為進一步加強科技前瞻研判，引領(lǐng)原創(chuàng)性科研攻關(guān)，打造學術(shù)創(chuàng)新高地，推進科技自立自強，按照《中國科協(xié)辦公廳關(guān)于征集2023重大科學問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題的通知》 (科協(xié)辦函創(chuàng)字[2023]8號)文件要求，中國光學工程學會面向國內(nèi)外科技組織和科技工作者，共征集58個全球共同關(guān)注的前沿科學問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題。經(jīng)過專家委員會函評和終審評議，共評選出15個前沿科學問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題。

5個前沿科學問題

      2014年諾貝爾獎授予了將光學顯微帶入納米尺度的超分辨熒光成像技術(shù)，但其依賴于熒光標記，且時間分辨率較低。壓縮超快成像技術(shù)兼具飛秒時間分辨率和極高數(shù)據(jù)壓縮比，但以犧牲空間分辨率來觀測超快動態(tài)過程。發(fā)展超快超分辨成像技術(shù)，在無標記寬場成像下實現(xiàn)時-空分辨率的協(xié)同突破，將極大推動人類對各類超快微觀現(xiàn)象的認知，助力“追光捕快、察微顯納”的新成像體系建設(shè)。

      自從認識光現(xiàn)象起，人們便嘗試不斷改變光的“造型”。從早期的透鏡聚焦光能，到現(xiàn)代顯微技術(shù)中的復雜結(jié)構(gòu)光、激光雷達形貌測量中的點陣投影等，還有精細激光加工中超長焦深的貝塞爾光束、具有彎曲空間傳播軌跡的艾利光束等。對光的塑造能力越高、對其利用程度也越高。為此，應從原理上探索塑造光的極限，即人們能以多高的自由度塑造光？

      光學元件的性能在很大程度上受到可用光學材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制?；诔砻娴钠矫婀鈱W器件以及各類新型微納元件有望將核心光學元件縮小到幾百微米級別，相比傳統(tǒng)復雜光學系統(tǒng)體積顯著減小了六個數(shù)量級。但如何確定具有特定功能的光學系統(tǒng)的體積理論極限還有待研究，從而進一步實現(xiàn)微型化、微型化與集成化，將在AR/VR、遙感探測及未來納米科技等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。

      面向未來十年或更長遠時間，光電子芯片集成度的增長會遇到瓶頸，相應的容量要擴展到Pb/s量級會遇到許多根本性的限制。本科學問題涉及芯片容量、尺寸、功耗三個方面的理論和技術(shù)的極限，需要在超寬帶透明光電材料、高集成度器件中的光場調(diào)控、高效率低功耗調(diào)諧機理等方面研究變革性的新原理和新技術(shù)。

      采用光學方法來實現(xiàn)運算處理和數(shù)據(jù)傳輸是后摩爾時代算力、功耗問題極具潛力的解決途徑之一。光子具有光速傳播、抗電磁干擾等特性，以及具有天然的多維復用和并行計算優(yōu)勢，十分契合人工智能等應用領(lǐng)域大數(shù)據(jù)處理的需求。但目前光子計算面臨著很多挑戰(zhàn)，例如光子芯片的集成度仍有待提高；計算精度仍低于電子芯片，器件架構(gòu)未優(yōu)化，上述挑戰(zhàn)亟需研究。

5個工程技術(shù)難題

      依托我國神光裝置，攻克甚多束超短脈沖激光高效優(yōu)質(zhì)相干合成、超高信噪比管控、等離子體壓縮等核心難題，突破EW超強激光高增益、高品質(zhì)、高負載三大受限條件，國際上率先實現(xiàn)EW級峰值功率激光輸出，率先進入超相對論物理等前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，輻射帶動平均功率萬瓦級超短激光技術(shù)發(fā)展和應用。

      超大型空間光學裝置是當前世界宇航企業(yè)重點發(fā)展的綜合性大系統(tǒng)工程方向。在軌組裝和維護則是構(gòu)建超大型空間光學裝置的重要技術(shù)途徑，即將系統(tǒng)的各個組成模塊發(fā)射入軌，再利用空間操控工具對各個模塊進行在軌組合和裝配。該技術(shù)的實現(xiàn)將引領(lǐng)彈性可重構(gòu)光學遙感系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，并為未來空間飛行器維護與服務奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

      能夠執(zhí)行探查、識別、飛行、定向打擊等任務的微型機器人對功耗、尺寸、功能要求十分苛刻?，F(xiàn)有設(shè)備集成化程度低，處理數(shù)據(jù)量大，成像體制單一，無法實現(xiàn)一體化探查。為解決這些問題，可采用感存算一體化仿生架構(gòu)，突破光電融合集成、智能感知處理等關(guān)鍵技術(shù)，挖掘低頻有效信息，降低能耗壓力，實現(xiàn)高功能密度、極小型化、極低功耗的一體化光電集成芯片。

      原子、電子是自然界許多現(xiàn)象的核心，其結(jié)構(gòu)及運動狀態(tài)決定了所構(gòu)成物質(zhì)的宏觀特性。原子、電子的運動發(fā)生在飛秒至阿秒的超快時間尺度以及皮米的超小空間尺度上，因此，需要同時具備“皮米空間分辨率”與“阿秒時間分辨率”的阿秒電子成像技術(shù)以實現(xiàn)對原子-亞原子微觀世界中超快動力學過程的探測與控制，揭示材料中各種功能的微觀起源。

      地球重力場是地球的基本物理場之一，反映了地球表層及內(nèi)部物質(zhì)的空間分布、運動和變化，同時也決定著大地水準面的起伏和變化。利用高精度冷原子重力梯度儀對全球的重力梯度進行高時空分辨率的測量，可以更好地監(jiān)測揭示海洋環(huán)流活動規(guī)律，全球陸地水儲量變化，冰蓋和大型冰川系統(tǒng)的質(zhì)量平衡，為人類未來的生存和發(fā)展制定科學的應對策略。

5個產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題

      隨著AI、下一代數(shù)據(jù)中心、激光雷達、衛(wèi)星通信等戰(zhàn)略應用迅速發(fā)展，單一集成光子材料已不能滿足產(chǎn)業(yè)需求。以III-V半導體、薄膜鈮酸鋰為代表的硅基光電異質(zhì)集成可融合多種光電功能材料的優(yōu)勢，將成為高端光子芯片在上述應用領(lǐng)域的重要解決途徑。

      鑒于光電異質(zhì)集成國際競爭態(tài)勢，我國迫切需要提升高端異質(zhì)集成光子芯片的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化能力，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

      2022年，激光產(chǎn)業(yè)銷售收入大于800億。然而，支撐我國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的激光參數(shù)測試儀95%依賴進口，年高達3億元。特別是激光時域和空域參數(shù)測試計量缺失，全部依賴德國、美國、加拿大等儀器。典型的包括：測量皮秒、飛秒和阿秒的自相關(guān)儀、FROG和SPIDER等；千瓦級功率激光光束質(zhì)量測試儀等。測試儀器短板，風險大，是急需攻關(guān)的問題。

      傳感器是物理與數(shù)字世界紐帶，萬物互聯(lián)基石，對國力有重要影響。目前我國低端傳感器產(chǎn)能過剩，中高端傳感器自主可控率低。小到手機攝像頭、大到汽車發(fā)動機，中高端傳感器嚴重限制了我國產(chǎn)品市場競爭力。傳感器專業(yè)點多面廣，對材料、集成電路等基礎(chǔ)工業(yè)水平要求高。如何實現(xiàn)中高端傳感器自主可控是一個關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)技術(shù)難題。

      智能化、網(wǎng)聯(lián)化已成為各國汽車產(chǎn)業(yè)博弈未來的戰(zhàn)略制高點，李克強院士提出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的中國方案—“車路云一體化融合系統(tǒng)控制”的技術(shù)路線。在路側(cè)通過將激光雷達、毫米波雷達和攝像頭融合在一體，具備全天候全息環(huán)境感知能力，并有傳輸延遲低、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)精度高、易維護安裝的特點，可以解決交通擁堵、交通事故兩大核心痛點，進一步提升我國交通信息化、智能化。

      作為近半世紀光通信行業(yè)基礎(chǔ)媒介的實芯光纖正面臨容量與時延兩項限制。反諧振空芯光纖在理論損耗、帶寬、非線性和介質(zhì)光速等方面全面優(yōu)于實芯光纖，將對光纖、光器件、光網(wǎng)絡系統(tǒng)形成顛覆性變革，有望構(gòu)建下一個50年的光通信生態(tài)。其理論損耗極限、將損耗降至可商用水平并實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)制備，是亟待突破的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。