光學是研究光的產生和傳播、光的本性、光與物質相互作用的科學。光學作為一門誕生340餘年的古老科學，經歷了漫長的發展過程，它的發展也表徵著人類社會的文明進程。20世紀以前的光學，以經典光學為標誌，為光學的發展奠定了良好的基礎；20世紀的光學，以近代光學為標誌取得了重要進展，推動了雷射、全息、光纖、光記錄、光存儲、光顯示等技術的出現，走過輝煌的百年曆程；展望21世紀的現代光學，將邁進光子時代，光子學已不僅僅是物理學的學術上的突破，它的理論及其光子技術正在或已經成為現代應用技術的主角，光子學的發展和光子技術的廣泛應用將對人類生活產生巨大影響。
20世紀60年代雷射器的發明帶來了一場新的光學革命，促進了光學與光電子學相結合，也標誌著現代光學的誕生。此後，光學開始進入了一個新的歷史時期，成為現代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分。非線性光學(也叫強光光學)是現代光學的重要組成部分，是系統地研究光與物質的非線性相互作用的一門分支學科。雷射問世之前，基本上是研究弱光束在介質中的傳播，確定介質光學性質的折射率或極化率是與光強無關的常量，介質的極化強度與光波的電場強度成正比，光波疊加時遵守線性疊加原理。在上述條件下研究光學問題屬於線性光學範疇。而對很強的雷射，例如當光波的電場強度可與原子內部的庫侖場相比擬時，光與介質的相互作用將產生非線性效應，反映介質性質的物理量(如極化強度等)不僅與場強E的一次方有關，而且還決定於E的更高冪次項，從而出現在線性光學中不明顯的許多新現象。非線性光學主要涉及二階、三階非線性光學效應，在雷射技術、信息和圖像的處理與存儲、光計算、光通信等方面有著重要的應用。傅立葉光學是現代光學的又一分支。自20世紀中期以來，人們開始把數學、電子技術和通信理論與光學結合起來，給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新了經典成像光學，形成了傅立葉光學。集成光學是雷射問世以後，上世紀70年代初開始形成並迅速發展的一門學科，研究以光波導現象為基礎的光子和光電子系統。集成光學系統包括光的產生、耦合、傳播、開關、分路、偏轉、擴束、準直、會聚、調製、放大、探測和參量相互作用。集成光學系統除了具有光子學器件的一般特點外，它還具有體積小、重量輕、堅固、耐震動、不需機械對準、適於大批量生產、低成本的優點，因而具有廣泛的應用前景。20世紀70年代以後，由於半導體雷射器和光導纖維技術的重大突破，導致以光纖通信為代表的光信息技術的蓬勃發展，促進了相應各學科的相互滲透，開始形成了光子學(Photonics)這一新的光學分支。光子學是研究以光子為信息載體，光與物質相互作用及其能量相互轉換的科學，研究內容有:光子的產生、運動、傳播、探測，光與物質(包括光子與光子、光子與電子)的相互作用，光子存儲、載荷信息的傳輸、變換與處理等。隨著光學儀器小型化、微型化的發展要求，誕生了微光學。微光學是研究微米量級尺寸光學元件和系統的現代光學分支。微型光學元器件的加工，是在一些特殊基底材料上利用光刻技術、波導技術和薄膜技術等，製成光學微型器件。隨著微加工技術的成熟，未來的微光學研究還會有進一步的突破。還有衍射光學的發展，衍射光學是基於光的衍射原理發展起來的，衍射光學元件是利用電子束、離子束或雷射束的刻蝕技術製作而成。可以預言，微光學和衍射光學這兩個新興學科將隨著日益壯大的光學工業對光學器件微型化的要求有更大的發展，在使宏觀光學元件轉化為微觀光學元件以及具有處理功能的集成光學組件，從而推動光學儀器的根本變革。現代光學還包括全息光學、自適應光學、X射線光學、天文光學、雷射光譜學、氣動光學、應用光學等。由於現代光學具有更加廣泛的應用性，所以還有一系列應用背景較強的分支學科也屬於光學範圍。例如，有關電磁輻射的物理量的測量的光度學、輻射度學；以正常平均人眼為接收器，來研究電磁輻射所引起的彩色視覺及其心理物理量的測量的色度學；還有眾多的技術光學，如光學系統設計及現代光學儀器理論、現代光學製造和光學測試、幹涉量度學、薄膜光學、纖維光學等；還有與其他學科交叉的分支，如天文光學、海洋光學、遙感光學、大氣光學、生理光學及兵器光學等。可以預見，隨著科學技術的發展，現代光學這棵大樹會越來越枝繁葉茂，碩果纍纍。
隨著科學與技術的進步，21世紀的人類社會真正進入了高度信息化時代。人們的生活、工作無不與信息的傳輸、重組、分析、處理、存儲等密切相關。在3C技術革命(Communication通信、Computerization計算機化和Control控制)和3A應用(FA工廠自動化、OA辦公自動化和HA家庭自動化)的基礎上，社會運作對信息量的巨大需求將用3T來表徵(T表示1012):TB/s(太比特/秒)的信息傳輸速率、TB(1TB=1000GB)位的存儲容量和(1/T)s(皮秒，p=10-12，1ps=(1/T)s)的處理速度。由於電子技術受到荷電性、帶寬、互擾等固有的物理性質的限制，已很難滿足"3T"的要求。而光子技術無疑是對電子技術的發展與突破，成為信息化社會的另一主要支柱。"光子"的概念來自於愛因斯坦對光電效應的解釋，後來在有關原子、分子系統受激輻射與自發輻射的論述中就已經引入。但是對光子的進一步認識，直到在20世紀60年代雷射問世以後才真正開始。雷射、全息和光纖技術的興起，突出了光學的作用和地位，量子光學、光電子學及其技術的發展推動了信息科學的飛速前進。光波導技術的應用與推廣，使光纖通信與信息處理技術成為信息科學的一支生力軍。科學家們發現，電子學中的變頻、混頻、調製、解調以及通信、信息處理等都可以在光頻波段實現，因此自然就提出了把光學向光子學開拓的問題。與電子相比，光子具有如下特點：一是光子所涉及的波段波長較短，頻率高，因此解析度高；二是光子的速度快，因此處理速度快；三是光的平行性、抗幹擾性、空間互連性，這些性質具有更大的技術應用潛力。表1表明了電子與光子的共性與差異。從技術發展的角度來看，20世紀是電子時代(又稱微電子時代)，而21世紀被眾多學者稱為是光子時代，這是因為在未來高度信息化的社會裡，光子學具備了巨大的技術應用前景。信息技術包括信息的探測、採集、處理、傳輸、顯示、存儲與拷貝等。現代信息技術的基本要求有三大方面：第一，是信息的高密度。由於信息量和信息密度的急劇增加，使原來基於電波長波的傳送信息通道擁擠不堪，因而由長波轉向短波和超短波，最後又轉向光波，促使人們以光波作為信息載體，因此光通信、光記錄、光顯示等進入我們的生活。而且光波的應用也由紅外向短波、紫外方向發展。例如在DVD光碟中，若以藍光發射的雷射器代替紅光發射的雷射器，則光學數據存儲容量將增加2.5倍。第二，是信息的數位化。數位化量比模擬量更準確，易合成，易壓縮。從多媒體角度看，圖像的傳播用光波更直接更方便。因此在圖像信息的獲取、傳輸、存儲、處理、光電顯示等方面，光子技術具有不可替代的作用。第三，是信息處理的高速度。對複雜信息進行實時的高速採集、大容量的傳輸、高密度的實時記錄、大面積的真彩色顯示和複製等，都離不開光子的參與，還有各種現代儀器要求「光機電算一體化」(Optomechatronics)。因此光子學和光子技術在信息技術的諸多方面顯示出更大的優勢。光子技術應用的優勢主要體現在以下幾方面。1) 響應速度快。光子器件及其系統的響應速度快，例如光開關器件，響應時間可達飛秒(1fs=10-15s)量級，而電子器件及其系統的響應時間最快為納秒(1ns=10-9s)量級。光子信息系統的運算速度大大超過現有的電子信息系統，這一點在未來的信息技術特別是計算機技術上將會促成根本性的變革。1990年1月，美國貝爾實驗室完成了世界上第一臺數字光處理器，其核心部件的光開關速度達到每秒10億次，顯示了光子技術的高速度運轉和平行處理特徵。2) 傳輸容量大。光子信息系統的空間帶寬和頻率帶寬都很大，因此信息傳輸容量大，使信息交換和傳遞更加通暢。光纖通信的容量比微波通信的容量要大1萬到10萬倍，一路微波通道只可以傳送一路彩色電視或1千多路數字電話信號，而一根光纖可以同時傳送1千多萬甚至1億路電話信號。3) 存儲密度大。光存儲技術由於其信息存儲密度大、容量大、可靠性強、存取速度快和低成本等特點，得到廣泛應用。光碟早已進入多媒體終端和千家萬戶。光碟和光卡的存儲量比磁碟、磁卡要高出200至20000倍，而且不易磨損，不受外磁場幹擾，不受溫度影響。可以說光碟是20世紀以來，繼汽車、電視、微機之後的又一重大發明。有人預計，利用光子學方式可以實現三維立體存儲，其容量之大令人驚嘆，一旦關鍵技術取得突破，將會顯示出無與倫比的優勢。4) 處理速度快。高速度處理信息是光子技術最有潛力的應用。在光計算機中，與電氣布線相比較，由於光的頻率高，可以高速傳遞信息，而且可以利用多重波長、信息二維並列傳遞等，使信息傳遞能力大大提高。作為計算機的前處理技術還有模擬光計算、並列數字光計算等。光纖具有極好的並行性，可以同時並行處理二維信息、三維並行互連及並行處理，能克服馮諾依曼結構的電子計算機的瓶頸效應，特別有利於圖像的處理和傳輸。用光學方法可以演示神經網絡的圖像識別和復原的功能，現在具有並列處理、學習、自組織化機能的光神經網絡正處在開發和實驗中。光不需要阻抗匹配，不需要布線迴路，因此可以進行高速信號調製。這些特點遠遠超過了電氣布線的局限。5) 微型化、集成化。微光子技術與光子集成(PIC)技術將同微電子技術和集成電路(IC)一樣得到迅猛發展。微光子技術涉及梯度折射率光學、衍射光學、纖維光學等許多分支，已研製出許多微型光學陣列器件，由於光波波長短，光子信息系統的幾何尺寸將大大縮小。光子集成的特點是將有源電子器件(如半導體雷射器、光放大器、光探測器等)與光波導器件(如分/合波器、耦合器、濾波器、調製器、光開關等)集成在一塊半導體晶片上，構成一種單片全光功能性器件。這從根本上改變了集成光學和光電子集成中，有源無源器件分別集成後再利用光纖連接的弊端，使器件體積更小、功耗更低。1) 光子學與生物學相結合。生物的基本單元是細胞，細胞裡的DNA(脫氧核糖核酸)，呈雙重螺旋結構，由被稱為A、G、C、T的4種鹼基組成，鹼基有吸收光譜，其螢光壽命小於10ps(皮秒)，因此需要亞皮秒或飛秒級的脈衝來準確測量這些鹼基的光譜和螢光壽命，這樣就能準確地認識分子。生命是取決於遺傳因子這一物質的作用的，科學家希望能用光來控制遺傳因子，繼而控制生命和物質。人的大腦裡有大約1千億個神經細胞，信號從一個細胞傳到另一個細胞時，經過一個叫做突觸的接點。這個接點是不連續的，其間的信息由神經物質來傳遞，也就是說大腦或心靈的活動也是由這種神經傳遞物質所控制的，既然心靈活動是基於物質的作用，那麼就可以用光來控制。這方面的研究還有待於光學專家與生命科學家共同取得突破性進展。2) 光子學與飛秒化學相結合。20世紀30年代人們提出了化學反應的過渡態理論，把化學動力學的研究深入到微觀過程。過渡態只是一個理論假設，反應物越過這個過渡態就形成了產物。飛越過渡態的時間尺度是分子振動周期的量級，當時被認為是不可能通過實驗來研究的，因此在化學反應路徑上，過渡態成了未解之謎。到20世紀80年代飛秒雷射器研製成功，飛秒雷射器的脈衝寬度正是化學反應經歷過渡態的時間尺度。飛秒雷射脈衝如同一個飛秒尺寸的探針，可以跟蹤化學反應中原子或分子的運動和變化。美國加州理工學院的澤維爾教授率先應用飛秒光譜研究化學反應過渡態的探測，並取得了世人矚目的成就，因此獲得1999年諾貝爾化學獎，從而形成了飛秒化學這一物理化學的新學科。目前飛秒化學已經廣泛應用到化學和生命科學各領域。3) 光子學與醫學相結合。老年痴呆症是一種大腦退化病，由於它的不確定性使人們感到困苦憂傷。為了研究這種病，醫學上尋求一種對大腦無損傷的診斷方法。因為皮膚、骨頭和血液對波長在600~1300nm之間的光透過很好，已經有一種紅光探針用於診斷腦部疾病。科技人員用647nm波長的探針透過頭蓋骨進入大腦，在那裡使腦組織發出近紅外的螢光，這個螢光光譜返回並透過頭蓋骨被收集分析，帶回健康組織和疾病組織的一些特徵。這種技術叫做近紅外螢光光譜技術，它是完全無損傷的。用這種技術還可以測出服藥與不服藥的病人之間疾病變化速率的差異。可以預見，這種光譜技術有朝一日會成為治療腦部疾病的有力武器。4) 光子學與農業科學結合。雷射對有機體的作用是相當複雜的，到目前大致認為是雷射通過光、熱、壓力、和電磁場等效應對有機體發生作用。預計光子技術在雷射育種、作物生長期照射、雷射滅蟲等領域也會有更大的用武之地。光子技術還可以應用到農業生產。日本濱松光子公司的一個植物實驗工廠，利用半導體雷射器種植水稻，實驗表明，已經有一年收穫五季水稻的可能。由於沒有病蟲害，如果考慮上下五層並將種植密度提高5倍，則總收穫量可期望提高625倍。這對人類將是巨大貢獻。還有光電遙感技術，幫助人類解決目前所面臨的能源、糧食、氣象預報、環境監測等問題。資料表明，美國用光電遙感儀監視洪水、改造良田、探測農作物病蟲害、改進油田探測及小麥估產等5項，每年的經濟收益達15億美元以上。1) 光機電算高度一體化。光子學及其技術在生產實踐過程中的自動監控、圖像分析、精密測量、信息處理、能源利用、微觀探索等各個領域正發揮著越來越重要的作用。未來儀器要求光機電算高度一體化，它是光學、機械、電子、計算機等領域的高度融合，隨著雷射、光纖、微電子、計算機、高分子材料以及軟體技術的發展，光機電算一體化儀器將層出不窮。2) 光學超快速技術的發展。超快速技術產生於一個皮秒(10-12s)或飛秒(10-15s)數量級範圍的非常短的雷射脈衝，飛秒雷射器提供了極短的時間間隔內的相當高能量的脈衝，因此與其它技術相比，把由於熱彌散引起的效應和相關的損傷減小到最低的程度。超快速雷射器能在鋼鐵或其它微型機械的材料上鑽一個小孔而不引起附加的損傷。為了生物實驗和光學信息處理，已經試製出帶有微米量級運動部件的微型機械樣品。但超快速微加工技術仍然是一個新領域，有待進一步發展。3) 光學顯示技術的提高。除了高解析度電視(HDTV)外，利用全息技術的動態圖像的三維顯示，將發展成三維電影和三維電視，在澳大利亞黃金海岸的電影主題公園，人們已經欣賞到類似電影。紅、綠、藍光輸出的發光二極體(LED)已經在一些全彩色顯示上得到應用。而電子報紙和電子雜誌已經取得成功，隨著顯示器件的進展，將很快走向商業化，像普通報紙雜誌那樣靈活方便。4) 光計算機技術的突破。繼電腦之後，21世紀將是光腦發展的時代。人們預計，條件成熟時，光腦(光計算機)有可能取代電腦，光腦與電腦相比具有優勢如下：一是並行處理能力強，運算速度高，比電腦快1000倍。二是高速電腦由於產生熱量而影響速度，只能在低溫下工作;而光腦可以在室溫下工作。三是光子不需要導線，即使光線交接也不會產生相互影響。作為無導線計算機傳遞信息的平行通道，其密度是無限的。四是一臺光腦只需很小能量就能驅動，耗能相當於電腦的若干分之一。目前光腦的關鍵技術，例如光存儲，仍然是以矽基電子晶片作為心臟部件，如果能使光子互連立足在矽基材料上實現，發展矽基光子學將會帶來新的突破。還需要大幅度提高光腦的運算能力即增加光開關的數量。5) 光纖通信技術的發展。光纖通信是光子技術最具代表性的成就。光纖的出色傳輸能力使以光網絡為代表的寬帶傳遞與接入技術快速發展，成為新一代傳送網的基礎。人們樂觀地估計，隨著密集波分復用技術(DWDM)、碼壓縮等技術的應用，一根光纜所載荷的容量就足以滿足全球的話音通信。諸如可視電話會議、全自動化無人操作工廠、全球信息聯網等必將到來。6) 光帶——大容量離線存儲技術的發展。光帶是一種將數據信息存儲在條形介質帶上的光存儲器件，它結合了光碟和磁帶這兩種目前最流行的存儲技術的優點，兼有光碟的高密度和磁帶的總存儲量可以很大的優點，目前推出的產品在一個43cmX27cmX66cm的箱體內，存儲量可達1TB以上，按信號調製方式的不同，最大可達4.5TB，還具有數據傳輸速率快(高達180MB/s)、信息存取時間短(33GB/s，存取1TB的數據，平均時間10s)、系統成本低、存儲數據可靠、使用壽命長(大於100年)的特點。它是目前發達國家特別是美國正在積極開發的數字存儲技術之一。7) 光學器件的發展。未來的探測器件和成像器件將繼續向著高增益、高解析度、低噪聲、寬光譜響應、大動態範圍、小型化、固體化和真空與固體相結合的方向發展。隨著各種元器件性能的提高，將使圖像增強技術、低照度攝像技術、光子探測技術和紅外成像技術等躍上新的臺階。
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