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发信人: pumpkin (pumpkin), 信区: Physics
标  题: 光子学发展战略
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年05月03日09:37:11 星期六), 站内信件

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:Y
AG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、L
iTaO3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(53
2nm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＞100k
m，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WD
M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(A
dvanced 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10
GHz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Alfa
no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5.5
cm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、Ho:YAG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15
00nm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:Sapphir
e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O
TDM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～p
s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1
3nm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。


原作： 王玉堂 
来源： 国家自然科学基金委员会，信息科学部 

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