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| 編輯推薦： |
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从事光学和光学工程学习和研究的所有相关人员
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| 內容簡介： |
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主要内容：1）回顾了上版报告（21世纪的光学和光学工程1999）以来光科学界发生的重大事件。2）预言了由新一轮光学和光学工程研发进步带来的和即将带来的科技机遇。3）评估目前美国和国际当前的光学科技与工程技术现状。4）对在应对国家需求和追求国际竞争力方面要进行的技术提升点进行排序。5）提出了发展光学技术，并保持美国在光学产业方面的国际领导地位的举措。
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| 目錄：
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目录
摘要1
第1章绪论9
1.1研究意义9
1.2使能技术11
1.3经济问题12
1.4全球视野13
1.5教育的重要性13
1.6未来的发展14
第2章光子学对国民经济的影响15
2.1引言15
2.2光子经济学：激光器案例研究15
2.2.1激光技术对经济的影响16
2.2.2早期激光器的研发投资17
2.2.3早期激光器市场18
2.2.4国际对比19
2.2.5激光器案例研究结论20
2.3评估光子学的经济影响力——美国的行业收入、就业和研发投资21
2.4政府和工业界资助的光子学研发资金及联邦政府提供的光学资金24
2.5美国自1980年以来光子学创新领域的变革30
2.6光学行业的风险投资33
2.7技术市场、知识产权和美国大学的技术特许38
2.8协同研发模式及其对光子学创新的意义40
2.8.1半导体制造技术联盟42
2.8.2美国光电产业发展协会43
2.8.3美国国家纳米技术计划45
2.9简要评述47
2.9.1拟定的国家光子学计划47
2.10本章研究成果48
2.11建议48
第3章通信、信息处理和数据存储50
3.1引言50
3.1.1通信50
3.1.2信息处理54
3.1.3数据存储56
3.2影响案例：互联网57
3.3技术进步58
3.3.1通信58
3.3.2网络66
3.3.3研发示范领域68
3.3.4信息处理68
3.3.5数据储存71
3.4制造业71
3.4.1通信71
3.4.2信息处理72
3.4.3数据储存72
3.5经济影响73
3.5.1美国和世界其他地区之间的比较74
3.6研究成果和结论75
3.7建议和重大挑战性问题76
第4章国防与国家安全79
4.1引言79
4.2光学和光子学对防御系统的影响80
4.3技术概述81
4.3.1《驾驭光：21世纪的光学科学与工程》问世以来光学相关研究的变化81
4.3.2把握最新技术进步，获取发展机遇83
4.4加工技术93
4.5美国的全球地位94
4.6研究成果和结论96
4.7建议和重大挑战97
第5章能源98
5.1引言98
5.2太阳能发电100
5.2.1光伏系统103
5.2.2聚光太阳能发电系统110
5.2.3混合系统114
5.2.4与现有和潜在的其他燃料来源相比，太阳能发电的平准化成本展望114
5.3固态照明116
5.4研究成果124
5.5建议和重大挑战性问题125
第6章健康与医疗127
6.1引言127
6.2技术对医学影响之历史概况128
6.3现代医疗实践中的光学和光子学130
6.4技术进步拓展了光子学的新应用131
6.5技术进步为光子学在未来应用提供契机132
6.5.1核酸序列检测和突变检测133
6.5.2通过蛋白质和组织阵列进行蛋白质组学分析134
6.5.3高通量筛选技术135
6.5.4流式细胞术质谱分析135
6.5.5眼科学137
6.5.6图像引导外科手术IGS技术139
6.5.7双能CT和定量图像分析139
6.5.8再生医学中的生物医学光学140
6.5.9研究中的生物医学光学141
6.6研究成果142
6.7建议143
第7章先进制造业144
7.1引言144
7.2光子技术领域中的生产与创新：三个案例研究144
7.2.1显示器145
7.2.2太阳能电池147
7.2.3用于通信系统的光电元件151
7.2.4三个案例的异同156
7.3光学领域的先进制造技术158
7.3.1光学表面158
7.3.2非球面透镜158
7.3.3制造工艺和装备159
7.4光子学在制造业中的应用160
7.4.1光刻技术160
7.4.2激光器在制造业中的应用164
7.5增材制造166
7.5.1立体光刻167
7.5.2选择性激光烧结技术168
7.5.3激光工程化净成形技术169
7.6光电子技术与美国制造业的未来171
7.6.1大批量生产171
7.6.2小批量生产172
7.7美国制造业劳动力173
7.8研究成果174
7.9建议和重大挑战174
第8章先进光子测量技术与应用176
8.1引言176
8.2光学和光子学对传感、成像与计量学的影响177
8.3技术概览179
8.4自“驾驭光”研究以来的变化180
8.4.1国际单位制SI定义的变化181
8.4.2通过生成高次谐波分量开发阿秒脉冲串181
8.4.3利用啁啾脉冲放大技术的极端条件台式设备182
8.4.4纳米光学和等离激子光子学、负折射率材料和变换光学183
8.4.5光量子状态的形成、控制及其探测方面的进展183
8.4.6利用光学综合孔径雷达实现高分辨率遥感185
8.4.7自适应光学技术的进展186
8.4.8从最新研究进展中把握技术机遇186
8.4.9制造业189
8.5美国的全球地位189
8.6研究成果190
8.7建议和重大挑战191
第9章战略性光学材料192
9.1引言192
9.2能源应用193
9.3新颖结构：亚波长光学、超材料和光子晶体195
9.4纳米结构材料面临的技术挑战197
9.5生命科学与合成生物学中的光学材料200
9.6研究成果200
9.7建议201
第10章显示技术202
10.1引言202
10.2不久的将来203
10.3显示器概览204
10.3.1液晶显示器204
10.3.2触摸显示器206
10.3.3OLED显示器207
10.3.4柔性显示器208
10.3.5投影显示器209
10.3.6三维全息显示器209
10.4显示器产品制造211
10.5研究成果212
10.6建议212
附录A任务声明及介绍性信息213
A.1背景213
A.2引言213
A.3任务声明214
A.4委员会214
附录B缩略语216
附录C附加技术范例225
C.1使能技术225
C.2国防和国家安全225
C.2.1监视225
C.2.2夜视227
C.2.3激光测距仪、指示器、干扰发射机和通信器227
C.2.4激光武器228
C.2.5光纤系统228
C.2.6特殊技术228
C.3能源229
C.3.1太阳能技术成本229
C.3.2太阳能-风能混合系统230
C.3.3太阳能辅助技术230
C.4健康与医疗233
C.4.1光学和光子学在急诊室中的应用233
C.4.2光学和光子学在诊断过程中的应用233
C.4.3人类基因组计划取得的成果234
C.4.4生物医学光学在日常生活中的应用234
C.4.5通过蛋白质和组织阵列进行蛋白质组学分析235
C.4.6眼科学235
C.4.7内窥镜手术的进步237
C.4.8氧饱和度测量方面的进展239
C.4.9研究中的生物医学光学239
C.5先进制造240
C.5.1数控磨削和抛光240
C.5.2聚合物成型240
C.5.3玻璃成型241
C.5.4磁流变抛光244
C.5.5单点金刚石车削244
C.5.6光学涂层246
C.5.7计量学247
C.5.8衍射光学元件和微光学元件的灰阶光刻248
C.6显示技术250
C.6.1液晶显示器中的偏振技术250
C.6.2液晶显示器中的三维技术251
C.6.3其他三维显示法253
C.6.4触摸显示器253
C.6.5显示框256
C.6.6OLED显示器257
C.6.7柔性显示器257
附录D各委员会委员履历259
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摘要
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①。光学与光子学技术使集成电路的生产和检测成为可能②。正是依托这些技术我们才能制造智能手机和电脑显示屏，生产载运互联网信息的光纤，开发先进的精密加工仪器和医疗诊断工具。在未来几十年内，光学与光子学技术将会对社会产生更大的影响。可以预见，太阳能发电和新型高效照明系统的开发可使能源领域发生深刻的变革，新的光纤承载性能也将对持续成指数增长的互联网事业产生决定性影响。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。正如美国国家科学研究委员会（NRC）“驾驭光：把握光学发展趋势，迎接未来科研挑战”专题项目委员会所强调的，对美国政府至关重要的是应该利用这些新兴的光学技术来创造新的行业和就业岗位。
本报告中的各章节重点论述了自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。
我们希望本研究能有助于政策制定者和领导者提出促进美国经济进步的行动指南，为光学与光子学技术的发展和应用提供前瞻性指引和支持，从而确保美国在该领域的领导地位。尽管在实现从基础光学研究转化为工程技术，进而应用于产品生产的过程中存在诸多未知因素，但回报是巨大的。目前，研究人员在某些领域已取得了进展，例如，应用当前的光学与光子学技术可使时钟稳定性达到极高程度，确保时钟在1亿年以上的周期内误差低于一秒。更精准的基准时钟为全球定位系统（GPS）提供了难以置信的广泛应用，而新型时钟能为社会带来的更多福祉还有待进一步挖掘。现阶段在很多方面可以与1960年激光器刚问世的那段时间相比，当时与这一非凡发明有关的很多技术应用还没有明确提出。这就是光学与光子学发明可以引领未来重要应用和创新的例证之一。
填补技术差距的重大挑战性问题
为满足国家需求和提升国家竞争力，填补存在的技术差距，我们提出以下五个重大挑战性问题。
1.美国光学与光子学界如何发明能使光纤网容量价格比提高100倍的新技术？
如第3章所述，我们目前还不知道如何实现这个目标。但迄今为止，全球光通信技术大约每隔十年就会经历一次容量价格比提高百倍的技术变革，今后用户对这种技术变革的需求将继续保持。遗憾的是目前的结构和机理已无法支持曾经的高速发展，若不能发明新技术，全球通信能力的提升将陷入停滞。
2.美国光学与光子学界如何能发明一种将光子和电子元件无缝集成在一起的主流平台，实现系统芯片systemonchip，SOC的低成本制造和封装，并且应用到通信、传感、医疗、能源和国防等领域中。
完成这一挑战性任务将有可能使系统芯片保持类似于摩尔定律的指数级性能增长，同时也与第五大挑战任务密切关联。相对于目前的电子元件集成或电子和光子元件在大尺寸上的集成，芯片级的光子和电子元件无缝集成技术将有可能显著提升产品的速度和性能。这将在降低成本的同时实现轻量化和高速化，为设备的进一步小型化发展提供巨大的可能性。
3.美国军方如何开发必要的光学技术，以保证对包括广域侦察、目标识别、高图像分辨率、高带宽自由空间通信、激光打击和导弹防御等平台的支持？
用于激光打击战斗机或高空平台的光学与光子学协同系统能实现对某地区信息的全面获取，提供下载信息的通信链接，并具备光速打击目标和有效防御导弹攻击的能力。显然，这种技术机遇可衍生为光学与光子学应用领域的若干技术重点，如相机研发、高功率激光器、自由空间通信等众多美国必须走在世界前沿以保障国家安全的技术。
4.美国能源部门如何确保在2020年之前，在全国电网上实现太阳能发电和新增燃料发电的成本均衡？
解决这一问题将对美国和世界经济产生巨大影响。设想一下，使用一种绿色且相对非可再生能源有更高性价比的可再生能源将是多么巨大的成就。尽管非常大胆，我们还是将其作为一个“任重而道远”的目标来看待。目前，我们还不清楚当前的太阳能电池技术如何实现这种成本平衡。
5.美国光学与光子学界如何研发出新的光源和成像工具，使光学制造业的分辨率提升一个甚至多个量级？
解决这个重大挑战可有助于减轻光刻中的设计限制，同时提升三维闭环与自动加工能力。极紫外EUV光学是一项待开发的挑战性技术，也是满足未来光刻需求的必备。超越EUV的下一代技术是软X射线光学。同样，用于三维制造的激光堆焊分辨率取决于所采用激光器的波长，较短的波长可实现更加精密的增材制造，甚至最终实现光学元件的三维打印。
我们认为以上是各自应用领域最需要优先解决的五大挑战性问题。由于这些挑战的性质各不相同，它们之间的优先程度难分伯仲。这些挑战问题会在报告各章正文中第一个相关建议之后详细论述，且在报告通篇的陈述和建议中涉及。
报告内容和主要建议
本报告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，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。以下部分是对第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
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