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应当指出，对光子学的定义，无论是广义的还是狭义的，都不能看作是最终的。
光子学作为一门新兴学科，目前正处于成长与发展时期，它尚有一个逐步充实、完善，最后走向成熟的必然过程。
同时，人们对它的认识也将自然随之进一步深化和统一，因此，起码在目前还不宜对它的定义和研究范畴等做过多的人为划定，以有利其发展。
光子学在发展中已形成诸多活跃的和重要的研究领域。
信息科学是光子学的重大应用领域之一。
特别是在下一个世纪（有称信息时代）里，光子学将继电子学之后成为信息科学的又一个重要支柱。
光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科―信息光子学（INFOPHOTONICS）。
电子学及其电子信息科学技术已经成熟。
电子作为信息的载子已经成为本世纪信息领域的主要特征和标志，并为人类社会做出了巨大贡献。
因此，人们又常常为本世纪冠之以电子时代的美誉。
而光子学及其光子信息科学技术则初露锋芒，其优越性已被广泛确认。
光子作为信息的载体的优势与竞争力正在不断地被挖掘和开拓。
因此，相对于今天的电子时代而言，人们自然认为，下一个世纪将是光子的时代。
正是基于这种情况，可以说光子学是应运于信息时代的来临而产生的。
生物或生命科学是光子学的又一个重要应用领域。
从发展来看，在２１世纪，所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻找自己的有意义的生长点与发展面。
光在自然界一直与人类亲密相伴，地球上若没有光也就没有生命，光与生命早已结下不解之缘。
光学在生命科学中的应用，在经历了一个较缓慢的发展阶段后，由于激光与光子技术的介入，又开始了一个迅速发展的新时期，近年来生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科―生物医学光子学（BIO-MEDOPHOTONICS）。
简言之，生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的边缘学科。
它涉及生物系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子的探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行的加工与改造。
光子学的另一个重要领域是基础光子学。
基础研究一直是影响和促成光子学发展的重要因素。
如上所述，光子学是一门更具技术科学性质的学科，其理论基础则是基础光子学。
今天，光子技术的发展，甚至每个技术细节的进步都与基础光子学息息相关。
反之，基础光子学的每一个“突破”和每一次“飞跃”，也自然导致光子技术的一次次创新、开拓和革命。
今天，基础光子学仍在不断发展着，并具一定的独立性。
量子光学、分子光学、非线性光学、超快光子学等已经成为基础光子学中逐渐趋于成熟的分支学科，它们对技术光子学的推动和促进作用也日趋卓然。
1.2光子学与电子学
众所周知，电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。
电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。
正是这些个性才决定了电子学与光子学分属不同的学科。
正如钱学森所言，“光子学是一门和电子学平行的科学，而不是在电子学之内的科学”。
关于光子与电子在性质上的差别可以列举很多，下表列举出一些主要差别可供参考。
这些差别也决定了它们在应用上的不同。
正因为光子具有这样一些特性，才使其，特别是在信息领域显示出非凡的能力，以下仅举几例说明之：
1.2.1光子具有的优异特性
1,光子具有极高的信息容量和效率
作为信息载体，光与电相比信息容量要大出几个量级。
例如，一般可见光的频率为5×
1014Hz，而处于微波波段的电波频率仅为1010Hz量级；
光子在光纤中能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个量级，即千倍以上。
一个载子可承载的信息量为信息效率。
如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。
例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声则有可能减小到极小值，光子的信息效率自然也将成量级地提高，这时，一个光子甚至具有承载成千上万个比特信息的能力。
2,光子具有极快的响应能力
在信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。
在电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒（ns，10-9s）量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s（109bit/s）量级。
对于光子技术来说，由于光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒（PS，10-12S）量级。
实际上，现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到小于10个飞秒（fS,10-15S）量级。
而且，近两年有望实现2～3个fs，即相当一个光学周期的宽度。
因此使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个Gb，甚至几个、几十个Tb（1012bit/s）都是可能的。
如果使用具有巨大带宽的光纤作信息的传输媒质，于是就能够以如此高的速率，通过光纤将信息传输到几千公里或更远的距离以外。
这样，获得的信息比特率×
传输距离之积将是非常可观的。
显然，这对于电子技术来说，绝对是望尘莫及的。
3,光子具有极强的互连能力与并行能力
如上所述，电子有电荷，因此电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。
例如，在电子技术中，两根导线如果交连，就会形成短路。
所以，在电路中为了实现互连，就只能像搭“立交桥”那样，将其运行路线彼此隔离，显然这就使互连受限，成为限制电子信息速率与容量的一个主要因素。
另外，在电子技术中，电子信号也只能是串行提取、传输和处理的，对于两维以上的信号，如图象信号等，则只好依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。
这是另一个限制电子信息速率和容量的主要因素。
对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。
光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性等，这些似乎都是光子的“天赐秉性”。
例如，在拟开发的第六代计算机―神经网络计算机中，具有足够大的网络规模，需要超大规模的群并行性处理。
对于一阶网络，规模为N时，其完全互连数则为N2。
例如N=104，互连数则为108。
计算机的等效运算速率与互连通量成正比，因此，在这种情况下，速率可达1010bit/s，这差不多是目前计算机的最高水平。
4,光子具有极大的存储能力
不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。
再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。
一个存储器的容量极限是由单位信息量（bit）所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，这个量为其波长（Λ）量级，因此，三维存储容量为（1/Λ）3量级。
如果使用可见光（Λ～500nm），光子的存储能力则可达到1012bit／cm3量级。
三维存储除容量大外，另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。
加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。
这样一些优点，都是“电子”无法与之相媲美的。
此外，由于光在时间与空间上的特性，可形成反演共轭波，在自适应控制等信息处理领域有独到应用；
还由于光子的自旋为h，导致出现偏振、双折射效应等，并因此而产生一系列新的应用等等。
1.2.2光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系
以上只是阐述了光子的优越性。
但是必须承认，对于光子人们在认识和利用上还不成熟，这是其最大的薄弱点。
而恰恰在这方面电子学显示出优势。
对于电子无论是在理论上，还是在实际应用上都已相当成熟。
电子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。
因此有人讲，利用光子学的优越性与电子学的成熟性相结合，即可创造出一系列新的奇迹。
在这个意义上讲，光子与电子是一对孪生的天然伙伴，光子学将受益于电子学而不断获得发展。
“光子”与“电子”的结合已开始给我们带来巨大的益处，成为当今乃至未来人类社会的宝贵财富。
因此，这种结合已给人们留下深刻印象，以至有不少专家学者反复告诫人们，光子学与电子学之间的结合要永远进行下去。
“光子”与“电子”以及它们之间的结合，起码在信息领域，有以下4种（a,b,c,d）模式：
这里（a）是全电子（ee）过程，如果有光（O）参与，它只是起辅助作用（如提供能源等），典型的例子是由太阳能电池供电的各种电子设备。
（b）是全光子（PP）过程，电（E）在其中起辅助作用，如各种光子源（激光器等）。
典型的例子是全光通信系统。
（C）与（d）则是光电结合，即光电子过程。
其中（c）的典型例子是光电探测及现行的各种光电通信接收系统等；
（d）的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。
显然（a）与（b）应分别划为电子学与光子学的研究范畴。
而（C）,（d）则分属光电子学和电光学，但二者区分并非十分严格。
这种状况，在一定意义上也可以说，它反映出光子学与电子学之间存在着某种“血缘”关系。
在很多情况下，严格地区分它们似乎是困难的。
例如早期PHOTO-ELECTRONICS和ELECTO-OPTICS，后来有OPTO-ELECTRONICS以及OPTICALELECTRONICS等。
近些年来又出现OPTRONICS和PHOTRONICS的新词汇。
还有的，干脆使用OPLUSE、OundE等等。
事实表明，今天乃至今后，光子学与电子学之间已形成的相互依赖、相互渗透、相互补充、相互结合以及相互促进的不可分割的共融关系会进一步深入发展下去。
此外，光子学与电子学在发展模式上也有或将有惊人地相似之处：
电学→电子学→电子回路→电子集成→电子系统→电子工程→电子产业
光学→光子学→光子回路→光子集成→光子系统→光子工程→光子产业
正是由于有了这种“相似”，才不断地为我们的创造性思维与开拓性研究提供一个个契机，并使之得以借鉴，从而不断地促成了光子学的飞速发展。
1.3光子学的发展及其意义
如上所述，光子学具有丰富的内涵和重大的应用前景，它的提出也是科学与社会发展之必然。
因此，光子学一经问世便即刻引起人们的广泛关注。
需要指出的是，欧洲和美国，在促成光子学的形成和发展方面表现出极大的兴趣和热情。
早在1973年，法国就率先召开了国际光子学会议。
同一年，荷兰将原来的“摄影、光化学、光物理学会”合并组成“光子学会”，并于1975年召开了全国光子学会议。
经过多方组织和酝酿，于1978年正式成立了欧洲光子学会。
其间，一些国际性学术刊物和会议也纷纷更换名称，冠以光子学的词汇。
例如美国光学学会的会刊《光学通信》改名为《光学与光子学通信》，另一个刊物《光谱》也更名为《光子学集锦》。
最近，国际非线性光学会议正式更名为国际非线性光子学会议，美国还决定，分别在东西部城市轮流每年一届举办光子学学术大会，等等，此类情况已不胜枚举。
就连美国的光学学会也受到多方压力，准备改名为光学与光子学会。
这一系列情况表明，光子学及其重要意义已逐渐被越来越多的人们所接受和认可，并且开始积极地加以实施。
特别是最近几年里，光子学的发展更为引人注目。
在美国，对光子学及其技术的发展与应用已予以高度重视。
1991年政府将光子学列为国家发展的重点，认为光子学“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力，并且肯定，通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域”。
为此，美国已建立诸多“光子学高技术研究中心”。
例如，以南加州大学为中心的由多所高校联合组建了著名的“光子学工艺研究中心”。
在欧洲，近年来也相继建立了研究与开发光子学的联合机构。
在德国，政府已确定“光子学是下个世纪初对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的九大关键技术之一”。
在这些国家里，已把大量的、越来越多的资金投入到光子学及其技术的研究与开发上去。
在日本，对发展光子学及其产业尤为重视，特别是近些年来，日本已在光子学材料和器件的研究与开发上显示出优势，并且对美国和欧洲构成威胁。
现在有人甚至认为，在当今时代，光子学即将成为“改变世界技术的杠杆，用它可以转动世界力量的均衡。
在今后世界各国经济实力与国防力量的较量中，光子学必定占据极其重要的位置”。
另外，需要指出的是，像电子学那样，光子学的发展也将对人们的思维方式产生影响，甚至会改变其在未来社会的生活方式。
现在至少可以说，光子学已极大地激励起人们对未来科学技术的信心，以至于不断地提出一个个雄心勃勃的计划和实验，积极地去开拓一个即将到来、定能实现的光子时代。
但是，在我国，应该承认，无论是学术界还是产业界，对光子学的学科建设与开发尚存在一段认识过程。
几位老科学家早在70年代就曾多次撰写文章、发表演讲、频频发出呼吁，希望积极开展光子学的学科建设。
当时已引起一些人的关注和响应。
现在，十多年过去了，形势已经出现了明显的转机。
越来越多的人开始关注光子学，对这个新学科、对它的发展以及对它在社会与科学发展中的作用有了越来越明确的认识和共识，并且产生了参与欲和紧迫感。
特别是近几年来，天津、上海、西安等地的高校与科研机关适形势之发展，先后建立了各种“光子学研究中心”。
当然，与国际的发展势态比较，我们仍存在较大的差距。
光子学的重要分支
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
K时， 如上所述，当原子被冷却到1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
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