光学迈向21世纪——光子时代的到来2

那么，光子学和光子技术所显露出来优越性究竟表现在那些方面呢？

响应速度快

光子器件及其系统的响应速度快，光开关器件的响应时间最快可达10^15秒，即飞秒（fs）量级，而目前电子器件及其系统的响应时间最快达到10^9秒，即纳秒（ns）量级，且几乎到了其固有极限值。前后比后者几乎高出6个数量级以上。目前科学技术水平已能获得十几个飞秒的光子脉冲。光子信息系统的运算速度要大大超出现有的电子信息系统。显然，这一点在未来的信息时代的各种关键技术上将发挥巨大作用，尤其在计算机技术中将会促成根本性的变革。1990年1月，美国贝尔实验室完成了世界上第一台数字光处理器，其中核心部件的光开关速度达到每秒109次/秒。这种高速度运转及其平行处理特征为其发展和应用展示出十分诱人的前景。

传输容量大

光子技术的信息传输容量大。光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，带宽和连接性的彻底改善将使系统的信息交换和传递更加通畅。这一优异特性已在现代光通信中得以充分体现，或者说近十年光纤通信的迅猛发展恰恰是光子技术促成的。光子学与光子技术已进入了当代信息技术最重要的一个领域：光纤通信。光纤通信的容量从原理上讲比微波通信大1万倍到10万倍以上，一路微波通道可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号；而一根光纤则可以同时传送1干多万甚至1亿路电话。目前已完成了第一代0.85μm波段与多模光纤，第二代1.3μm波段零色散与单模光纤至第三代1.55μm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。传输容量从1978年的10Gbit／s．以每年增长10倍的速度提高，到1986年1Tbit／s.T比特／秒超大容量传输立足于波分复用（WDM）和光学时分复用技术的发展。美国、日本实验室均已报导采用55X20Gbit／sWDM技术实现Tb/s超大容量的传输，预计21世纪初将投入使用。此外，在传输模式上已打破常规的强度调制/直接检测的方式，相继推出了相干光通信、复用光通信、光孤子通信以及量子光通信等等，特别是近年来在光纤放大技术上的突破，使光孤子通信变成了现实，开创了世纪性的前沿传输系统，它为全光和最终距离无限的超高速通信带来了希望。

存储密度大

光子技术在信息存储领域的潜力令人刮目相看。以光存储的光盘已进入多媒体终端乃至千家万户；光盘存储的基础是光记录介质和精密伺服系统，更高的存储密度、更高的信息率（存入、取出）、高速数据传送是其发展的方向。光存储信息容量大，可靠性强，存取速度快，成本低且应用范围广。光盘、光卡的存储容量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨损，不受外界磁场、温度影响，可靠性强。近年来，光盘以其数据存储密度高、误码率低、可靠性好及适应性强诸多优点而倍受大众的青睐。目前，一张200mm双面光盘，其厚度不超过2.4mm，则可存储两部电影的全部声像信息。随着可擦可录的大容量光盘的普及，价格低廉、复制方便的光盘将格外受到重视。科学家们认为，光盘已成为20世纪继汽车、电视、微机之后的又一项引人关注的重要发明。特别要提及的是，利用光子学方式可以实现三维立体存储，其容量之大，令人惊叹不已。一旦其关键技术取得突破，其无与伦比的优势便会立即显露出来。

处理速度快

信息处理是光子技术最重要的潜在应用。在光计算机中，同电气布线相比较，由于光的频率高，故可高速传递信息，而且利用多重波长，信息二维并列传送等，使信息传递能力大大提高。作为计算机的前处理技术还有模拟光计算，并列数字光计算等。用光纤方法的极好的并行性，可以同时并行处理二维信息，三维并行互连及并行处理，能克服冯．诺依曼结构的电子计算机的瓶颈效应，特别有利于图像信息的处理、传输。用光学方法可演示神经网络的图像识别和复原的功能，具有并列信息处理、学习、自组织化机能的光神经网络正在开发中，尽管目前还处于初期的试验阶段，作为光布线技术，有光间联结的研究。由于光可以进行并列处理，并且不需要阻抗匹配和不需要布线回路，故可进行高速信号调制等。这些优异的特点，超过了以前电气布线的极限，使高速处理系统得以实现。

微型化、集成化

微光子技术与光子集成（PIC）同微电子技术和集成电路（IC）一样，将得到大发展。微光子技术利用涉及梯度折射率光学、衍射光学、纤维光学等许多分支。已研制出的许多元器件，包括自聚焦微透镜阵列、光纤面板与微通道板、软X线光刻及光互连用微小光学阵列器件等等，由于光波的波长短，光子信息系统的几何尺寸将大大缩小。光子集成（PIC）的特点是，它将有源光电子器件（如半导体激光器、光放大器、光探测器）与光波导器件（分／合波器、耦合器、滤波器、调制器、光开关等）集成在一块半导体芯片上，构成了一种单片全光功能性器件。这从根本上改变了集成光学、光电子集成中有源无源器件分别集成后再用光纤连接的弊端，从而使器件在体积、功耗等众多方面更具有竞争力。在有源器件方面，仅就信息处理单元来说，其元件的微小程度已远远小于集成电路中的电子元件。例如，单量子阱激光器成量子点处理元件的尺寸约在十分之一微米之下。小尺寸是光子技术的一大特点。光学、电子学及固体物理学之间的区别将变得模糊，实际上这三者已在原子水平上达到集成化。未来的光子信息系统将足够灵巧和可靠。

下面列出20世纪光子学的6大进展：

半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究得到了迅速发展，有机半导体材料取得突破性进展，即将进入实用化阶段。

由于垂直腔面发射二维激光器的问世，使谐振腔理论和器件取得突破性进展，使在1平方厘米的芯片上制作100万个激光器成为可能。

非线性导波光学的发展，在光纤通信上导致几项重大成果：掺稀土光纤放大器、光纤孤子通信。密集波分复用（DWDM）技术和光纤光栅技术，采用全光通信系统，传输速率将达到100Gbit／s以上，将加速全球信息高速公路的实现。

光子晶体和光子材料有新进展和新突破，用光子晶体可制成各种光子控制器件。

光子集成是21世纪光子器件的必然趋势。

在对光子的控制上，光的压缩态和光子数态将把噪声压缩到低于量子噪声，为超高精度、超微弱信号测量和保密通信带来新的前景。

综上所述，不难看出，利用光子技术形成的诸多器件或系统在响应速度、传输容量、存储密度、处理速度以及在微型化、集成化方面，或者说在信息科学利用所关注的几个重要指标上都显示出明显的优势。因此可以毫无疑问地讲，光子工程与光子产业的潜力是巨大的，前景是诱人的。科学家们曾经指出，21世纪的三大产业是生物工程、材料科学与光电子。这就是说，光子学及其产业具有时代标志。

光子学和光子技术将与电子学和电子技术一样作为信息载体或作为控制手段在应用技术和工程上发挥越来越重要的作用。我们大家都感觉到，世界正从工业化时代进入信息化时代，特征是由于电子技术和电子计算机等新技术的发展，过去靠人的监控来完成的主产效果或过去无法做到的事，现在人们有条件可以用物化了的智能系统实现监控并作为人的脑力劳动的扩充来完成。过去工业化把眼光主要放在机械设备上，而今天已走出机械化的过程，主要把眼光放在生产过程的信息化程度上。这就是说，整个生产机制有了拟人的形象。我们知道，在人的感官活动中，眼睛的作用要占到70%～80%，眼睛的作用在于能输入图像，感受周围的系统环境的信息并以图像的形式做出表达。因而在生产活动中，生产机制的拟人化必须有光电过程和光子技术。正因为这样，我们越来越看到光子的作用。在整个信息技术的体系中，没有光子学和光子技术是不完备的。发展光子学和光子技术，是信息科学时代的需要和必然。

迈向新世纪的光电子产业

光电子产业是21世纪的主导产业，是富国强民、增前我国综合国力的战略性产业。

光电子技术产业化的技术内容

作为光子产生、控制的激光技术及相关的应用技术：各种激光装置的设计制造技术、光放大技术、光调制、光开关、光滤波、光耦合、光稳频、光锁模、光限模、光调制与解调和光互联等技术。

作为光子传输的波导技术：光纤制作与应用技术、有源和无源光波导技术、光纤通信网及相关的光电器件、光纤传感技术、非线性聚合物波导互联技术。

作为光子探测和分析的光子检测技术：光电子成像技术、光谱分析技术、激光光谱技术、光计量技术、光电探测技术。

光计算与信息处理技术：光计算技术、光互连、激光雷达、激光测距、光制导和光陀螺。

光子存储信息的光存储技术：磁光记录、三维存储技术。

光子显示技术：无源液晶显示、有源液晶显示、电致发光，场致发光、等离子体平面、阴极射线管、发光二极管、三维全息显示、激光投影显示、硅芯片上液晶显示等。

利用光子与物质相互作用的光子加工与光子生物技术：激光材料加工、激光分离同位素、激光热核聚变、光诱导化学反应与气相沉积、激光育种与遗传变异、激光医学诊断与治疗。

 
迈向21世纪、市场巨大的光电子产业

光电子技术的发展极大地推动了光子学本身的发展并加快了光子科学技术向其他科学技术领域渗透，将形成市场可观，发展潜力巨大的光电子产业：

光纤通信产业；

光显示产业；

光存储——光盘产业；

光机电一体化产业；

激光材料加工与合成产业；

办公自动化与商用光电子产业；

激光医疗器械产业；

激光器件产业；

激光全息产业；

光电子成像产业；

光子检测产业；

军用光电子产业；

光子材料产业。

预计有重大发展前景的光子产业有：

光计算与光信息处理产业；

全光光子通信产业；

光子集成产业；

聚合物光纤光缆产业；

聚合物光电器件产业；

光子传感器产业。

新世纪现代光学与光子学的发展展望

今天要对新世纪中现代光学和光子学的发展作一展望，是一件困难的事。科学技术的发展速度之快，远远超过我们最浪漫的想象。这里只能谈谈目前可以预计到的新世纪光学与光子学发展的—些方向，所列举的仅仅是非常小的一部分。

光机电算高度—体化

在一个高度发达的信息社会里，迫切要求对来自各方面的复杂信息进行实时、高速采集，数据处理和自动控制。如对高速运动或瞬息短暂过程的观察、记录、显示和储存；对复杂的二维和三维物体的形状和尺寸的识别、精确测量；对宏观或超微细图形的分析和判读。特别是对于太空、深水、高温、有害气体、核辐射等人类难以长期接触的各种特殊工作环境，都需要现代光学与光电子学来解决，如在轧钢生产过程中，被测对象温度高达100℃以上，运动速度每秒数微米并伴有振动，高温氧化层飞溅，冷却水珠水雾弥漫，强电磁干扰和环境高温，在如此复杂的环境下，要对生产线上的钢材尺寸进行在线测量和控制，极其困难。目前最好的解决办法是采用光电检测，用激光扫描法。CCD热轧钢在线测径系统已成功地应用在生产线上。又如日本某炼油厂内遍布光纤光缆，全部用光电观测设备构成厂区的局部监控信息系统，成功地利用了光电技术的防爆特性，实现了综合管理，对炼油厂内的事故灾害防患于未然，确保安全生产。由此可见，现代光学和光子学对生产实践过程中的自动监控、图象分析、精密测量、信息处理和传输、能源利用、微观探索等各个领域发挥着越来越重要的作用。因此，未来社会对现代科学仪器要求光机电算高度一体化，英文命名为optomechatronics，它是光学、机械、电子、计算机等领域的高度融合。随着激光、光纤、微电子、计算机高分子材料以及软件等技术的发展，光机电一体化仪器将层出不穷。

超快速技术

超快速技术将取得飞速的进展。它产生一个在皮秒（10-12sec）和飞秒(10-15sec)数量级范围的非常短的激光脉冲，这个脉冲快到如此的程度，一个几百飞秒的光程仅是穿过人的毛发的直径（毛发的直径大约在10—100微米之间）。这个技术起初是一些较为复杂的瞬态激光系统，在实验室得到应用，近来发展到固体和半导体激光器，它使光源的尺寸缩小了，运行的复杂性也减小了，对研究人员用这种脉冲去进行研究更容易了。飞秒激光器提供了非常短的时间间隔内的相当高能量的脉冲，因此，比起其它技术来，任何由于热弥散引起的效应以及相关的损伤能被减小到最小程度。实际上，超快速激光器能够穿过普通炸药的被压挤的小球进行切割。超快速激光器能在钢上或其它微机械的材料上钻一小孔而不会产生附加的损伤。例如，为生物试验和光学信息处理已经试制出带有微米量级的运动部件的微机械的样品。但超快速微加工仍然是一个相当新的领域，仅仅是刚走出实验室，期待着人们进一步开发。

显示技术

显示技术将有很大的进展。除了高分辨率电视（H0TV）外，利用全息技术的动态图像的三维显示，将有可能发展成三维电影和三维电视。我们知道，双眼立体视觉是利用左右双眼分别观察有视差、观察图像时有立体感的方法。而在微透镜阵列方式中，利用多个半圆锥状的圆柱小透镜排列在板上，在各自的焦面上，有左右视差的图像呈条状排列，从而实现立体视觉。这种原理，用于显示的意义深远。目前，在日本已有排列微透镜板的8眼式三维电视和用110英寸反射型微型透镜屏幕的9眼式三维电视等。

在显示技术方面，红、绿、蓝光输出的发光二极管（LED）已经在一些全彩色显示上得到应用。当集成度提高，价格下降和制作更为容易时，有源矩阵液晶器件，将会得到更进一步的推广。而“电子报纸（Electronic paper）已经在实验室中得到成功，随着电子显示器件的进展，它可能会发展到商业化，将能提供象报纸那样的方便和灵活。

光脑

新的世纪将是光脑发展的时代。今天我们可以大胆地预言，在21世纪，光脑（光计算机）将有可能取代电脑，光脑在哪些地方优于电脑呢？

光脑的并行处理能力强，具有超高速运算速度，其运算速度比电脑快1000倍。众所周知，对于电脑来说，电子是信息的载体，它只能通过一些相互绝缘的导线来传导，因之，尽管现今的电脑的运算速度不断提高，但电脑的能力极限还是隐约可见的。那就是在最佳情况下，电子在固体中的运行速度远远不如光速。电子传播的速度为593公里／秒，而光子的速度为30万公里／秒。

巨大的信息流量要求极高速的处理技术。目前，电子计算机运算速度的大幅度提高将期望光子互连技术的应用。由于光互连延迟将由光子的传播速度所决定，至少可以提高三个数量级，达到皮秒的水平，突破电子逻辑门开关速度的局限，单机运算速度有可能达到每秒1011次。

超高速电脑只能在低温状态工作，而光脑在室温下即可工作。对于电脑来说，无论微电路中的电流是多么微弱，但随着装配密度的提高，散发热量也在不断增加，使导体之间产生电磁作用，从而制约电脑的运行速度。

光脑利用光子传递信息，不需要导线，即使在光线相交的情况下，它们之间也丝毫不会相互影响。

一台光脑只需要一台电脑所需能量的一小部分就能驱动，所产生的热量大大减少。

目前，光脑的许多关键技术，如光存储技术硅基微电子芯片仍然会是超高速计算机的心脏部件，光子互连如能立足在硅基材料上实现，发展硅基光子学无疑对光电子产业化将会带来革命性的突破。有了光互连技术的应用，人们就可以把全息存储、光学变换等光学技术引入到电子计算机信息处理过程中，这将大大地拓展电子计算机的功能，（光存储芯片已问世，芯片存取速度每秒10亿字节）、光互连技术、光电子集成电路等正在获得突破，其难度是相当大的。而当前迫切的任务是最大幅度地增加光计算机的运算能力，即光开关的数量。

光纤通信

20世纪最值得称道的成就之一是信息技术的发展，人们从来没有像现在这样感受到工作与生活不能离开通信，但展望新世纪最令人难以预测的还是通信技术的发展。因特网的兴起动摇了电话业务的主导地位，百年传统的电信网面临宽带化、分组化、个人化的压力与挑战，通信技术的发展进入了新时期。全球因特网用户数近年来以年均30万人的速度在增长，过去一年新增用户3000万。总数达到约1．5亿，预计到2001年，因特网的业务量增长的速度更快，几乎每半年加倍。要求网络传送与接入的带宽也以指数规律增长。光纤的传输能力和潜力正好满足这一需要，因此，以光网络为代表的宽带传递与接入技术，理所当然地成为下一代传送网的基础。在21世纪，光纤通信将以一日千里的速度向前发展。

20世纪90年代对纤维光学工业是个好日子。光学工业现在控制着长距离互联网的核心，这是由于三个事件：第一，密集波分复用技术（DWDM）使光学纤维在长距离通信上携带空前未有的通信量；第二，互联网的出现使这样的高带宽的容量成为可能；第三，一种无限制的世界范围内的浪潮打开了千万个新通信服务提供者的大门，其中的大多数欢迎客户上光网络。

光纤通信提高容量的措施转到密集波分复用（DWDM），即在一定的波长窗口内，每隔0.8nm（或其倍数）安排一个波长，例如每个波长传播2.5Gbps，则光纤上的8个波长的等效的总传输速率为（8×2.5）Gbps，目前可商用的水平，我国为（32×2.5）Gbps，国外如朗迅公司为（40×10）Gbps。实验室中的水平则已超过Tbps。

如上所述，光纤通信是光子技术画具代表性的重大成就。人们曾乐观地估计，随着密集波分复用技术（DWDM）、码压缩等技术的应用，一根光缆所荷载的容量就足以满足全球的话音通信。未来信息化社会人们如何工作、生活，现在还难以想象得到，但诸如可视电话会议、全自动化无人操作工厂、全球信息联网等必将到来。一台个人计算机加上一台电视机甚至就能真正做到古人所云的“秀才不出门，全知天下事”，对股票行情、商品应市、娱乐节目、科技进展和天下大事，了如指掌。正在迅速发展的多媒体光通信技术就是这种超大容量的信息联目的基础；信息高速公路就是实现全社会信息化宏伟目标的一项措施。

微光学和衍射光学

微光学和衍射光学随着光学工业对微型化的要求和微电子技术的发展，将有更大的进步。微光学是研究微米级尺寸光学元件或光学系统的现代光学分支，是在基底材料上用光刻、波导及薄膜技术制成的光学微器件；衍射光学是基于光的衍射原理发展起来的微光学，衍射光学元件是采用光刻和微细加工方法，用电子束、离子束或激光束的刻蚀技术制作而成，这就使透镜的批量主产变得容易。微光学特别是衍射光学的发展，使光学得以创新，使传统光学实现微型化、列阵化和集成化成为可能，使宏观光学元件转化为微光学元件和具有处理功能的集成光学组件，从而推动光学仪器发生根本性的变革。

探测器与成像器件

探测器与成像器件随着科技水平的提高与国防建设、经济建设的需要，将会有日新月异的发展。总的说来，未来的探测器和成像器件向着高增益、高分辨率、低噪声、宽光谱响应、大动态范围、小型化、固体化以及真空与固体结合的方向前进。各种元器件在性能上将有很大的改进，如将会出现8K×8K高密度的CCD面阵；灵敏度达3000um以上且向红外波段扩展的新型光阴极；方形通道、弯曲通道与长寿命、高增益的微通道板以及新型电子倍增器与靶面；高密度（4K×4K）和高位置灵敏度（<1um）的MCP读出系统以及红外焦平面和非致冷探测器阵列，这一切将使图像增强、低照度摄像、光子探测祁红外热线像等技术跃上新的台阶，其前景将十分辉煌。

集成光学

集成光学是继激光问世以后，从七十年代初开始迅速发展形成的一门边缘学科和新兴技术。集成光学是研究以光导波现象为基础的光子和光电子系统。在这种系统中传送信号的载波是光导波，系统的连接通过光波导和光纤，系统的元件是光波导器件，它如电子器件所经历的发展阶段一样，由分立向集成演变。集成光学系统包括：光的发生、耦合、传播、开关、分路、偏转、扩散、准直、会聚、调制、放大、探测和参量相互作用等过程，能获得信息处理的一般和特殊功能。由于集成光学系统具有体积小、重量轻、坚固、耐震动、不需要机械对准、适于大批量生产、成本低以及宽带宽、信息量大、损耗小、速度快、能平行处理、抗电磁干扰等优点，因而在光通信、数据传输、光纤陀螺、光信息处理、计算机和自动控制等领域有着极为广泛的应用前景，是当今信息社会的一个重要技术支柱。

在21世纪中，现代光学与光子学积极参与解决的科技问题有：信息高速公路、研究微观世界、增强国家实力（国民经济与国防建设）、光电子进入家庭、探索宇宙、人类健康、能源问题和农业问题以及可持续发展项目（环境、防灾、资源维护、保健医疗等）。现代光学和光子学的未来，不仅仅是国民经济和国防建设，更重要的是利用光子学技术解决人类的健康问题。为了使地球上60亿人口都能过上健康的生活，还需要解决最基本的问题即能源、资源和土地。下面主要谈谈现代光学与光子学在解决人类健康与农业问题的前景。

光子学与生物学—研究生命科学

我们知道，生物的基本单元是细胞。细胞里有各种东西，据说有2、3千种。在细胞里，自己要生产自己需要的东西，要根据外界的刺激决定自己的行动，或者向外发布信息等等，无所不有，象一个独立王国。一个标准体重的人，大约有60万亿个细胞。这60万亿个细胞互相联络，控制整个人体的活动，如血压是多少，体温又是多少。人在意识上能够主观控制的东西很少。现在说是“我”在说话，实际上是60万亿个细胞在指挥“我”讲话。由于这60万亿个细胞在人的感觉控制之外，细胞之间在自我判断，或是从外面得到信息指示“我”如何如何讲。细胞里有DNA（脱氧核糖核酸），DNA呈双重螺旋结构，由被称为A、G、C、T、的4

种碱基组成。碱基有吸收光谱，其荧光寿命小于10皮秒（10-12秒）。因此需要亚皮秒或飞秒（10-15秒）级脉冲即研究瞬态光学来准确测量这些碱基的光谱和荧光寿命，这样我们就能准确地认识分子。生命现象的基础是蛋白质，而蛋白质的结构又是由这么这一遗传因子所决定的。可以说生命是取决于遗传因子这一物质的作用。科学家设想用光来控制遗传因子，继而就能控制生命和物质。

人的大脑里，大约有1千亿个神经细胞，信号从一个神经细胞传到另一个神经细胞时，经过一个叫突触的接点。这个接点实际上是不连续的，其间的信息由神经物质来传递，也就是说信息是由“物质”传递到下一个细胞的。同样可以说，大脑或心灵的活动也是由这种神经传递物质所控制的。心灵活动既然是基于物质的作用，那么它也可以由光来控制。不管怎样，生命科学还迟迟没有搞清楚，这是由于光还没有搞清楚。人们期待光学领域的专家有朝一日能够取得突破。

光子学与化学—飞秒化学

我们知道，化学反应是物质运动和变化的主要形式之一。人类对化学反应的认识经历了从宏观到微观的漫长过程。直到20世纪30年代，人们才在单个分子反应行为的基础上，提出了化学反应的过渡态理论，把化学动力学的研究深入到微观过程。这里的过渡态只是一个理论的假设，反应物越过这个过渡态就形成了产物。飞越过渡态的时间尺度是分子振动周期的量级，被认为是不可能通过实验来研究的。因此，在化学反应的路径上，过渡态就成了一个打不开的暗箱，破不了的“谜”。

1980年飞秒激光器研制成功，为过渡态的研究带来希望。飞秒激光器可以产生几十至几百飞秒（1飞秒=10^-15秒）宽度的激光脉冲，这正是化学反应经历过渡态的时间尺度。美国加州理工学院的泽维尔（Ahmed H.Zewail）教授率先应用飞秒光谱研究化学反应的过渡态的探测，并取得了世人瞩目的成就，获得1999年诺贝尔化学奖，从而开始了一门飞秒化学新学科。

飞秒激光脉冲如同一个飞秒尺寸的探针，可以跟踪反应过程中原子或分子的运动和变化。实验是在分子束条件下用所谓泵浦和探测（Pump and Probe）方法实现的。一个飞秒泵浦激光脉冲先把分子激发到较高的能态，然后用另一个选定波长的飞秒激光脉冲探测这个已被激发的分子。泵浦激光脉冲同时也是反应的起动信号，探测激光脉冲作为探针考察分子的变化。改变两束激光脉冲的时间间隔，就可以看到原来被激发的分子的演化，包括通过一个或几个过渡态。所记录的光谱就是演化分子的指纹，就好像用一台超高速摄像机把化学反应中分子的运动以卡通图像的形式拍照下来，用光路延迟可以实现飞秒级的时间间隔控制，100飞秒的时间延迟相当于镜子移动0.03毫米。光谱指纹随时间的演化需要与理论模拟进行比较才能对反应体系的演化过程有更好的了解。

泽维尔教授及其小组用飞秒激光泵浦和探测方法，研究了若干不同类型的反应体系。他们用飞秒超快“摄像机”把反应的动态过程“拍照”下来，终于在艾林和波拉尼提出过渡态理论半个世纪之后，看到了这个曾经是假想的过渡态，打破了过渡态实验上不可能观测的预言。随着反应过渡态这个暗箱的门被打开，从反应物经过中间的过渡态到产物的全过程的图画就展现了出来，过凌渡态不再是看不见的“谜”，化学反应的机理也就昭然若揭。用飞秒光谱研究化学反应正在世界范围蓬勃发展，已经形成物理化学的一个新领域——飞秒化学。目前，飞秒化学已经应用到化学的各个领域和邻近的学科，不只是利用分子束研究气相反应，已经扩展到表面（了解和改善催化剂）、液相（了解物质的溶解和在溶液中的反应机理）和聚合物（发展新的电子材料）的化学过程，乃至当今世界最活跃的领域——生命科学（光合作用、药物合成以及生物电子器件）。

光子学与医学—医治老年痴呆症

老年痴呆症是大脑退化的病，由于它的不确定性使周围的人感到困苦和忧伤。这种疾病使人丧失记忆，举止和行为失常。这种疾病的开始和发展以及它对大脑的物理效应都不清楚，只有在尸体解剖后才能了解一些器质上的变化。因此，寻求一种方法对大脑进行非损伤性的诊断，将对病人和家属都有好处。

探测这种疾病变化的一种方法是用红光探针，因为皮肤、血和骨头在600nm到1300nm之间波长透过的很好，故科技人员用647nm波长的探针透过头敲骨进入大脑，在那里它使组织发出近红外的荧光。这个荧光光谱返回并诱过头盖骨被收集进行分析，带回来健康和疾病组织的一些特征形状。这个技术称为近红外荧光光谱术，它是完全非损伤的。红光的光源是一个光学参数振荡器，是由一个三倍频Nd：YAG激光器发出355nm的光抽运的。纤维光学探针引导647nm的光到头盖骨，探针的周围有6条光纤把荧光引出到光谱仪上，在那里光谱被液氮致冷的电荷耦合器件阵列所捕获。全息凹槽滤光片在进入的切口处滤出647nm的光，且允许收集光谱数据在几纳米的探针，波长在640-1000nm。最后，平均为三次2．5秒曝光获得光谱。医生说：“用这样的仪器，也许能完美地测量出服药与不服药病人之间这种疾病变化速率的差异。”光谱术也许有朝一日会成为对付这种疾病的有力武器。

光子学与农业

光子学技术还可以应用到农业方面，在日本滨松光子公司的一个植物实验工厂，利用半导体激光器种水稻。实验表明，已经看到收5季稻的可能性。在植物工厂里，没有病虫害的影响，如果考虑上下5层以及将种植密度提高5倍，总收获量可期望提高625倍，这对于人类将是巨大的贡献。激光对有机体的作用是相当复杂的，原理尚未搞得很清楚，大致认为激光是通过光、热、压力和电磁场等效应对有机体发生作用。预计在激光育种、作物生长期照射处理、激光灭虫等领域有巨大前景。

再如光电遥感仪器帮助人类解决目前所面临的能源、粮食、气象预报、环境监视等重大问题。美国在70年代先后发射三颗陆地卫星，花了2.5亿美元，但获得经济效益比此大得多，其中用遥感仪器监视洪水、改造良田、探测农作物病虫害、改进油田探测及小麦估产等5项，每年经济收益达15亿美元以上。

结束语

展望21世纪我们我们可以肯定的，任何最大胆的预测都将赶不上未来光学（光子学）的飞速发展。我们现在应该想的是，如何适应信息时代发展的潮流，把握国际上光学发展的新动向，使我国的光学赶上和超过国际先进水平。为此，我国要大力发展光子技术和光子工业，面向国际市场，在国际竞争中占有一席之地。我国的光学面向服务于“四化”的信息化；面向国防现代化，面向集约性经营，以及面向可持续发展：人民教育、保健医疗、生态环境、防灾、海洋、资源保护等。

现代光学和光子学正在对高科技、国防建设、国民经济与人民生活产生巨大的影响。可以预期，光子学技术在21世纪将会像20世纪微电子技术那样迅猛发展。让我们一起为创造现代龙睛（指世界意义的信息时代）而努力吧!

参考文献：

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作者简介：

1王大珩，中国科学院院士和中国工程院院士，应用光学家。历任中国科学院长春光机所所长、长春光机学院院长（兼）、哈尔滨科技大学校长（兼）、中国科学院技术科学部主任、研究员、中国光学学会理事长等职。一直从事光学研究和科研的组织领导工作，在应用光学、激光技术和空间遥感技术等方面有很深的学术造诣，为发展祖国的尖端武器而研制的各种大型光学观测设备做出了杰出贡献。曾荣获1985 年国家科技进步特等奖，名列首位；何梁何利基金1994 年度科学与技术成就奖、1999 年国家“两弹一星”功勋奖章。

2周立伟，中国工程院院士，电子光学与光电子成像技术专家，国家级有突出贡献的专家，北京理工大学首席专家、教授、博士生导师。历任教研室主任、系和分院学术委员会主任、校学术委员会主任等职。兼任国务院学位委员会学科评议组成员，中国光学学会副理事长等职。一直从事教学与科学研究工作、为我国夜视像增强器设计、独立研制做出了突出贡献。学术论文有百余篇次被四大检索系统等收录和引用，专著（宽束电子光学）曾荣获三项国家级图书奖励，研究成果曾荣获多项部级和国家级科技进步奖励。

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