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光学和光子学:美国不可或缺的关键技术

发布时间: 2012-08-28 09:07:55   作者:本站编辑   来源: NAS   浏览次数:

  译者按:2012年美国国家研究委员会组织专家研讨并发布了一个名为《光学和光子学:美国不可或缺的关键技术》的报告,对美国发展光学和光子学技术提出了诸多建议,现将该报告的序言和摘要部分编译报导,供读者参考。

   

  《光学和光子学:美国不可或缺的关键技术》序言

   

  国家研究委员会(NRC)曾经完成了两项光学和光子学方面的研究任务——  1988年《光子学:在信息时代保持竞争力》(Photonics: Maintaining Competitiveness in the Information Era)1998年《驾驭光:21世纪的光学和光学工程》(Harnessing Light: Optical Science and Engineering for the 21st Century)。现在,经历了14年戏剧性的技术发展和经济影响,需要进行另一项研究来引导国家在该领域的战略思考。 1998年以来,其他国家制定了光学和光子学领域的战略规划,许多国家援引了NRC1998年的《驾驭光》研究报告作为影响他们思考的重要文件。眼下的研究《光学和光子学:美国不可或缺的关键技术》讨论了光学和光子学广阔领域的影响,并对事关美国战略性利益的行动和研究提出了建议。

  为了完成这项研究,NRC设立了光利用委员会——利用光学的趋势和挑战,一个由来自许多光学和工程学方向(包括材料科学、通讯、量子光学、线性和非线性光学元件、半导体物理、设备制造、生物学、制造业、经济政策和风险资本)的学者和公司专家组成了多样化团队。本研究的任务如下:

  1. 对《驾驭光》报告发布以后的学科的发展现状进行更新。

  2. 确定源于光子与光学工程最新发展的技术机遇和潜在应用。

  3. 评估美国国内外光学科学与工程的发展现状,包括私人和公共研究的趋势、市场需求、光子学创新向竞争力优势转变的进度的例证(包括小型企业的举措)、劳动力需求、制造业基础设施和光子学对国民经济的影响。

  4. 优先处理一系列重大挑战问题来填补国家需要和国家竞争力上的技术差距。

  5. 为发展和保持在光子学领域的全球领先地位(驱动型产业,包括近期和远期目标,参与方和负责任的改革者等)提出行动建议。

  从一开始就变得非常明显的是,各类光学和光子学的基金资助机构和专业社团迫切需要NRC提供一个领域未来的权威版本。如果该领域是一项使能技术,将有助于带动巨大的经济增长,那么这样的一项研究应当为决策者们提出有用的建议,有助于实现光学和光子学研究成果的最大利用。

  以下几个因素使得委员会的任务挑战重重:

  就其围绕的技术科学和工程学的课题而言,光学和光子学涉及面非常广阔。

  该领域影响许多不同的市场部分,如能源、医药、国防和通信,但作为一项使能技术,在该领域可获得数据和资料中,它并没有获得应有的重视。

  该领域已经极大地超出了美国的范围,许多其他国家在研究、开发和制造方面投入了大量资金。

  此外,光学和光子学领域通常被归为一种使能技术置于其他学科(电子工程学、物理学)标题下。因此,劳动力和经济影响方面,收集光学和光子学的数据是非常困难的。例如,光学使一般DVD播放器成为可能,但经济影响是否以整个DVD播放器的价值或仅仅使整个系统合理运行的廉价的高效能激光来计量与之相似,如果没有低损耗的、本身不是特别昂贵的光导纤维,因特网不会发展的如此之快,或接近现在的发展水平,我们对此如何确定它的价值?委员会面临许多这样的问题。

  在研究的过程中,委员会观察到,该领域已经取得了令人振奋的进展,并相信未来有广阔的前景。该领域广度和深度的热门新闻有一段小轶事,在《时代》杂志列出的201150大最佳发明中,有12项将光学作为发明的核心技术部件。

   

  《光学和光子学:美国不可或缺的关键技术》概要

   

  光学和光子学技术是现代生活的中心。它使所有电器的集成电路的生产和检测成为可能。它给了我们智能手机和电脑的显示屏、传输因特网信息的光纤、先进的精密仪器和医学诊断工具。光学和光子学技术具有对未来几十年产生更大社会影响的潜力,比如,太阳能发电和新型高效照明可以改变能源结构,而新的光学性能对支持英特网持续地指数增长是至关重要的。光学和光子学技术的发展和应用在过去的几年里从本质上推动了全球的发展,这对于世界经济和各国人民是一个振奋人心的趋势,而与此同时也给美国在这一领域的领先地位提出了挑战。

  报告提到了从NRC发布《驾驭光:21世纪的光学与工程》报告后15年间的发展、从那以后出现的技术上的机遇以及美国国内外的技术发展水平,还提出了如何保持美国全球领先地位的建议。

  NRC希望本研究可以有助于决策者和领导人决定一系列行动,推动美国经济的发展,为光学和光子学技术及未来应用的发展提出具有前瞻性的指引和支持,并确保美国在这些领域的领先地位。尽管在推动基础光学及其向工程学并最终向产品的转变过程中存在许多未知因素,但回报是巨大的。研究者们已经获得了一些戏剧性的进展。比如,光学和光子学的发展现在可以使时钟非常稳定——1亿年才会误差   1秒,更多的原始时钟提高了全球定位系统(GPS)的可靠性,这些新型钟更好地服务社会的潜能也正在进一步发掘中。当前这个时期在许多方面可以与1960年代激光发明时期相提并论,当时这种非凡发明的许多应用方向还没有明确,这是证明光学光子技术可以引领未来重大应用和创新的例证之一。

  填补技术差距的重大挑战问题

  为满足国家需求和提升国家竞争力,填补技术差距,委员会提出了5个重大的挑战问题:

  1. 美国光学和光子学界如何为光学网络成本效能下一个翻番发明新的技术?

  正如在第3章中所提到的,如何达到这个目标还不得而知,但迄今为止,世界每过十年都会经历一次成本效率能力100%的提升,而使用者对该增长的需求有望持续。不幸的是,实现先前成果的机制已经不能在那么高的比率上实现进一步的增长,所以全世界要么看到能力增长的停滞,要么不得不发明新的技术。

  2. 美国光学和光子学界如何为通讯、传感、医疗、能源和国防应用领域开发出一种无缝衔接、集成的光电子设备,作为低成本制造和芯片封装系统的主流平台?

  面对第五次重大挑战,战胜这一挑战将会使摩尔定律的指数增长成为可能。芯片级的光学和光子学的精确集成,相对于当前仅用于电子学或更大元件水平上的电子学和光子学的集成,其应用的速度和性能有极大的提升空间。芯片水平的集成在削减成本的同时将会减轻重量和提升速度,因此为设备的进一步小型化提供了可能。

  3. 美国军方如何开发必要的光学技术来支持广域监视、目标确认和提高图像分辨率、高带宽自由空间通信、激光打击和防御导弹?

  协同应用于激光攻击战斗机或高空平台的光学和光子学技术,可以对一个区域有广泛的认知、提供下载该信息的通信联系,拥有以光速打击目标的能力和完善的防御导弹的能力。很明显,这一技术机遇可以成为光学和光子学多个领域的焦点,如照相机、高功率激光、自由空间通信,以及一些确保美国国家安全的必须处于领先地位的领域。

  4. 如何使得美国能源利益相关方能在2020年实现太阳能国家电网对化石燃料发电的成本平价?

  能够回答这个问题将对美国和世界经济产生巨大的影响。想象一下,对环境影响最小的可再生能源可以给我们带来什么,这要比非可再生能源在成本效率上更具优势。尽管这是一个雄心勃勃的目标,委员会把它作为一个重大挑战,一个需要更多努力来解决的问题。如何实现当前的太阳能电池技术实现成本平价还不得而知。

  5. 美国的光学和光子学界如何开发出新的光源和成像工具,以提高一个数量级或更高的光学分辨率?

  解决这个重大挑战可以减轻平版印刷的设计规则,同时提供闭路、自动制造三维光学元件的能力。极紫外技术一项充满挑战的技术,但为了满足未来光刻技术的需要,必须把这项技术开发出来。EUV之后的下一步是软X射线。同样,在三维制造的激光烧结中的限制是基于激光波长的使用。较短的波长使该技术的生产更加精确,并最终完成光学元件的三维制造。

  委员会相信这五个重大挑战在它们各自的应用领域都应该是最优先解决的问题,由于它们的多样性,更进一步的排优先次序是不可取的。

  报告的内容和重要的建议

  本报告根据应用的领域划分章节,围绕光子学对国民经济、先进制造业和战略资源的影响进行了阐述。第1章是引言,第2章讨论了光子技术对美国经济的影响。

  310章,每一章涉及一个特定的技术应用领域。如上所述,每个技术应用领域的讨论都从NRC《驾驭光》报告后技术的最新发展以及源于光学科学与工程的最新成果的技术机遇和潜在应用开始。报告会包括发展和保持光子驱动产业全球领先地位的建议措施,包括近期和长期目标。每一章会根据各自的主题,对美国国内外光学和光学工程的发展现状进行评价,包括个体和公共研究的趋势、市场需求、光子学创新向全球竞争优势转变进展的实例(包括小企业的行为)、劳动力需求、制造业基础设施和光学对国民经济的影响。

  下面是第210章每章内容的概述和重要建议。

  第2章  光子学对国民经济的影响

  第2章阐述了光学和光子学对国家和世界的影响。在探讨光子学创新的经济影响的概念性挑战时,本章采用了一个关于激光的案例研究,还解决了与使用公司数据有关的问题,说明了光子学部门在美国经济中的重要经济地位。此外,本章探讨了光子学领域的创新过程的变化结构反映美国经济在创新来源中更广泛变化的方式。本章还考虑了公共私人和公司间在光子学部门其他高科技领域的研究和开发合作的最新成果。委员会在该领域最重要的发现可能是光学和光子学作为一项使能技术的无所不在性。

  重要建议:委员会建议联邦政府在光子学中提出一个集中的倡议(许多方面与《国家纳米技术倡议》相似),将学界、产业和政府的研究者、管理者和决策者整合起来,形成一个更加集中的方法来管理产业和政府光子学研发的支出和相关投资。

  该建议是基于光子学领域正经历快速的技术进步和迅速的扩张到技术、市场和产业多个领域的发展过程。事实上,尽管光子学的一些组成要素已经成熟,该领域整体上有可能在经历一个机遇和应用的成长期,会有更多振奋人心的新技术涌现。但应用和技术的多样性阻碍了政府和工业界形成技术应用与开发的统一战略。

  《国家光子学倡议》将会为长期的联邦研发基金确定重要的技术优先项目。除了为协调部门间联邦经费开销提供基础依据,该倡议还可以为产业导向的、关注特定应用的研究财团(用户、制造商和材料、设备供应商)匹配相应资金,如本报告第  3章中所提到的应用。鉴于近期限制增长或削减联邦研发费用的压力,委员会认为光子学领域的协调倡议是非常重要的。

  委员会评定了数据收集和光子学研发费用、光子学就业和销售糟糕透顶的现状。更好的历史和当前数据收集和分析是《国家光子学倡议》的另一项任务。

  重要建议:委员会建议的《国家光子学倡议》应带头合作来改善光学和光子学领域研发和经济数据的收集和报告工作,包括建立北美产业分类系统(North American Industry Classification System,以下简称NAICS)的光子学子集,收集光子学就业、产出和私人资助研发的数据;报告对所有联邦机构和项目的联邦光子学有关的研发投资。国家光子学倡议必须能够得到政府部门内的投入和产出的协调衡量的支持、从而使该领域国家政策建立于本国技术和经济现状的基础上。

  第3章  通信、信息处理和数据储存

  第3章阐述了通信、信息处理和数据储存。互联网的发展极大地改变了商业的运行模式和人们的交往方式。光子学在推动这一通信革命中发挥了关键性的重要作用。委员会预期这一革命仍将持续下去,额外的需求会驱动贷款的大幅增加和对互联网更大的依赖性。到目前为止,每过十年,性能都会有100%的增长。然而,实现下一个100%增长还存在技术上的障碍。

  重要建议:美国政府以及与学界合作的私人产业需要为光学网络的下一个100%成本效益性能的增长而发明新技术。

  光学和光子学界需要提醒赞助机构以及信息和娱乐供应商注意不时出现的、妨碍满足网络性能和灵活性的障碍。我们需要捍卫合作的努力,包括公司财团,来发现新的技术——转化、放大和开/关和转换——实现和引导至少未来十年又一个100%信息性能的增长。

  重要建议:美国政府,特别是国防部应当努力协调光学同以硅为基础的电子学的关系,提供一个新的、容易获得和使用的集成电子和光学平台。

  数据中心内和数据中心之间的光学联系对于允许数据中心提高性能将发挥越来越重要的作用。委员会相信,用户、内容供应商和网络供应商之间、以及企业、政府和大学研究者之间强大伙伴关系,对于确保产生必要的光学技术是必不可少的,这将支持美国在数据中心行业中保持领先的地位。

  4  国防与国家安全

  在第4章,委员会探讨了国防与国家安全。传感器系统将是情报、监视和侦察优势的下一个战场,这一趋势已经越发明朗。全面认识一个领域,伴随以高带宽和从移动平台交换信息将成为一个防御优势。激光武器攻击也可以为美军提供一个巨大的优势。防御导弹攻击,尤其是弹道导弹是另一个重要的安保需要。光学系统可以在整个领域提供协同能力。

  重要建议:美国国防和情报机构应当资助光学技术的发展,从而支持未来光学系统能够宽领域监视、精确远距离目标定位、高带宽自由空间激光通信、光速激光攻击和防御导弹导引头和弹道导弹。这些目的的实际应用要求部署低成本平台来支持长期的研究。

  这些复合的功能将通过协同整合、影响高能激光、多功能传感器、光圈测量和开发新的传感能力的算法中取得的进展。这些领域一直是作为单独的技术领域优先发展,但委员会建议共同发展取得协同的效果。保持这种协调的一种方法可能包括在一定的规则基础上对部门间的协调努力进行评估评比。

  5    

  5章主要处理在能源领域的光学和光子学问题。对发电和能源的有效利用的讨论都是就迫切的国内需求而言的。光子学可以提供可再生的太阳能,而固体照明有助于减少对照明用能源的总体需求。

  重要建议:能源部应当制定一个在2020年以前在美国实现平价的计划。

  这里所说的平价是指这样的一种状态,即任何一种能源来源都与电能同样的价格。太阳能电站应当便宜、没有补贴、具有可替代性。这就不难理解为什么这在新英格兰州要比美国西南部要困难得多,但是DOE应当努力在两地实现平价。

  尽管降低太阳能的成本已经取得了重大进展,但对于美国而言,在没有补贴的情况下把太阳能的成本降到其他替代能源同样的价格,并保持美国在开发和制造太阳能替代能源中的重要角色是非常重要的。不仅仅存在可持续的可再生能源的需求,也存在为美国创造就业机会的需要。

  固体照明还可以提升美国的国家能源安全。

  重要建议:能源部应该大力鼓励发展高效能的发光二级管(LED)在一般照明和其他方面的应用。比如可以转向21世纪的灯泡,大于150lm/W,显色指数高于90,色温约为2800K。由于一家大公司已经发布了满足21世纪灯泡技术要求的结果,DOE应当考虑在2012年放松该竞争。固体照明已经取得了重大进展,对比目前的照明替代产品具有优势,热量浪费得更少,启动时间更短。美国需要利用现有的固体照明的知识,使技术更加成熟,并投入市场。

  6  健康与医学

  6章探讨了光学和光子学在健康和医学方面的应用。光子学在许多健康相关领域发挥着重要作用。得到广泛使用并依然处于快速发展阶段的医疗成像,对于了解病人状况、指导手术都十分重要。除了眼部手术,激光被用于其他许多手术。光学和光子学在医学方面的应用还有很大的潜力。

  重要建议:美国光学和光子学界应当发明新的仪器来同时对血样中所有免疫系统细胞进行检测。许多健康问题可以通过对免疫系统的认识来解决。

  重要建议:新的方法或对现有方法、设备的重大改进应当由产业和学界共同完成,以此来提升新药开发的安全性和成功率。开发这些方法将需要政府和私人部门在下列领域中进行投资:高速样本处理机器人光学方法集成技术、显微镜样本分子构成的评估方法和提升感光度和检测抗体、酶和重要细胞显型的方法等。

  7  先进制造业

  7章探讨了先进制造业领域及其与光学和光子学关联的方式。先进制造业对于美国的经济福利至关重要。尽管在高容量、低成本制造业中的竞争力尚有问题,但美国可以持续在低容量、高端制造业中充当强势竞争者的角色。附加制造业(additive manufacturing)允许部件的生产接近终端用户,无论设计是在哪里完成。光学方法,如激光烧结,对于三维印刷是非常重要的方法。

  重要建议:美国应当大力发展加性制造业技术和实施。

  低容量、高端制造业领域目前的发展,比如三维印刷,也被附加制造业。随着在耐久度和外观上的改进的完成,附加性制造业具备了实质性增长的潜力。技术有潜力可以允许三维印刷接近终端用户而不管设计在哪里完成。

  美国政府与产业和学界应当为光刻和三维印刷术制造业大力发展软X射线光源和成像技术。台式软X射线光源上的进展将对平板印刷术和光学制造业带来深远影响。因此,应当增加投而获得知识产权,并保持在这些应用中的领先地位。

  8章  先进光子学测量与应用

  8章探讨了与光学和光子学有关的传感、成像和计量学问题。传感、成像和计量学在1998NRC《驾驭光》报告发布后有了长足的进步。值得关注的重大的进展包括至少一项诺贝尔奖被授予了时频测量精确性的极大提升。单光子探测器已经开发完成,但此时仅适用于探测后的静寂时间,不允许探测所有射入光子的单光子感光性。极端非线性光学取得了巨大的进展,提供了软X光源和成像的潜力。纠缠态光子和压缩态是光学和光子学领域新的研发领域,使感光能力比之前更强。

  重要建议美国应当开发产生光束技术,这种光束的光子结构被预先排列,从而比一般激光取得更好的性能和应用效果。

  预设光子结构包括给定时空区域伴随特定量子态的光的产生,如在一个正交磁场中压缩大于20dB的压缩态、超过10光子的福克态和一个和超过99%可能性的只有一个光子或两个和只有两个光子的状态。这些能力应伴随大于99%效率的检测能力、各种波段上光子数的解析能力一起发展。新开发的设备应当在室温下运行并与通行的、最先进的传感、成像和计量系统中相兼容。政府基金应当优先资助研究和开发——在大学和国家实验室进行的研究,通过这些基础领域,奠定美国在传感、成像和计量应用发展的前沿和科学技术基础。有理由相信,该领域如果成功地发展,可以在未来几十年将重要的技术转化为产品。

  重要建议:政府应当鼓励和支持美国的小企业抓住市场机遇,将研究成果向市场转化,同时开拓高容量消费元件市场。这些市场在最大化利用基础研究成果的同时,可以极大促进美国国内就业。

  910  光学的战略材料和显示技术

  9章主要涉及战略性光学材料。光学和光子学材料的主要进展在于超材料(metamaterials)的出现和认识到美国在关键材料需求上的脆弱性。此刻,有些材料只有中国才有。

  10章主要关于显示技术。目前主要的显示器产业是基于美国发明的技术,但该产业的制造业营运主要在海外。劳动力成本是需要考虑的一个方面,但其他因素诸如资本的可利用性对于这种现状的发生也是有很大作用的。然而,美国依然在许多新型显示器技术上占据支配地位。

    

  在报告中提到的技术进行评述之后,许多潜在的未来机遇出现在我们眼前,可以让我们想象日常生活的变化:比如,植入眼中的电子成像设备可以恢复盲人的视力;低成本高效率、基于激光的、三维桌面打印机可以打印许多不同的物体;光子可与单一电子相同的方式产生、探测和操控,并在光子集成电路上完成作业;光学作为集成电路芯片互联媒介,在能源利用效率和速度上有了极大提升;智能手机上灵活显示格式的应用或在家观看全息图像;移动激光高精确度、高速度地解除远程威胁的能力。这些仅是潜在变化的一些有趣的例子,本研究中提到的技术将会使这一切成为现实。

  小磊编译自:Optics and Photonics: Essential Technologies for Our Nation,

  National Academy of Sciences, 2012

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