的研究课题。光纤光栅的研制成功使全光纤激光器、全光纤宽带放大器、全光纤复用与解复用器等均可得以实现.因此也使全光纤集成通信系统,这个被多年追逐的研究目标将成为可能。所谓全光纤集成通信系统是指该系统的主要单元部件全部是光纤制成,即光纤集信号光发射、传输与接收为一身,把这些功能性器、部件集成在同一根光纤上。显然,这种系统不但具有小巧、可靠、兼容以及高性能价格比等一系列优点,而且能够大幅度提高信道速率和容量,并有利于发展新型的光纤通信模式。本项目拟研制的全光纤集成波分复用通信系统就是在这—背景下提出来的。
本项目拟研制的系统由三部分组成,即全光纤光栅激光器复用单元、增益平坦光纤光栅放大器及ADD/DROP解复用单元,分别完成密集多路光信号发射、中继放大及接收与再发射功能,即三者组成一个光纤集成的密集多路波分复用通信系统。
此项目的主要研究内容是:
A 光纤光栅激光器复用单元的研制. 使用新研制的光纤光栅作腔镜,四组激光腔复用—支大功率半导体激光器泵浦,产生四个(或多个)激光载波,然后再通过其光纤调制器,分别将各自的相关信息载人对应的激光载波上,构成波分复用光纤通信系统的发射端机。四个载波的间距取Δλ=1.6nm,相当 200GHz的带宽,因此各信道的容量是相当可观的。由于光纤激光器是由石英介质(光纤)构成的,因此其激光振荡十分稳定,远远优于半导体激光器,无需插入电子温控器件;而在由半导体激光器组成的波分系统中,复杂的温控装置则是必备的,这是由于它的激光介质(半导体材料)是典型的温敏材料。另外由于使用光纤调制器,因此与常规的直接调制相比,该系统容许使用更高的调制速率,例如可>10Gb/s的速率,这在直接调制的情况下是难以做到的。还可以列举其他一些优点。
B 平坦增益光纤放大单元的研制. 在光通信中使用掺铒光纤放大器(EDFA)替代常规的光电光中继系统,这是近年来光纤通信技术一场伟大变革,它有望成为今后或下个世纪必然推广的模式。但在光纤通信系统中,由于放大器增益的不平坦,例如在1530nm处的增益将高出8dB,这样,自然使复用的路数受到限制。因此为了增加使用带宽,加大密集复用路数,就必须设法改善光纤放大器的增益平坦程度。近年来已经提出很多促使增益平坦的方法,其中用光纤光栅研制的特殊形式的平坦滤波器是最为可行和有效的。如信道间隔取0.8nm,这种方法设计的增益平坦器实际可达到30~40路的复用能力。
C ADD/DROP解复单元的研制. 该单元的功能是,将复用的多路信号解复下路和解调,并将相应的待传输信号进一步上路,进入系统。以往的ADD/DROP系统均为光电混合式,不但设备庞杂,而且速率很低。使用光纤光栅设计的分插器单元是全光型的,颇具新颖性。其中采用光纤光栅组成M-Z干涉仪回路,将相应波长的光载波分离或插入,以达到上、下路的作用。这种波长选择光路因是干涉型的,故具有极高的灵敏度和选择性,即可大幅度降低交叉串音,有利于增加密集复用系统的密集度。
在上述研究成果的基础上,即可将三个单元合理地组装在一起,构成一个全光纤集成波分复用系统。该系统以最新研究成果—光纤光栅为基础。由于整个系统与光纤兼容,损耗小、容量大、带宽宽,并能对传输线路的色散进行合理和有效的补偿,因此它可以拥有可观的信道容量。本研究系统在实验阶段拟达到的指标是,速率为4×lGb/s,通信距离>100km,进一步的目标是20×2.4Gb/s,该指标为近期国际先进水平。
在完成上述工作中还要对光纤光栅优化设计、通信线路的色散补偿及非线性串扰等有关进行理论研究,通过研究,力求从理论和实践上为光纤光子学及技术开拓出一个新的重要的发展方向。
2-4 高速时分复用光通信技术
高速光通信是国际上光通信研究的主要方向,光时分复用(OTDM)和波分复用(WDM)是提高通信速率的两个有效途径。由于OTDM光通信可以使用单一光源,对光纤放大器平坦度要求较低,从而使光纤放大器的管理简单化,并不存在四波混颇串拢等问题。因此OTDM技术与WDM技术在高速光通信网的发展中都占有重要地位,二者的结合将支撑未来超高速光通信网的实现。
自九十年代开始,日本、欧洲诸国及美国针对未来高速信息网的需要,对OTDM光通信的关键技术进行了广泛的研究。欧共体己结束的RACE计划、正在执行的ACTS计划和美国ARPA(Advanced Research Projects Agency)在发展宽带全光网的计划中均同时部署了WDM和OTDM技术的研究。日本则首先取得重大突破,并已实现速率为400Gb/s的OTDM和1.4Tb/s的OTDM-WDM光通信。
在当前世界光通信技术迅速发展的大环境下,我国作为一个经济发展较快的发展中国家,应抓住机遇迎头赶上积极开展OTDM光通信技术的研究,参与这一领域的竞争。“九五”期间,在高技术计划中,己设立了速率为8×2.5Gb/s的“OTDM光孤子通信关键技术研究”课题。但从目前发展趋势看,在本世纪末,光纤通信将以单路10Gb/s为基础,并通过复用技术扩展容量。因此,发展以单路10Gb/s速率为基础的OTDM光通信技术很有必要。
为此,本项目旨在开展单路速率为10Gb/s、传输容量达40Gb/s的OTOM光通信关键技术研究。拟针对速率为4×10Gb/s的OTDM光通信的需要,重点突破10Gb/s速率的超短光脉冲的产生、光时分复用/解复用及时钟提取等三项关键技术,对高速归零码传输进行理论和实验研究,并掌握40Gb/s的OTDM光通信系统优化设计方法。其研究成果将使我国OTDM光通信关键技术的研究水平迈上单路速率为10Gb/s,复用后的总数据率达到40Gb/s的新台阶。为今后建立一个完整的N×l0Gb/s的OTDM光通信系统及进一步发展OTDM和WDM相结合的全光信息网打下良好基础。
本项目的主要研究内容为:
A 研究采用主动锁模光纤激光器或分布反馈半导体激光器/电吸收调制器集成器件产生10GHz光脉冲以及利用高阶光孤子传输将光脉冲宽度压缩到2~8ps的方法;
B 研制精确延时的4×10Gb/s速率的光纤式时分复用器,研究以半导体光放大器的非线性效应为基础的非线性环镜在解复用应用中的特性,实现全光解复用功能;
C 探索一种由复用信号中直接提取10GHz光时钟脉冲的全光时钟提取方法;
D 采用色散补偿或光孤子传输方法实现40Gb/s归零码百公里传输,并对高速归零码中等距离传输进行理论研究;
E 完成速率为40Gb/s的OTDM光通信系统优化设计。
虽然国际上对OTDM光通信的研究己达到较高的水平,但某些关键技术尚未完全成熟或过于复杂,某些理论问题的研究尚不透彻。本项目在总体跟踪的形势下力争在光脉冲产生、全光解复用和全光时钟提取等方面有所创新和突破,为我国高速时分复用光通信步入国际先进水平打下基础。
2-5 多功能光纤传感智能化结构(SS)及其应用研究
光纤传感技术是一门新的技术学科,也是信息社会的一个重要技术基础,在当代高科技中占有十分重要的位置。随着不同系统工程自动化程度和复杂性的增加,对传感器的精度、可靠性和响应灵敏度的要求越来越高。据报道,1992年全球的传感器市场规模约为210亿美元,是10年前的3.5倍,年增长幅度超过任何一种仪表。美国市场信息公司预测,至l996年光纤传感器销售额将增加到9.35亿美元,此后每年将以20%的增幅上涨。近年来在力、热、电、磁、气、湿、光等七大类传感器中尤以光纤传感器倍受青睬。特别是高灵敏度光纤布喇格光栅传感器与衍射干涉计量技术的结合,包括保偏振F-P干涉仪、迈克尔逊干涉仪、双模式干涉-偏振组合式传感器,以及色散-傅里叶变换光纤光谱测量等。智能化光纤传感系统使得光学测量的通用性和简捷性可大大地贡献于平滑操作和加工面形的稳定性,主要用于高精度、可靠性和重复性的多路复用或多维分布的微光学探测。它可提供快速实时的产品检验,特别是微电子工业的重要检测手段,而在一些特殊环境,如辐射污染、危险区域、交通、桥梁等一系列工程的非接触的有效测量手段。研究和开发这一项目不仅有重要的科学意义,而且能促进我国参与国际高技术市场的竞争,以获得显著经济效益。
本项目的主要研究内容是:
A 从理论上比较系统和全面地分析和研究光纤布喇格光栅的传感原理,包括光纤光栅光谱特性、光纤光栅波长编码信号解调技术、可调谐光纤光栅匹配滤波的全光纤化波长解调技术、光纤光栅传感器阵列复用技术等;
B 研究光纤多功能传感器数据融合的算法和显示等;
C 光纤传感灵巧型结构的设计、加工、装调等工艺的实现。涉及到从LD光源、光纤布喇格光栅、自聚焦透镜、光波导器件、微区光谱仪以及探测器阵列的耦合技术;光—机—电的集成和微系统的组合;基于光纤光栅传感器、保偏F-P干涉仪、双模干涉—偏振组合传感器以及色散—傅里叶变换光纤光谱测量等几种方法的综合比较;
D 研究多功能光纤传感智能化系统在几个重要领域的应用,如精密度量(包括形状、轮廓、直径、角度、长度等)、物理参量(包括温度、压力、磁场、折射率、过程控制、光学性质等)测量、力学场(包括位移、振动、应力、应变、断裂和疲劳、冲击波分析、流体力学等)显示、微观结构(包括微地形、纳米与薄膜特性、智能材料特性、电子封装)光学探诊等。
本项目预期达到的指标:
A 在理论上研究新的光纤传感方法、布喇格光栅不同编码方式以及光纤器件的组合结构;
B 在实验上建立一套具有WDM与OTDM机制的分布式光纤布喇格光栅传感器网络,实现一种多功能灵巧结构的测量系统。
2-6 地面高速运行载体定位和追踪系统中的光纤传感技术研究
经济和社会的发展对交通运输的速度提出越来越高的要求,科学技术的进步为高速运行载体(如高速列车)的发展提供了可能。在本世纪后半叶,高速铁路的发展不仅使旅客运输一展新貌,而且为一些经济发达国家铁路的复兴注人了活力,更对人类生活和科学技术的发展产生巨大的影响。兴建高速铁路已成为当今世界范围内发展的必然趋势。
高速铁路的行车指挥与控制是确保行车安全和发挥运输效能的关键,是旅客生命的安危所系。而对高速运行列车的实时准确定位,对其速度、加速度等运行信息的准确而快捷的获取是正确而不间断对行车指挥的基础和首要环节。目前,全世界都在对此项技术进行探索,实际上它已成为高新技术发展的重要领域。常规的GPS(全球定位系统)定位技术不能够分辨列车的上下行,不能判断列车进出道岔和轨道占有情况,特别是在隧道、山区、森林等地区,使用可靠性就更差。因此,GPS定位技术在高速铁路上的使用具有局限性。
为此,提出一种有关地面高速运行载体定位和追踪系统中的光纤传感技术。本项目提出的利用光纤陀螺、光纤灵巧结构等光纤传感技术来解决高速运行载体—高速列车的位置、行车速度和加速度的信息获取问题是一个新构想。它的完成将对高速列车的行车指挥技术产生重大影响,并且令其提高到—个新的水平。
本项目的主要研究内容是:
A 提出一种新型结构的光纤陀螺
现有光纤陀螺的不足是:①现有的光纤陀螺为了提高检测精度通常采用将保偏光纤缠绕在铝合金简上的光纤敏感环,这样,在光纤缠绕时产生的应力不能完全释放,从而引起偏振模耦合;②为了减小偏振模耦合,必须减小缠绕力,但这样又会在振动时引起结构的不稳定;③铝合金和石英的温度系数相差甚大,从而降低了光纤随陀螺的温度稳定性。新型结构的光纤陀螺应尽可能地克服这些不足,以确保其温度稳定性和振动稳定性等,进而能够完全满足高速列车智能行车指挥的要求;
B 研制出一种使用高折射率的液体将光纤灵巧结构浸于其中形成的敏感部件。为了确保列车行车的绝对安全,列车定位系统必须采用双监测系统互为冗余。这不仅需要有车上检测关于列车位置、速度、加速度等信息的检测系统,还需要有轨道上装配的能够显示本段轨道是否被占用的信息获取系统。显然,传统的轨道电路是难以满足高速铁路的要求的。研制的这种敏感部件,当机车占用轨道时,压力使液位升高,从而改变其光纤折射率的分布,再利用光时域反射技术(OTDR)测定出作用点离开端点的距离。目前,OTDR的测距精度已经达到厘米级,是其它任何形式的地面高速运行载体定位技术所不及的;而且无其它中间转换环节,可靠性高。沿铁路每隔200米左右安装—个用来感知列车占用轨道情况的光纤传感部件,并且构成—个光纤灵巧结构网络,从而可以确切知道列车在某段轨道上的准确位置。
C 研制出一种完整的、闭环的列车实时追踪系统。由光纤陀螺所获取的列车运行信息在车上进行数据处理后经漏泄波导综合光缆传至地面指挥中心。在指挥中心与由光纤灵巧结构所获得的信息综合考虑,并做出准确的判断。然后将列车当前的实时位置、速度和指挥中心下达的目标速度一起,再经由漏泄波导综合光缆传到列车上,由此构成—个完整的、闭环的列车实时追踪系统。
本项目的目标是,分析所得到的测试数据,确定实现高速列车智能行车指挥对光纤陀螺所需要的技术指标,并且根据这些指标研制出具有我国自已特色的新型结构的光纤陀螺;在实验室模拟现场情况,研制出用来感知列车占用轨道情况的光纤灵巧结构网络,由此可以确切知道列车在某段轨道上的准确位置。
本项目的研究成功,将促进光纤传感技术跃上一个新台阶,并可为其它地面高速运行载体(如城市轻轨列车等)所借鉴,将对我国高速铁路的建设、确保行车安全与提高效能作出独特的贡献。
2-7 光折变单块微结构光学系统研究
光通信和光信息处理光子器件的实用性要求是可集成化和可模块化包装。而已实现的信息光子学关键性器件的原理绝大多数基于微结构光学现象,而集成的手段也是基于微结构光学,因此微结构光学现象的深入研究和光子系统的微结构化已在国际上成为信息光子学的最基本的前沿研究方向之一。平面集成光学技术是光子系统集成化的主要技术手段之一,但是只适合于零维或一维信号,不能充分发挥光学并行和无交叉干扰处理等的特点,因而二维数据三维处理的微光子学系统技术是很重要的发展方向,已有的主要的方案有:堆栈集成、平面光学集成、混合集成、双折射分层集成及硅微光学平台等等。但存在如下问题:所用的微光学元件一般都是永久性的元件,不能再重构;这些方法都不能构成带有被动和主动器件的一体化结构。因此发展一种新型的多功能的单块结构的三维光子系统的微结构集成技术不仅具有高度的学术意义而且有广泛的应用前景。再进一步地,将光集成回路、集成电路、微机械集成在单一芯片上或组建成一个三维微系统,构成一个具有传感器、处理器、执行机构的完整的微光机电系统,不仅在技术上有划时代的意义,而且在相当广泛的领域中有着重大的应用前景。显然,微光学系统是微系统的核心单元之一。
光致折射率变化晶体具有全息三维存储、双光束耦合、四波混频、光感应光散射等诸多功能,特别是光折变晶体的体位相全息具有高衍射效率、可重复和实时使用等特点,已被广泛用于光学元件、光互连、三维存储、模式识别等方面。这些晶体一般也具有良好的光电,声光等多种效应,综合利用晶体的各种效应在以铌酸锂等晶体为基础的集成平面光学领域中也早有成功的报导。本项目旨在利用晶体的光致折射率变化效应和局域激光全息热固定的技术,在一块光折变铌酸锂晶体中分层记录各种全息光学元件,并构成一个单块结构的可重构的三维光子系统。 同时研究在一个单块结构中综合利用晶体的各种功能和效应的可能性,使单块结构的光子系统具有一体化的多功能操作的特性。进而进行具有压电机械形变等功能的单块光机电系统的探索。光学互连和光交换对于计算机系统和光通信具有重要的应用前景,因此本项目的目标之一是发展单块结构的光互连光交换系统,这具有一定的应用前景。
本项目的主要研究内容是:
A 激光局域实时实地加热固定全息的方法、原理、理论和实验的研究,包括各种最佳化工作条件的建立;
B 高效率的光折变全息光学元件、衍射元件和其它形式的被动光学元件的研制;
C 晶体的其它效应的综合利用的研究,包括主动光学元件的研究、多功能的一体化单块结构光学系统的探索和具有微形变功能的光机电系统的探索;
D 单块结构的光互连交换器件的研制,包括对适合光折变单块结构的光交换网络的体系结构和算法的研究以及对单块结构的光交换网络的研制;
E 光折变晶体材料,包括各种掺杂铌酸锂晶体的生长和研制、可见波长的和半导体激光波长的掺杂铌酸锂晶体的研制、分段掺杂铌酸锂晶体的探索以及其它晶体的研制等。
预期成果是:在微结构三维光子系统研究领域上达到国际先进水平,并为今后发展三维微小结构光机电系统打下技术基础。构成包含两个单块结构的互连块和一个电光开关层面的混合结构的光交换网络,发展出特殊功能的铌酸锂晶体。
2-8 智能光学视觉系统
从六十年代起基于激光傅里叶光学变换和全息匹配滤波、用于物体特征识别的光学相关器出现并付之应用,使得光子不仅能作为多维信息的相干载体而且能使直接用于信息并行处理的特性得以充分发挥,展示了光子处理比电子处理的优越性,从而迅速形成了光子信息处理这一新兴学科。但是这种线性处理在功能上有很大的局限性,不适合多维多目标的识别和处理。更重要的是随着光通信向并行排列的光纤列阵发展,二维图象和数据的并行处理将成为未来的光子信息处理的关键方式。因此,在国际上再次形成了新的研究前沿,即发展智能化的光电混合处理视觉系统。为此目标,在体系和算法上,一般采用多层网络的处理结构,包括具有特征提取的前级处理,物体识别、跟踪和分类的中级处理,以及理解、决定的后级处理。具体的算法体系有多通道相关、数学形态学、近邻域操作、综合鉴别函数和神经网络等。在处理方式上采用光电混合方法,以充分发挥光学并行处理的特性和电子处理的灵活性。在结构上趋向微小化和微结构化,最先进的是采用微光子和微电子器件混合集成的方法。在使用目的上是能完成广泛领域的应用要求,例如:工业方面的机器人视觉和质量控制;环境方面的智能遥感;科学研究方面的自然现象的模拟;日常生活方面的助人机器和保安预警,军事方面的目标识别和跟踪等等。国际上投入了大量人力物力在开展智能光学视觉系统的研究,出现了多种的体系和结构,但是实现上述统一目标的系统尚在研究和开发之中。
本项目旨在发展一种新型的智能化光学视觉系统,目的是实现多维、多目标包括静止和运动目标的识别和分析,总体要求是能实时处理,达到实验样机的水平。因此,要求在算法上能结合线性处理、非线性处理和数字化处理的优点;体系结构上采用多级网络的分层处理,实现自适应、自学习的智能化处理;结构上趋向微小化和可集成化,组成一个紧凑的光电子系统;技术上采用光子和电子相结合的混合处理方案,使总体性能高于单纯的电子处理。
本项目的主要研究内容是:
A 适合于一体化光学直接互连的多级网络算法体系的研究。包括形态学及其非线性变换,神经网络,模糊分类,时间序列分解等;
B 微光子和微电子器件相结合的多级多通道紧凑系统的研究;
C 光寻找和电寻址铁电液晶空间光调制器的研究。
本项目的预期研究成果是:
A 研制出紧凑化智能光电混合处理视觉识别系统;
B 系统的处理功能与用途达到:实时处理,图象的处理速度与处理面积能用于多维多目标分类识别。
2-9 室温型铁电薄膜红外焦平面阵列研究
信息的获取所涉及到一个关键应用领域是红外探测技术和方法的研究,在信息科学技术中占有重要的地位。如焦平面列阵探测器,它不需要光机扫描,便可以直接对观察目标进行凝视成象,代表了新一代红外探测技术和器件研究方向,具有较好的军民两用应用前景。可工作于室温的焦平面列阵红外探测器无需特殊的低温致冷设备,便可对敏感环境目标作全波段成象,并可作电视格式摄像,因而特别适合于工业自动化在线检测、安全监视和国防军事技术的应用等。这类器件对红外领域信息的获取及应用具有重要意义和价值。铁电材料由于其优良的热释电性能,可以制作高质量的室温红外探测器,并已获得广泛应用。近年来,随着铁电薄膜生长技术的发展,国际上已经开始探索用铁电薄膜研制室温下工作的焦平面阵列红外探测器,它是一种可能低成本批量生产的红外成象器件,可以广泛用于工业、农业、环境、军事等领域,因此受到人们的极大重视,并将成为一个重要的研究领域。只要抓住机遇,积极开展研究£就能使我国该领域的研究在国际上占有一席之地。
本项目的主要研究内容和目标是:
本项目将在铁电薄膜材料生长及其表征方面,用新的低温技术研究制备探测器用高质量、高可靠、大面积性能均匀的铁电薄膜;利用多种分析测试手段研究材料组分、制备工艺与材料微结构及材料性能间的关联机制;在铁电薄膜焦平面列阵红外探测器物理模型方面,研究光、声、热、电在铁电薄膜中的激发、传播及其转化的规律,研究铁电薄膜红外探测器性能与材料特征参数以及生长工艺的关系;在器件结构及工艺研究方面,提出铁电薄膜红外探测器的最佳设计;研究适用于铁电薄膜红外焦平面列阵的读出电路,探索新型光电混合读出方式。本项目预期将建立室温焦平面铁电薄膜红外光电子物理基础;建立光与薄膜相互作用的尺寸效应理论;提出光电转换器件物理模型,完成器件结构的最佳设计;确定红外焦平面列阵用高质量、高可靠、大面积均匀的铁电薄膜低温生长工艺规范;研制出64×64元室温工作的铁电薄膜红外焦平面列阵。使我国室温型铁电薄膜红外焦平面列阵器件理论和器件研制进入国际先进行列。
2-10 高分辨三维成像技术的研究及其应用
图像是人类认识自然界获取信息的主要形式之一。对于混沌介质,诸如生物组织、海水、大气等进行高分辨的三维光纤成象是生命科学、医学、材料科学、化学、物理学等学科及其应用领域研究中一种强有力的分析和测试手段。为此,人们发展了多种成像技术,例如:x光计算机层析技术、核磁共振技术、超声层析技术、正电子辐射层析技术以及光学层析成像技术,即OT(Optical Tomography)等。OT技术以红光或近红外光(700~1300nm)为光源。该波段的光对生物活体无辐射伤害,并且比较容易透过某些混沌介质,如人体和很多生物样品、海水、大气等。光通过混浊介质后,出射光主要包括三种成分:直射光、蛇形光和弥散光。直射光携带像信息,成像分辨率仅受限于成像系统的衍射效应和量于噪声;蛇形光则带有少量的图像信息,而弥散光是影响直接成像的主要障碍。因此可以利用—定的滤波技术将直射光、蛇形光与弥散光噪声分离,提取信号光成像;也以利用散射理论对弥散光进行分析,并逆向地重构图像,实现光学层析成象。OT技术是对传统成像技术的变革。它将在医学早期癌组织诊断、材料检测和模糊目标识别等方面具有广阔应用前景,学科和技术的发展,衍生出许多新的课题。
目前国外生物医学界和光学界已在OT技术及其应用领域中取得了许多进展。如1993年Alfano等利用1054nm的ps级钕玻璃锁模激光器及Kerr—Fourier时空滤波技术探测到隐藏在5.5cm厚的2.5%脂肪溶液中的测试棒像,分辨率为0.25mm;1993年Fujimoy等采用830nm钛宝石脉冲激光源(脉宽>50fs)及迈克尔逊干涉系统实现相干选通,综合外差放大技术及共焦扫描技术分辨出隐藏在1.5cm厚鸡肉内1mm宽的不透明棒像;1995年Fujimoto研究组又进一步利用Kerr透镜锁模钛宝石低相干光源(脉宽<10fs)及迈克尔逊干射系统,对薄洋葱细胞组织进行层析分析成象,分辨率达3.7μm,动态测量范围达到93dB。
但是对混浊介质(特别是生物活体组织)进行高分辨率三维光学层析成象,目前仍处在探索性的初级阶段。尚待解决的主要问题是:①选用哪一种波长和脉宽的激光源来克服光在组织中的衰减,以提高穿透深度;②选用什么样的成像系统,在时间上能有效地实现信号和弥散噪声的分离,以提高目标物的纵向、横向分辨率;③选用哪一种散射模型和算法,快速重构生物组织信息。
本项目将进行高分辨三维光学层析成象技术及其应用研究,重点是探索提高光在混浊介质中的穿透深度和提高目标物成像的纵向、横向分辨率的途径,为医学上小于1mm线度的早期癌组织诊断、材料检测和模糊目标的识别做理论和技术上的准备。主要研究内容为:
A 采用Mie散射理论和Boltzmann传输理论解析地分析混沌介质中光的散射和吸收特性。利用 Monte carlo方法模拟光束在混沌介质中传播,并通过对散射光的探测进行逆向的介质光学参数测量,掌握介质的结构信息;
B 采用迈克尔逊干涉仪与共焦扫描显微术相结合的方法进行三维高分辨光学层析成像。以半导体超辐射管激光为低相干源,对带图像信息的直射光信号实现相干选通,并进行透明薄膜的缺欠测量、生物组织测量等方面的应用研究;
C 采用飞秒级钛宝石激光源,综合共焦扫描成像技术、Kerr时间门技术及偏振门技术,实现信号和弥散噪声的时空分离,进行明场或荧光的生物组织层析成象,并探索将该系统应用于生物组织的超快成像研究。
本项目发展的高分辨率三维光学层析成像系统还要进一步结合光谱技术,寻找能对生物活体进行高分辨三维光学层析成像的最佳途径。同时,在本项研究中,光源的选取与调节、成像光路的设计与优化、弱信号的采集与放大、光信号的处理和图像的三维重构都将直接影响成象质量,均为高分辨三维光学层析成象技术研究和应用的关键。建议在上述方面要有所创新和突破。
3,生物光子学研究领域
近年来,这一研究领域越来越为活跃。其中有重要意义的研究课题是
3-1 激光医学光子学基础与应用研究
新兴的光子学与现代医学相结合形成医学光子学。临床光治疗和光诊断的原理和机制,如激光医学中的光剂量学,光学层析成像、光动力学治疗等所提出来的问题,急待医学光子学给出满意的回答。医学光子学研究的对象是人体组织,它的研究成果将直接服务于人类医学,并有可能创造出新的高科技产业,为人类文明和社会进步做出贡献。医学光子学正处于兴起阶段,我们的研究基础与条件相对比较落后,但我们在医学实践方面多有优势,并且许多研究工作与国外处于同一个起跑线上,因此只要组织得力,选题得当,经过努力一定会在某些方面获得突破,并在国际上占有一席之地。
在实施激光治疗或激光诊断时,激光辐照人体组织首先是产生光学响应,继之才导致发热等效应。然而激光束在人体组织中如何传输,能到达的有效深度是多少,对不同波长激光组织体的光学响应又有何不同,至今人们知之甚少。直至90年代初,“组织光学”应运而生,它是医学光子技术的理论基础。它的主要研究任务是:研究组织体的光学性质和确定光辐照能量在一定条件下在组织体内的分布,即确定某靶位单位面积上的光能流率。目前,这些基础性工作已相对落后于医学实践的要求,成为医学光子学继续发展的瓶颈之一。
近年来,医学光谱技术和医学成像技术成为医学光子技术的两大研究热点,这两者同上述组织光学的基础工作密切相关。目前二者都把恶性肿瘤的诊断作为研究的主要目的。同时,由于飞秒光子器件的发展,给生物医学光子技术添加了一个强有力的工具。飞秒固体激光器的输出波长在近红外,且能宽调谐,可调波长范围基本上落于“激光治疗窗”内,此外脉宽极窄、峰值功率高,效应用于光诊断医学极具特色。
以激光为光源的医学光子技术,开辟了激光医学新领域,包括激光诊断和激光治疗两大方面。它已解决了医学中的许多难题,同时又为医学的发展提出许多新的、有待研究的课题。我国激光医学在国际上属于起步早、病例多的国家。目前可开展的应用课题众多,但根据我们的特色和国情,近期内可开展两方面的研究工作:结合我国传统医学研究弱激光与人体组织的作用关系和采用激光医学光子技术的新成果开发新的激光医疗手术。
因此,本研究项目的主要内容是:
A 激光医学光子学基础研究
对组织中光传输理论、光传输的Monte Carlo模拟方法、组织光学特性参数测量以及临床光剂量学等方面开展既有继承性又有开创性的研究工作。预期主要研究成果是:
a,人体组织光子特性数据库的建设;
b,初步解决接近临床实际条件下模拟组织体中光分布(即组织深部光剂量学)的难题。
B 激光医学光子技术研究
a,飞秒激光医学光子技术 采用飞秒自锁摸掺钛兰宝石激光器为光源,以飞秒光谱技术和飞秒选通门技术为手段进行医学光子技术的研究,目的在于探索早期诊断的新方法,研制新仪器。主要包括:飞秒生物医学光谱学、飞秒激光时间选通门医学成像技术以及用于组织光学参数的测试等;
b,荧光寿命成像技术 这一技术是90年代发展起来的一项崭新的光子成像技术,它把荧光寿命的测量与二维显微成像结合了起来。这种成像技术将待测物体(包括生物组织,细胞)上每一点发出的荧光的寿命()是荧光探针,荧光发色团的激发态通过各种途径返回基态的总的速率常数的倒数,它不仅取决于激发态释放光子由辐射跃迁返回基态的速率常数,而且与激发态荧光探剂分子或激发基团与其它分子相互作用引起的非辐射弛豫过程的速率常数有关,这些相互作用包括:碰撞淬灭、能量传递、与其它大分子或各种离子的配位和结合,因此,荧光寿命可以作为组织和细胞内微环境的指标反映所有可能影响探剂荧光衰变时间的物理和化学因素,如细胞内的Ca+、Na+、K+、Cl-等离子,pH值,温度,氧浓度,探剂所结合的大分子的结构特征和能量传递。由于荧光寿命是所研究系统的固有特性,与细胞内各处荧光探剂的局部浓度无关,不受激发态发光漂白和散射的影响,比通常的荧光成像有许多优越之处。荧光寿命成像中每一像素的反差(或灰度)信息是该点探剂荧光的平均寿命,是该局部所研究分子浓度的函数,经适当的标定和计算,荧光寿命成像也可以转换微所研究分子在样品内浓度的二维和三维空间分布。
荧光寿命成像在生物学和医学上具有巨大的应用潜力。不仅可以用来研究细胞内各种重要生物大分子和离子的定位和浓度分布,还可以观察细胞对所处微环境的物理和化学信息,即细胞内的各种化学参数的空间图象。它不仅可以观察细胞对外界信号(如药物,激素,神经递质等)作出反应前在细胞内经历的信号转导通路上信使分子和蛋白激酶的空间定位和浓度变化,还可以观察它们周围的环境变化。由于肿瘤组织里的pH值比正常组织略低,利用荧光寿命对pH值敏感的荧光探剂,有可能用荧光寿命成像实现癌症的早期无损伤检测。
c,漫射光子密度波成像技术 组织的散射光可用于医学成像,因此可将此项技术用于生物组织中非均匀目标或某些癌瘤的探测与定位。
C 激光医学应用研究
除了继续深入开展光动力疗法治疗癌症的机理研究之外,应着重开发激光医疗新技术£进行半导体激光、准分子激光、HYAG激光和Er:YAG激光等新型医用激光系统与人体组织的作用以及激光医疗新技术的临床前研究工作。
概言之,激光医学光子学的基础、技术与应用三者是紧密相连而又互相促进的关系。希望通过对此项目的互补合作研究,使医学光子学在整体上获得协调的、相对平衡的发展。
3-2 光与生物组织间作用关系的研究
当前光子学在医学领域,尤其在治疗方面的应用,最为突出、最有成效并最可预见应用前途者,莫过于激光疗法。由于多数波长的激光能通过光导纤维传输,并可用于内窥镜及介入疗法,尤其与影像诊断相结合,发挥许多常规疗法发挥不了的作用。因此可以预言,激光正在或将导致医学领域一场新的革命。
但是,就今日而言,激光医学还只能算是一种经验医学,开始时,有了一种激光,人们就拿来在动物或直接在人体上试用,但有的效果好,有的差,有的有副作用。其后发现不同波长和不同运转方式的激光对组织的作用,后果迥异。于是人们才开始注意到光与生物组织间作用的关系。例如,比较CO2激光、氩离子激光、Nd:YAG激光用于切割、汽化、凝固及其与水的吸收,对组织的穿透深度、散射、反射的关系,发现CO2激光适于作切割与汽化,而Nd:YAG激光则对凝固止血好,但用于汽化则容易损伤病变周围及深部正常组织。光动力疗法治癌研究中寻找既能激发光敏剂又具备对人体组织最大的穿透深度,才决定采用氪离于激光或氩离子激光作荧光诊断和使用630nm波长染料激光来激发血卟啉衍生物作治疗。近年来,在皮科去除色素斑、消除文身中,采用脉冲染料激光,以不同波长的激光适合不同颜色的色斑,且以短脉冲来减少对正常组织的热损伤。在这种情况下,世界上已有许多学者开始对光与组织间的作用关系的研究予以关注,但是,这种研究当前尚处于起步阶段,许多问题仍在摸索之中。
因为人体各部位的器官、组织及各种病变组织既有相似之处,亦有不同之处,含水、血色素、不同色素的量、组织松密程度均有异同,它们对不同波长的光、不同的功率密度及能量密度、不同的运转方式(连续、准连续、脉冲以及脉冲的宽度、线宽、重复频率等)其作用均不同。但光与靶部位的条件一致时其作用是一致的,因而激光研究结果的重复性优于许多其它疗法。大量的研究结果表明,若能以生物、人体器官、组织及疾病为目标,系统地研究光与组织间的作用关系,不断总结,发现规律,确定出一套基本和准确的数据及方法,初步形成一门学问的雏形,供国内外学者参考、使用与补充。正如外科学的发展,开始只是为了治病,作些局部的解剖,后来发展成系统的人体解剖学,进而使各种外科、妇产科手术得以迅速发展,而且随着对组织学以及对超微结构认识的深入,人类治病的手段也越来越高明。因此,一门关于“光与组织之间作用关系”的学科一旦问世,各科医生便能够准确地应用激光技术与光子技术治疗疾病,并有力地促成医学激光与医学光子学的发展。
本项目的主要研究内容是:
A 研究不同激光参数(包括波长、功率密度、能量密度与运转方式—连续、准连续、不同参数的脉冲,以及光束的质量等等)对不同生物及人体器官组织及病变的作用关系,尤其是研究不同强度激光与生物组织相互作用引起的效应,包括光刺激、光致变、光凝固与光汽化等诸多生物效应。通过这些研究逐步取得系统完整的数据,总结提高,确定规律,并以此作为指导激光(光子)治疗各种疾病的基础,为一门新的系统的学科—激光医学的建立创造有力条件。
B 弱激光的细胞生物学效应及其作用机制的研究
结合我国传统医学(穴位、经络理论)开展有自己特色的工作。包括对弱激光与细胞生物学现象(基因调控和细胞凋亡)之间关系的研究、对弱激光镇痛的分子生物学机制的研究以及对弱激光与细胞免疫关系及其机制的研究等。
本研究项目预期目标是:通过研究,最终建立一个对临床及临床前研究有实用价值的、关于光与组织间作用关系的、初具规模的数据库,并以形成组织深部剂量学。
4,交叉学科研究领域
在基础光子学、信息光子学、生物光子学之间形成又诸多交叉学科领
域,严格划定它们的归属似乎没有必要。其中有重要意义的研究选题有
4-1 LD泵浦、量子阱启动小型飞秒激光源的研究
九十年代初期成功实现了以钛宝石为代表的固体自锁模飞秒激光器的运转。因其结构简单、可调谐范围宽以及锁模脉冲宽度窄,而成为飞秒激光研究领域的一个新的里程碑。固体自锁模飞秒激光器具有以下三大优势:一是操作简单、运行稳定,易于形成一种新的技术,能迅速在物理、化学、生物等基础研究领域和高技术领域得到广泛应用;二是可实现飞秒自锁模的固体介质多种多样,可覆盖很宽的波长范围,且每种介质又具有较宽的调谐范围,可满足各种超快过程的需要;三是作为固体介质,一般都具有较宽的增益谱宽,因此能够支持更窄的脉冲宽度。仅仅几年的发展,上述三个优势已经得到充分的显示。实现自锁模的固体介质已经从掺钛蓝宝石发展到Cr4+:YAG、Cr:LiSAF、Cr:DCAF、Cr:LiGAF等多种介质,波长范围已从80Onm扩展至1500nm、倍频之后可以覆盖的波长范围从400nm至1500nm遍及紫外、可见及近红外区域。最短脉冲宽度已达6.5fs,仅仅包含了三个光周期。固体自锁模飞秒激光器在各个学科的应用范围已远远超过了八十年代以染料为代表的飞秒激光器,成为当今飞秒激光技术发展的主流。
但是,固体自锁模飞秒激光器的一个致命弱点是不能自启动。由于微小的环境扰动和一粒灰尘的擦过,随时都可能使锁模停止而不能自发启动和恢复。虽然在通常情况下靠简单的机械振动促使其恢复锁模,但随着脉冲宽度的压缩,靠机械振动的机制来启动越发困难。因此,自九十年代中期以来,研究固体自锁模飞秒激光器的自启动机制成为该领域的一个极其重要的研究热点。目前,主要采用主动调制或饱和吸收两种自启动方式。其中主动调制方法,由于引入过多的高阶色散,因此对锁模脉冲宽度小于50fs的场合是不适用的。在多种饱和吸收方法中,量子阱材料和半导体饱和吸收材料相结合形成的半导体反射镜是一个具有极好前景的崭新的研究方案。它不仅可以实现KLM(Kerr-lens Mode-locking)的自启动,而且可以利用MBE技术控制量子阱的层厚,实现色散补偿,同时,可以采用反谐振的方法,增加反射光谱的带宽,从而,不仅实现自锁模的自启动,而且可以做到最窄脉宽。目前,利用这种方法已实现最窄脉宽(6.5fs)的激光器输出。
当前,固体自锁模飞秒激光器存在的另一个问题是由于采用氩离子气体激光器作泵浦源引起的。由于气体放电激光器的指向性差、大电流、大体积、低效率、需水冷等缺点,严重影响了固体自锁模飞秒激光器的稳定运转和广泛应用。因此,九十年代中期以来,利用LD泵浦代替气体放电激光器已成为固体自锁模飞秒激光器研究的主导方向。
鉴于此,本课题确定的研究内容是:
A 对由AlAs/GaAs组成的Bragg反射镜的结构与反射率、谱带宽度之间
的关系进行研究;
B 对由InGaAs/GaAs组成的多量子阱 和由InGaAs/GaAs组成的单量子
阱作为可饱和吸收体对Cr:LiSAF、 Cr:LiGAF和Ti:sapphire固体激光器自锁模的自启动效应进行研究;
C 对A-FPSA(Anti-resonant Fabry-Perot Saturable Absorber)及Bragg
反射镜的色散效应进行理论计算和实验研究;
D 对银作反射衬底,以AlAs和AlGaAs量子阱作可饱和吸收体的宽带A
-FPSA锁模特性和自启动特进行研究;
E 对LD泵浦的Cr:LiSAF和Cr:LiGAFCr的各种象差进行计算,并设计
最佳光学耦合系统;
F 对LD泵浦,量子阱启动的Cr:LiSAF和Cr:LiGAF为增益介质的固体
飞秒激光器的锁模特性、自启动特性进行系统的实验研究。
本课题的最终目标是实现Cr:LiSAF和Cr:LiGAF 固体飞秒激光器的LD泵浦和量子阱作为可饱和吸收体的锁模自启动,并使锁模脉冲宽度在50飞秒以下;对量子阱自启动的Ti:Sapphire飞秒激光器实现脉冲宽度在15飞秒以下。
4-2 超快光纤光子源、光子开关和光频变换技术
光纤光子源以其真正全固体化、高效率、灵巧坚固、高可靠性、光纤的兼容性等特色以及具有实用前景和发展潜力而受到普遍重视,成为发展最快的新兴光子源之一。特别是九十年代开始,研究重点已集中在锁模掺Er光纤激光器(MLEDFL)方面,这是因为高速率窄脉冲与高速二进制数字技术以及与高的非线性转换效率紧密相关。近几年来,一些光纤激光器已开始实现了商品化,并逐步进入了光通信、光子开关和感测技术等重要应用领域,从而导致超快光纤技术进入迅速发展的新时期。这些技术包括:各种重复速率的MLEDFL、全光纤孤子压缩、光纤超连续(SC)光子源、光子开关、光频上转换和光参量过程宽范围连续可调谐的光子源等。
环形MLEDFL已实现通常锁模激光器难以实现的重复速率100kHz~20GHz、脉冲宽度0.1ps~10ps的输出。对于低速率脉冲序列可通过啁啾脉冲放大(CPA)技术获得μJ级的亚能量型超短脉冲,并应用于光频变换技术;高速率脉冲序列则应用于高速光通信和网络技术等方面。例如,实验已证明,利用MLEDFL光子源已实现脉冲宽度为1ps、速率为400Gb/s的OTDM无误码传输,传输距离为100km;已有一种具有双波长输出性能的皮秒(ps)量级MLEDFL,它正是高时间分辨率测控信号和高精度分布传感系统的优良光子源。
通过光纤压缩脉宽和产生超连续谱的实验研究取得重大成就。例如一个利用电吸收调制器(EAM)产生的重复率为10GHz、宽度为7ps的脉冲列,经高功率EDFA的放大,再通过1.6km色散渐减光纤(DDF)的孤子压缩与自相位调制的谱展宽,获得~200fs脉宽和15nm带宽的变换限(TL)脉冲。通过带通滤波器(BFP)光谱切片可获得多个波长的精确sech2脉冲,而且通过BPF可在10ps~0.2ps范围任意选择脉宽。又如,利用速率为10 GHz,宽度为3.5 ps的MLEDFL输出,经高功率EDFA的放大后,通过3km长的单模光纤获得宽度为200nm的平坦SC谱。它是基于SPM、XPM、SRS和FWM等综合非线性效应的展宽谱,虽然不全是相干谱,但通过BPF可以得到各种中心波长上的亚ps~10 ps范围的近TL脉冲列。这些稳定的SC光子源已多次成功应用于超高速OTDM和WDM通信系统实验,是优越的OTDM/WDM超大容量通信的首选光子源,其总容量超过20Tb/s,是一个取之不竭的信息宝库。此外,这种光纤低损耗波段的亚ps~ps级多波长光子源又可便捷地作为实验室工具光源而应用于诸如全光开关、波长转换和感测技术等许多研究工作中。
由于光纤光子技术和新的准相位匹配(QPM)技术的出现和发展使光参量技术更具实用价值,加以由此产生的宽光谱范围连续可调谐光子源具有极为广泛的应用,故光参量技术一直是传统性研究课题的热点。全光纤ps~fs量级光子源系统与新近发展起来的铁电晶体QPM方法相结合,是全光纤光参量技术的新趋向,因此,已成为光频变换技术的研究重点。
本项目的主要研究内容是:
A 研制具有高重复率、窄脉宽的MLEDFL,研究利用光纤压缩脉宽与超连续光谱技术,为大容量和超大容量光纤通信、超高速全光处理技术与器件研究等提供优异的光子源;
B研究光纤光子开关技术,包括:SPM自光开关,XPM或XGM全光逻辑门,XPM或XGM致锁模光纤激光器作时钟恢复、时钟提取器、OTDM解复用器,和XPM 或XGM致全光波长转换等。为OTDM与WDM高速网的实验研究提供关键器件;
C 研究光纤光频变换技术,包括传统非线性光学中的光参量发生(OPG)技术以及光频上转换与光参量放大(OPA)宽可调谐频率下转换技术等。
本项目预期达到的目标是:
A 应用光纤激光技术,结合光纤脉宽压缩技术,研制出重复率可达20GHz、脉宽为亚ps~ps的MLEDFL。进一步应用光纤超连续光谱技术,研制出平坦宽度达100nm的SC光子源及创新性扫描SC光子源;
B 利用光纤的三阶非线性和XGM效应,研制出亚ps~ps级全光逻辑门光子开关,在超高速率全光信息处理技术和超大容量光通信网的解复技术方面做出有特色和有创新性的成果;
C在上述光纤光子源技术基础上,利用光纤光频变换技术,结合新近发展起来的LiNbO3周期极化(PPLN)技术,研制出高转换效率(>30%)和中红外宽调谐范围的超短脉冲光参量光纤光子源,它们在感测技术、红外光谱技术、新一代中红外光通信技术乃至光子计算机方面很有应有价值。
本课题的研究内容总体上对掌握未来Tb/s速率超大容量光通信及其网络系统的关键器件与技术有重要意义。
4-3 短波长软x射线光学基础技术研究
软x射线与硬x射线并无明确的界限,一般认为,波长在1nm到30nm之间为软x射线区。x射线发现后,很快在硬x射线区取得了很多重要的应用,不久就有不少科学家致力于软x射线区的开发。不同研究领域的科学家,采用不同的方法和技术,分别从短波端向长波端和从长波端向短波段逼近。光学科学家将光学方法和传统的光学技术用于软x射线研究,近一、二十年取得了长足的进步,光学技术的应用正在不断从长波向短波推移。
一般讲,光学技术主要是研究光的产生和光在传输转换中所需要的各种元件与系统。软x射线的产生,过去主要使靠x光管。六十年代同步辐射的兴起,是一个转折点。规模庞大的同步辐射实验室在各先进国家相继建立,各种应用也随之风涌而起。但光学元件还是靠掠入射条件下使用的可见光反射镜。七十年代后期以来,随着超薄膜制备、超光滑表面加工、微细加工等技术的进步与完善,多层膜反射元件、波带片做衍射元件、 Bragg-Fresnel衍射-反射元件等逐步走向成熟,加之等离子体x射线源的小型化以及对x射线激光研究的深入,使软x射线光学面临一个新的发展阶段;同时,也标志着软x射线的应用有可能走出国家级实验室面进入常规部门乃至社会。
对软x射线的应用,人们最早把注意力集中在显微分析上,后来在x光望远镜、x光光刻等方面吸引了不少研究者。这些应用,从原理上讲,短波长较长波长有利。但限于目前的技术水平,—些应用还不得不选择在较长波长区。例如,最有希望成为下一代大规模集成电路生产设备的软x射线投影光刻,由于多层膜技术的限制才选定工作波长为13nm。此外,最适于活生物体显微分析的水窗波段(2.3~4.4nm)更是当前x射线激光及多层膜等光学成象技术的主攻方向。
波长愈短,对光学技术的要求愈严格。光学元件要做到所需的面型精度、表面粗糙度、系统调整公差等,都随着波长的缩短而使难度变得更大。例如软x射线多层膜反射元件,在13nm附近的正入射反射率,目前国际上巳能做到65%以上,但在短波长则相差甚远。在7~10nm,反射率最高为20%,在水窗波段则反射率只能做到1~3%。这表明,在短波长,无论对光学加工还是光学检测,都面临严重的挑战。
本项目主要研究内容包括两个方面:
A 对10nm的软x射线多层膜技术研究
a, 短波长软x射线多层膜最佳的材料组合还没有象13nm以上波段普遍采用Mo和Si那样准确的。膜系设计既要考虑材料的物理特性(光学常数),又要考虑制备性能(如最小成膜尺寸、界面扩散)。由于波长短,很多因素都对多层膜性能十分敏感,诸如表、界面粗糙度,膜厚控制误差和界面老化机制等都要考虑在内。
b, 多层膜制备工艺和技术是实现优质多层膜的关键。目前,短波长软x射线多层膜实际反射率比理论值低很多,主要是由于波长短,要求极低的表面粗糙度、极高的膜厚控制精度和清晰的多层膜界面。研究短波长软x射线多层膜的制备方法,探索高精度膜厚控制及膜厚定标技术,寻求最佳的镀膜工艺参数,控制材料间扩散,保持界面光滑清晰,对制备出高质量实用多层膜极为重要。
c, 完善现有的超光滑表面加工与检测方法,为短波长软 x射线多层膜制备提供必需的基板。
B 软x射线反射成像研究
a, 发展适用于短波长软x射线成像用的激光等离子源。研究不同打靶参数(脉冲宽度、激光波长、靶面功率密度)的软x射线线谱,优化工作参数,提高短波长软x射线的辐射输出。重点比较与研究水窗波段软x射线线谱和连续谱的发射,并研究减少碎片产生的有效方法。
b, 研究高分辨率成像系统有关的技术,探索高面形精度和低表面粗糙度光学表面的加工与检测新方法,解决多块多层膜带宽匹配问题和球面多层膜表面均匀性问题,研究反射成像系统性能测试理论和技术及滤光片制备技术,提高反射成像系统的分辨率。
通过本项目的研究,①将在短波长软x射线多层膜研究方面,不断为国内和国际上的x激光研究及其它应用提供高质量的反射和分光元件;②建立小型的实验室用激光等离子体软x射线源及高分辨率正入射软x射线成像装置。这些成果,将为全波段软x射线的进一步开发利用建立技术基础。









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