在香山会议中.光子作为能量载体也应是光子学的研究内容

在香山会议中.光子作为能量载体也应是光子学的研究内容

在香山会议中有的专家提出，在光子学的内容中，光子不仅作为信息的载体，光子作为能量载体也应是光子学的研究内容

刘武青效应（光源旋转效应）是光子作为能量载体来看的讲得多一点。

刘武青，三个效应，http://cqfyl.nease.net

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光子学的现状与未来

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主题为“光子学的前沿与趋势”的第23次香山科学会议于1994年10月10日～12日在北京香山饭店举行。会议执行主席为南开大学张光寅教授和董孝义教授。来自中科院、高等院校及国家自然科学基金委的包括物理学、化学、电子学、光学、信息科学及材料科学等方面的三十余位专家应邀参知了会议，其中包括王守武、徐叙榕、王启明三位中科院院士。

早在1970年荷兰科学家Poldervaart首次提出了光子学一词，并认为“光子学”是研究“以光子作为信息载体”的科学。其后，许多科学家开始使用“光子学”一词，并分别从不同角度给出了各自的定义。我国老一辈科学家钱学森、龚祖同等在七十年代末也已对光子学这一新的概念给予了高度的注视，激光器的发明为光予学的发展创造了有利条件。经各国科学家三十多年的努力，现在，光子学已有了长足的进展，它的广阔应用前景已见明朗。人们预测，在下世纪初，光子学及其技术将成为影响整个科学技术领域，所有生产制造业，乃至人们生活的关键技术之一。事实上，现已开始的世界范围的“信息高速公路”的建设工程中，光子学正在发挥着重要的作用，正是基于这一事实，光子学已经开始成为国际上广泛关注的热点。例如，在美国，政府已将光子学确定为国家发展的重点，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”，并且还肯定“通信与计算机研究和发展的未来世界属于光子学领域”；在德国，政府已确定光子学是下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。因此，这些国家己把大量的、越来越多的资金投入光子学及其技术的研究与开发。许多以“光子学”命名的研究中心、实验室与公司纷纷成立。

尽管光子学对现代科学技术所产生的和即将产生的巨大推动作用已经被广泛确认，但是光子学仍处于发展的初级阶段。作为一门重要的独立新兴学科，人们对它的研究范畴，确切的定义和内涌，以及重要的前沿与进一步发展的可能突破口等若干重要问题的认识尚没有取得完全的统一。对这些问题的探讨有助于我国光子学研究的更快开展，同时有利于促进我国光子技术与产业的发展，并与国际接轨。因此，与会专家一致认为这次香山科学会议的召开无疑是及时和必要的。

与会专家经过三天的会议就以下三个方面的问题：

1、光子学的定义、内涵、研究范畴与意义；

2、光子学中新概念、新构思、新思想及其在观念上的新突破；

3、光子学与光学、凝聚态物理、光电子学、微电子学、光化学、材料科学和生命科学等的交叉，以及由此可能产生的新突破，进行了热烈计论，介绍了光子学研究的国内外最新动向，充分发表了各自的见解与争论，提出了许多有益的建议，并在诸多方面取得了共识。

一、关于光子学的定义、内涵和研究范畴

专家们对光子学的定义、内涵和研究范畴进行了热烈的讨论，发表了各自的见解。较为一致地认为，可以概括地说，光子学是关于光子及其应用的科学。它的内容包括光子的产生、传输、控制和探测规律的研究。相当多的专家认为，光子学是光子技术的基础，具有极强的应用背景，属于技术科学性质。不少人认为，光子学是研究作为信息载体的光子及其应用的科学。有的专家提出，在光子学的内容中，光子不仅作为信息的载体，光子作为能量载体也应是光子学的研究内容。还有的专家指出，光子学作为一门新兴的学科，正处于成长发展时期，它要有一个逐步充实、完善，最后走向成熟的自然过程。在目前还不宜对它的研究范畴过早地人为划定，以利于其发展。随着光子学的发展，人们对它的认识会进一步深化和统一。也有人认为，对光子学的研究范畴早些确定，更有利于光子学的发展。

光子学的提出与发展是历史发展的必然，它是随着信息时代的到来应运而生的。在信息科学与技术的发展中，电子作为信息的载体已经做出了巨大的贡献。但是，随着科学技术的迅猛发展，作为信息载体的电子在速度、容量和空间相容性等诸多方面受到严峻挑战，开始暴露出它的局限性。而恰恰在这些方面，另一个信息载体——光子则显出它的优越性。例如，光子的响应速度可达到飞秒(10-15秒)量级，至少比电子快三个数量级；加之，光子的高度并行处理能力，高信息率等诸多优异特性，使之具有远远高出电子的信息容量与处理速度的潜力。由此，人们逐渐领悟到，必须全面充分地利用上述的两大微观信息载体(电子和光子)各自的优点，必将使目前的信息技术跃进到新的更高水平的阶段。

许多专家从科学发展的历史的角度讨论了光子学的可能发展，并与电子学发展过程作了类比。王守武院士指出，目前光子学的发展相当于50年代电子学所处的地位。当时，晶体管的诞生，由在真空中(电子能量是连续谱)控制电子转到了在固体中(电子能量是分立谱)控制电子，体积大大缩小，能耗大大降低，使电子学的发展产生了飞跃。在光子学的发展中会不会象出现晶体管那样，出现一个自己的重要里程碑? 现在光子学中出现的某些新概念、新效应和新器件，可能是好苗头，在对光子的控制手段上发生了类似电子学那时的变化，且体积缩小和降低能耗的幅度更大。这很可能使以光子作为信息载体的诸多光子学技术发生革命性的变化，进入飞速发展的新阶段。

一些专家指出，尽管目前对光子学的定义、内涵和研究范畴还存在一些有待解决的问题，但大方向已经是明确了的。当务之急是选准突破口，不失时机地积极开展研究工作，但同时也要充分认识到发展光子学及其技术的艰巨性，充分吸收已有学科发展过程中的有益经验和教训，使光子学的研究走向健康发展的道路。

二、关于光子学前沿

专家们讨论了光子学的前沿，指出有：(1)微激光器与物理；(2)弱光子学非线性；(3)光子学集成；(4)高密度充存储机理；(5)光孤子及其光子学应用；(6)超短、超强光脉冲与物质相互作用；(7)光的压缩态与光子学应用；(8)人工纳米、微米结构及其中电子态与光子态的量子限域效应；(9)单分子发光与有机材料电注入发光；(10)X射线激光等。当前应优先发展固态(微)电子学有关的前五项前沿方面的工作。通过光子学与其它学科的交叉，还应注意发展：(1)有机光子学材料与效应；（2）生物光子学；（3）超快光化学等前沿问题。在发展这些交叉学科的前沿中特别是加强有关学科间的交流与合作。专家们指出，激光态光学非线性、无反转激光、光子学数压缩态、光分子发光等研究课题都是十分重要的。

三、关于光子学的新观点、新思想

专家们讨论中指出，在光子学的发展中出现了许多新、概念概、新构思、新思想、在观念上有许多新的突破，这些新的突破促进了光子光子学本身一些“阶跃性”的发展：

1、以腔量子电动力效应新概念为指导的微激光器是光子学器件的一个新的突破。它打破了“原子在发光时自发辐射是原子的固有本性是根本不可改变”的传统观念。微腔中的电磁场与在普通体材料中的情况大不相同，腔中电磁场存在明显的空间非均匀分布和分立谱结构，也可以压制甚至完全禁戒它，并可使增强的自发发射完全进入单一的激光模中。这种对发光过程进行控制的新概念，根本上改变了激光器工作原理，使激光器的增益长度尺寸缩小到亚微米，在一平方厘米的芯片上制作一百万个微激光器完全是可能的。同时一个微激光器的阈值电流可以降低到几十微安的水平，甚至可以做出零阈值激光器。这将完全改变目前激光器的大体积，高能耗，低效率的状况，必将产生难以估量的深远影响。

2、垂直腔面发射微激光器阵列是光子学器件在集成化上的一个突破。它有利于发挥光子的平行操作能力，因而具有广阔的应用前景。对光通信，图象信号处理，模式识别和神经网络，激光打印，光存储读／写光源，光互连和光显示等方面起到重大作用。

3、光子晶体和光子的定域化在观念上是一个新的突破。虽然光子晶体也是一种人工微结构，但与已有的超晶格(控制电子态用的)不同，光子晶体是用来控制光子态的。它们可控制光子在材料的传播，甚至可以将光子控制或定域在某一预定的部位。因此，它可以做成各种光子控制器件，其应用前景十分可观。

4、在对光子的控制上，光的压缩态和光子数态，在观念上也是一个新的突破。以往的光源，包括各种激光器，都同时是噪声源，因此作为信息载体受到了限制。而压缩态粒子数态则是将噪声压缩到低于量子嗓声极限。运用这一新概念发展的新型光子源，在超微弱信号测量、超高精度测量、保密通信和量子理论基本问题验征等应用方面有独特的作用。有的专家还进一步提出了信息光子学的新概念。

5、在掺杂光纤中，利用光诱导光栅等效应，最近制作出了光纤激光器，放大器、滤波器和传感器等新的集成光子学系统，并将形成全光纤集成光子学新学科分支。

四、关于发展光子学的建议

专家们初步讨论了光子学研究可选择的一些突破口，提出的建议有：

1、光子学集成应有自己的特色，除了可仿效集成电路来发展集成光子学器件外，有可能发展一维(全充纤)或三维集成光子学器件，应创新发展有特色的光子学集成器件；

2、环绕发展信息高速公路所需要的新一代光通信系统，特别需要解决超速光交换等信息处理问题。在这里电子学技术无法去解决，光子学技米有其独到的优越之处，应在这方面抓紧开展研究工作；

3、人工神经网络的特点是它的群并行性，要求有足够大的网络规模，由于光学神经元硬件性能欠佳，严重阻碍了光学神经网络的发展。近年来微激光器阵列等光子学器件的发展使光学神经网络计算机见到了新的曙光；

4、利用半导体集成电路工艺已经发展出了一些接近实用的集成光子学器件，如波分复用光通信用光发射源。但这是在砷化镓片基上制作的，如能在硅基片上制作，则更易与目前硅基微电子器件匹配。利用Ge／Si超晶格的量子级联激光器可能是一条值得探索的新路；

5、光子学的发展与光子学材料选择息息相关。光子学材料要求有光学非线性强、响应快、损耗低等特性。有机和生物高分子材料应给予足够的重视，有可能利用其中的光色效应或光异构效应在较短时间内做出实用的光存储器、光子“晶体管”、光象放大器、相位共轭器和电发光二极管等光子学器件；

6、光子学作为一门应用背景很强的技术科学，已经发展到对国民经济发挥或即将发挥重大作用的地步。由“电学-电子学-电子技术-电子工程-电子产业”构成的电子学发展模式已经完善，大量事实表明，光子学也正循着类似的模式“光子-光子学-光子技术-光子工程-光子产业”迅速发展着。有人预计，至2010年，国际上光子信息处理器件的产值将可达到与电子信息处理器件主值相比拟的程度；至下世纪中叶光子产业将超过电子产业规模与影响作用。为了在下世纪中使我国在光子技术的国际竞争中争得一定的地位，光子学的先行发展是十分必要的。我国的一些大学与研究所在光子学及技术领域已开展了不少有益的前期工作，并取得了一定成果。但光子学毕竟是一门年轻的学科。专家们仍建议，有关科研主管部门组织不同层次的科研项目，并给予较大强度的支持，促进我国光子学及其技术更快发展。

这次香山科学会议是首次对“光子学”的全国性的较广泛的讨论。通过讨论，对发展光子学的重要性增强了认识，并初步探讨了它的发展前沿与突破口，但讨论还有待深入。专家们建议在不久的将来宜再举行某种形式的讨论会，就其若干重要的发展前沿问题，分专题进行深入的研讨，以提出切实的行动计划建议，供有关科研主管部门决策参考。

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