光学与光子学技术是现代生活的中心。为此，联合国教科文组织已经通过了一项决议，将2015年定为国际光学年。近年来，光学与光子学技术在全球的发展和应用得到了显著提高，这对全球经济和人民是鼓舞人心的趋势，同时也对美国在这一领域的领导地位提出了挑战。本报告（《光学与光子学—美国不可或缺的关键技术》）中的各章节重点论述了自美国国家科学研究委员会（NRC）报告《驾驭光：21世纪的光学科学与工程》出版15年来相关领域的科技进步、随之产生的技术机遇和美国及国外的技术前沿现状，并提出了确保美国保持全球领先地位的建议。

——美国国家科学院

美国国家科学研究委员会

这本报告集（《光学与光子学—美国不可或缺的关键技术》）揭示了光学和光子学技术在现代社会方方面面中所发挥的巨大作用。对于中国和中国的同行们来说，本报告集还有一个特殊作用——处处把中国当做一个特别的竞争对手，几乎每提竞争必涉及中国，这本身就为我们提供了大量可供参考的数据资料。和15年前相比，中国在光学和光子学的所有领域都有了明显的进步，我们和世界先进水平的差距显著缩小，然而下一个15年呢？竞争将更加激烈，“后发优势”的效果将递减，显然，我们必须加倍努力。

——曹健林

2014年12月

《光学与光子学：美国不可或缺的关键技术》

报告内容和主要建议

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《光学与光子学—美国不可或缺的关键技术》根据应用领域的不同划分成章节，分别论述光子学对国民经济、先进制造技术和战略物资的影响。第1章是绪论(相关微信内容《美国在光学与光子学领域的五个重大挑战性问题》)，第2章讨论光子学对美国经济的影响，第3~10章分别论述某个特定领域的技术应用。在每个应用领域的论述中，通常先回顾自《驾驭光：21世纪的光学科学与工程》发表以来相关学科的最新进展，提出最新的技术机遇；然后提出发展和保持美国在全球领先地位的建议和措施，包括短期和长期目标、可能的参与者和负责的创新机构。各章节还依据各自的主题，评估美国和国外的光学科学与工程发展现状，包括公立与民营机构的研究趋势、市场需求、将光子学创新成果转变为全球竞争优势（包括小型企业经营活动）的实例、劳动力需求、基础设施建设及光子学对国民经济的影响。

本文将对第2章到第10章内容的概述，包括每章中提出的主要建议。

第2章  光子学对国民经济的影响

第2章论述光学与光子学对美国和世界经济的影响。该章以激光器为案例，讨论评价光子学发明对经济产生影响的概念性挑战。同时指出如果采用“公司级别”的数据来指证“光子学部分”在美国经济中的重要性将出现的方法问题。此外，还讨论了光子学创新流程结构性变化如何反映美国经济创新来源的广泛变化。本章亦关注了其他高技术领域的公立/民营机构及公司间合作研发的最近经验对光子学部分的影响。委员会认为最重要的发现是光学和光子学作为使能技术的普遍性。

主要建议：委员会建议联邦政府发起光子学整合计划（在很多方面类似于《国家纳米技术计划》），力求聚集学术界、工业界和政府的研究人员、管理人员和政策制定者，共同制定更加综合且能够统筹工业界和政府用于光子学研发费用及相关投资的方法。

这项建议基于委员会的下述判断：光子学领域正在经历跨越部门、市场和行业的快速技术进步与应用延伸。实际上，尽管光子学领域的某些部分（例如光学）已进入成熟期，但委员会认为该领域在整体上可能正经历机遇及应用的增长期，这些机遇和应用将组合成更加符合人们期待且富有活力的新兴技术。但是，这些光子学领域的应用和技术逐项来看面又很窄，阻碍了政府和行业共同制定协调一致的发展策略。

国家光子学计划将确定联邦政府应长期优先资助的关键技术。除了提供跨联邦机构的经费外，该计划还应该向行业主导且注重特定应用的研究联盟（由用户、厂商、材料及设备供应商组成）提供相应的资金配套，详见本报告第3章。委员会认为，针对联邦政府近期限制增加甚至减少研发支出的压力，制定统筹的光子学计划非常必要。

委员会评估后认为，目前光子学的研发支出、光子学领域就业现状及销售状况等方面的数据收集和分析工作严重不足。开发更好的、能收集和分析历史及当前数据的机制和方法是国家光子学计划的另一个重要任务。

主要建议：委员会建议提出的国家光子学计划将为收集和报告与光学、光子学机构相关的研发状况和经济数据方面起到先导作用。这些工作包括建立一套涵盖光学与光子学北美行业分类体系（NAICS）代码；收集该领域就业、产出、用于光子学研发的私募基金数据；报告所有联邦机构和项目中用于光子学研发的投资。

通过如本文所提出的光子学计划倡议，能够获得综合衡量的投入-产出数据，保证国家政策能获得当地技术和经济现状的信息支持。

第3章  通信、信息处理和数据存储

第3章论述通信、信息处理和数据存储。互联网的飞速发展已经彻底地改变了商业模式和人与人之间的互动方式，而光子学是推动这场通信革命的关键因素。委员会预计，这场革命将会继续进行，更多的需求会促使带宽显著增长，从而进一步加重人们对互联网的依赖。迄今为止，每隔十年便会出现一次容量提高百倍的变革，然而，在实现下一个百倍增长的过程中我们遇到了巨大的技术障碍。

主要建议：美国政府和私营工业界应该与学术界共同努力发明能实现下一个容量增长百倍、成本更加低廉，覆盖长途、广域以及本地局域网的光学网络技术。

光学与光子学界的专业人士应该向资助机构、信息及娱乐提供商指明在满足不断增长的网络容量及适应性需求的过程中可能存在的主要障碍。完成这项任务需要包括公司联盟在内的各方面通力合作，探索包括信息传输、放大、开关转换等在内的新技术，以保证在下一个十年周期内实现至少一次信息容量的“百倍增长”。

主要建议：美国政府，尤其是国防部应努力协调光学和硅电子学，建立新的、易于制造和使用的综合光电平台。

美国政府还应该支持那些由最好的光学和电子学技术转化来的成果，这些低成本高密度的电路和系统能无缝地提供通信、信息处理、生物医药、遥感、国防和安全等应用方面的解决方案。

政府资助机构、国防部以及对该技术有需求的公司联盟等均应通力合作，落实这项建议。该技术的实现有助于完成本章所提出的第一条主要建议：使互联网容量提高百倍。

主要建议：美国政府和私营工业界应推动美国成为全球数据中心业务服务的光学技术领跑者。

数据中心内部以及数据中心之间的光纤连接在数据中心能力提升中的作用日益突出。委员会认为，用户、内容提供商和网络运营商之间以及企业、政府和大学研究人员之间的合作，对于确保美国研发出必要的光学技术，支持本国保持数据中心业务领导地位而言至关重要。

第4章  国防与国家安全

第4章论述国防与国家安全。毋庸置疑，传感器系统是下一个情报、监视和侦察等领域进行技术角逐的“主战场”。拥有能对某地区相关信息进行全方位获取，并使用高带宽和移动平台进行信息通信的能力将是一项巨大的的国防优势。激光武器攻击可以显著提高美国军队的战斗力，而防御导弹（尤其是弹道导弹）的攻击也是一项重要的国家安全需求。光学系统可提供适用于所有这些领域的综合支撑能力。

主要建议：美国国防与情报机构应资助光学技术研发，以更好地支持用于广域侦察、远距离目标精确识别、高带宽自由空间激光通信、“光速”激光打击，以及寻的导弹和弹道导弹防御的未来光学系统发展。达成这些实战目标需要部署可长时间驻留的低成本平台。

这些综合功能将充分利用并融合高功率激光器、多功能传感器、光学孔径变换、基于全新传感器性能的算法等方面取得的成果。这些技术原来都曾被分别研究，现在建议将它们进行综合以获得协同效应。维持这种协同性的一个方法是定期检查有关机构的协同情况。

第5章  能源

第5章关注光学与光子学技术在能源领域的应用，讨论与国家重点需求相关的能源生产和高效利用问题。光子学技术能提供可再生太阳能，而固态照明技术有助于降低照明能源的总需求量。

主要建议：能源部应在2020年之前制定全美国的电网平价规划。

这里的“电网平价”定义为任何能源的使用费用都不高于电网提供的电力费用，例如，太阳能发电站应在没有补贴的情况下提供廉价且可供选择的电力。显然，与美国西南部相比，新英格兰州更加难以实现这一点，但能源部仍应努力在这两个地区实现电网平价。

太阳能技术在成本降低方面已经有了很大的进展，但美国政府仍需花大力气将太阳能成本降到在无补贴的情况下与当前其他可替代能源相同。政府应在研发和制造这些太阳能产品的过程中扮演重要角色。这不仅是为了满足提供价格合适的可再生能源的需求，也是为了创造相应的就业岗位。太阳能电池成本的降低将同时依赖于技术和生产的进步。

固态照明技术还有助于提高美国的能源安全性。

主要建议：能源部应积极鼓励开发用于通用照明及其他应用领域的高效发光二极管（LED）技术。

例如，能源部应积极鼓励开发高于150流明/瓦、显色指数高于90、色温为2800K左右的“21世纪灯泡”。由于某一家大公司已公布了能满足21世纪灯泡技术要求的结果，能源部应当考虑尽快发布竞争情况。固态照明技术正在取得显著进展，该技术明显优于目前的照明技术，它具有热损耗小、开启时间快等特点。美国应该继续发扬在固态照明技术方面的专长，使该技术逐渐成熟并实现市场化。

第6章  健康与医疗

第6章讨论光学与光子学技术在健康和医疗领域的应用。光子学在很多与健康相关的领域中起着重要作用，例如，医疗成像是一项广泛使用并持续快速发展的技术，它在众多医疗活动中扮演重要角色。通过医疗成像技术，可方便地了解患者当前的病情并指导治疗。除用于眼科之外，激光器还可用于多种其他治疗。光学与光子学技术在未来医药领域中的应用仍有巨大潜力。

主要建议：美国光学与光子学界应开发能用一个血样同步检测所有免疫系统细胞的新型仪器设备。免疫系统是我们亟需深入理解的重要领域之一，很多健康问题都与免疫系统息息相关。

主要建议：工业界和学术界应研究新的方法，或对现有的方法和仪器设备进行深度改善，提高安全开发新药并进行有效验证的速度。这些方法的研究需要政府和民营机构对光学方法进行投资，使其能与快速自动取样机器人技术及微观样品分子组成评价方法相结合，以提高对特定抗体、酶和重要细胞类型的检测灵敏度与指向性。

第7章  先进制造业

第7章关注先进制造技术及其与光学和光子学的联系。先进制造技术对于美国的经济利益是至关重要的。美国在大批量低成本制造竞争中存在一些问题，但在小批量高端制造技术方面仍保持很强的竞争优势。增材制造技术可实现在接近终端用户的地方生产零部件而无需考虑产品设计在何处完成，因此，如果最终用户在美国，美国就是产品打印或生产的地方。光学方法（如激光烧结）是三维（3D）打印的重要技术。

主要建议：美国应积极开发并应用增材制造技术。

增材制造技术是当前制造领域小批量高端制造技术的一种。该技术通过不断提高位置精度和表面处理水平而具备持续增长的潜力。这种技术还能实现在接近终端用户的地方3D打印零部件，无需受设计者所在地点的限制。

主要建议：美国政府、工业界和学术界应开发软X射线光源技术、光刻成像技术和3D制造技术。

桌面软X射线光源技术的进步对光刻和光学制造技术具有深远的影响。应增加在这些领域的投资，从而获得相关的知识产权并保持在相关应用领域的领先地位。

第8章  先进光子测量技术与应用

第8章讨论与光学和光子学有关的传感、成像和计量等技术。自NRC 1998年的报告发布以来，传感、成像和计量技术取得了显著进展，众多的研究成果因为显著地提高了时间测量的精确度而获得奖励（其中包括至少一项诺贝尔奖）。目前我们已研制出了单光子探测器，但只能在探测出光子后的停滞时间内使用，不具备探测所有入射光子的单光子灵敏度。极端非线性光学也取得了显著进展，为软X射线辐射和成像提供了可能。纠缠光子和压缩态是光学与光子学的新研发领域，会为我们提供前所未有的新传感手段。

主要建议：美国应该大力开发基于预排列光子结构的光源，因为预排列光子结构能够产生比传统激光性能更好的光。

这里提到的预排列光子结构包括给定时空区域内特殊量子态光的产生，如>20dB正交场光子压缩态、>10光子Fock态、超过99%纯度的纯单光子或纯双光子纠缠光子态。上述技术能力的发展同时也应该与高效率（>99%）多谱段光子探测技术一同开展。

新研发的设备应能在室温下工作，且与时下最新的传感、成像和计量系统的工作速度保持一致。美国资助机构应优先资助在这个基础领域进行研究的大学和国家实验室，使美国科技立足于传感、成像和计量等领域的最前沿。如果这个领域的开发工作取得成功，则可在未来的几十年内获得诸多技术转化产品。

主要建议：政府应鼓励和支持小型美国企业在开发大规模消费产品的同时，抓住市场机遇，将研发成果用于利基市场（也称缝隙市场）。这些基于美国本土研究成果的市场，可带来美国本土就业机会的大幅增长。

第9章  战略性光学材料

第9章论述战略性光学材料。当前对光学与光子学材料方面的主要研发进展是发现了超材料，并随之迫使我们意识到美国在这种关键材料的储备方面是多么地不足。目前，某些此类材料仅能在中国找到。

主要建议：美国研发界应在纳米材料的研发中发挥越来越多的引领作用，使其具有可设计和可剪裁的光学特性，并能保证材料生产的一致性。

第10章  显示技术

第10章论述显示技术。目前显示器行业主要使用美国发明的技术，但这个行业的制造业务主要在海外进行。人工成本是其中一个因素，但其他因素如资本可用性也是造成这种情况的重要因素。美国在很多新兴的显示技术方面处于优势地位，仍能在相关的新兴市场中保持一席之地。

主要建议：美国私营公司和国防部门应支持与新材料有关的研发来保证美国的领先地位。这些新材料主要用于柔性、低功耗、全息和三维的显示技术。

结论

在回顾报告中所涉及的各种技术时，我们发现了若干有潜力的未来机遇。这使我们对未来有这样的憧憬：我们可在眼内植入电子成像装置使盲人恢复视觉；使用能打印各类材料且价格低廉的桌面3D激光打印机；能像对待单个电子一样产生、探测和操控单个光子，并用一个光子综合环路完成所有的这些过程；可采用光学技术实现集成电路芯片之间的互连，以获取更高的能效和速度；可用能展开柔性显示屏的智能手机并在家中观看全息影像；拥有可移动且能以较高的精度和速度远程消除各种威胁的激光器……这些都只是本研究论述的技术实现后，一小部分有趣的成果转化实例。

本文由刘四旦摘编自美国国家科学院、美国国家科学研究委员会（NRC）编，曹健林等译《光学与光子学—美国不可或缺的关键技术》一书。

ISBN 978-07-03-043728-0

光学与光子学技术是现代生活的中心，一直作为最重要的使能技术推动着人类文明的进步，并毋庸置疑地将在未来产生更为深远的影响。《光学与光子学—美国不可或缺的关键技术》报告分10章，分别论述了近15年来光学与光子学领域的科技进步、随之产生的技术机遇和美国视角下的世界技术前沿现状，并提出了确保美国保持全球领先地位的建议。其中第1章是绪论，第2章讨论光子学技术对美国经济的影响，第3章到第10章分别论述某个特定领域（分别为通信、信息处理和数据存储、国防与国家安全、能源、健康与医疗、先进制造技术、先进光子测量与应用、战略光学材料、显示技术）的技术应用。

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