用光学和光子学打造光明的未来

作者： 刘润生 张丽娟

2014年07月09日 来源： 学习时报  

    光学和光子学是应用于通信、计算、制造、健康、能源、国防、农业等诸多领域的关键使能技术，受到美国、欧盟、俄罗斯等主要国家和地区的高度重视。2014年4月，美国国家科学技术委员会公布了光学和光子学快速行动委员会（由16名成员组成，其中6名来自军方）的报告。

    五项“大挑战”

    美国学术界、产业界和政府对审势本国光学和光子学研发活动、识别和设定科研重点的兴趣一直在增加。在2013年出版的《光学和光子学：对本国至关重要的技术》报告中，美国国家研究委员会（NRC）提出了美国光学和光子学界面临的五项“大挑战”。

    一是如何发明出使光网络容量再提高百倍的技术？

    二是如何为通信、传感、医疗、能源和国防应用领域开发出一种无缝集成的光电子装备，作为系统芯片低成本制造和封装的主流平台？

    三是美国军方如何开发必要的光学技术来支持广域监视、目标确认和图像分辨率提高、高带宽自由空间通信、激光打击和导弹防御？

    四是如何使美国能源利益相关方实现到2020年全国太阳能发电平价并网，与化石燃料发电竞争？

    五是如何开发出新的光源和成像工具，使制造精度提高一个数量级或者更高？

    快速回应

    为回应美国国家研究委员会的报告，美国国家科学技术委员会物理科学分委会于2013年春设立了光学和光子学快速行动委员会（FATC-OP），要求其在基础研究和早期应用研究领域寻找联邦投资和部际合作的机遇。该委员会在120天里每周召开一次会议，邀请专题专家和主要科技协会代表对未来十年进行技术展望，并确定十分重要的基础研究和早期应用研究领域。

    根据这些情况介绍会，光学和光子学快速行动委员会提出了一系列重点建议。这些重点建议分为研究机遇建议和能力建设机遇建议，直接或间接回应国家研究委员会报告提出的五项首要“大挑战”问题中的四个。由于美国能源部正在大举投资“太阳能计划”以应对太阳能领域的“大挑战”问题，所以光学和光子学快速行动委员会不直接回答该问题。

    该委员会认为，其建议具有广泛的促进意义，能为重要技术机遇、国家优先重点和重点经济领域作出贡献。例如，最优先的科研需求——生物光子学和透过复杂介质成像是美国总统宣布的脑计划以及美国国家生物经济路线图的基石，因为它们将会促进开发新的光学和光子学工具，用于脑电活动成像及控制，用于在分子和亚分子水平绘制蛋白质和蛋白质互动图谱。又如，可利用的制造设施与纳米光电子学为光网络容量再提高百倍开展研究，并提供科研能力，进而为未来十年美国继续技术创新作出贡献，并使日益增长的大数据机遇成为现实。

    重点建议

    生物光子学，增进对系统生物学和病情发展的认识：支持创新的生物光子学基础研究，以促进定量成像、系统生物学、医学和神经科学、生物标记物技术和高效农业生产的进步。

    从弱光子研究到单光子研究，开发在极弱光水平工作的光学和光子技术。

    复杂介质成像，推进光传播研究，提升散射、色散、湍动介质成像技术。

    超低功耗纳米光电子，探索低功耗、阿托（10）焦耳级光子信息处理和通信器件的极限。

    为研究人员提供便于利用的制造设施，确定学术研究人员和小企业创新者对用得起的国内制造设施的需求，以推进复杂的光电子集成器件的研发、制造和装配。

    奇异光子研究，促进研发，以制造紧凑的相干光源、光探测器和光学装置，并向学术界、国家实验室和产业界开放。

    关键光子材料的国内来源，开发和获得对美国国家科技计划至关重要的光学和光子材料，如红外光学材料、非线性光学材料、低维材料、光纤材料和工程光学材料。