光子学的重要分支学科

bomoaa

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。