留学百科：美国大学光学专业介绍

一、专业介绍

光学（optics）是物理学的重要分支学科。也是与 光学工程 技术相关的学科。狭义来说，光学是关于 光 和视见的科学，optics一词早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、 可见光 、 紫外线 直到 X射线 和 γ射线 的宽广波段范围内的 电磁辐射 的产生、传播、接收和显示，以及与物质相互作用的科学，着重研究的范围是从红外到 紫外波段 。它是物理学的一个重要组成部分。

在美国的大学中，光子学与光学属于EE的关键方向之一。本方向包括光电子学装置，超快电子学，非线性光学，微光子学，三维视觉，光通讯，软X光与远紫外线光学，光印刷学，光数据处理，光通讯，光计算，光数据存储，光系统设计与全息摄影，体全息摄影研究，复合光数字数据处理，图象处理与材料光学特性研究。

光电相关的研究有的电子与电气工程系，有的在物理系。EE偏重于工程应用领域的研究，如Optical Communications，Optoelectronic Devices等，Physics的集中于理论的研究，例如Quantum Optics，Nonlinear Optics等。

就业：

该专业基本都是面向医疗产业，制造业，军工业，跟个人消费关系不大。

企业方面：
激光器制造类： 国外有Trumph， Coherent， IPG等大企业，也有LightConversion, Superlum等小而高端的激光企业。国内有武汉高盛光电， 安扬激光等等。
光纤通信类： 华为中兴， 国外之类生产光纤及其应用的企业。
激光应用： 激光加工方面的国内有大族激光，国外有Precitec， LaserMech。 激光测量方面也是德国Precitec Optronik GmbH, Micro Epsilon, 英国雷尼绍Renishaw。
医疗方面：激光手术，光学相干层析， 德国卡尔蔡司等等。
成像方面: 设计相机镜头，设计眼镜，甚至设计电灯泡，这些属于光学设计范围。

科研方面：
太多了，超快激光，高能激光， 国家激光武器，国家激光点火装置，美国NIH。德国激光炮，激光粒度仪，三维扫描，超快激光加工，超快激光成像，非线性光学，光纤传感，量子计算，最近很火的metamaterial, 太赫兹， OCT。

二、光电涵盖领域

1、Fiber Optics：这个领域的研究主要集中在研究光纤性能和光纤材料，在光通信(Fiber Optic Communication)、光传感(Fiber Optic Sensing)以及光纤网络(Fiber Optic Networks)等领域有重要应用。

2、Nonlinear Optics Quantumn Optics：这个领域的研究主要集中在研究非线性光学材料(Nonlinear Optical Materials)，非线性光学器件(Nonlinear Guie Waves & Fibers)，光谱学(Spectroscopy)，周期性结构中的量子光学(Nonlinear Optics in Perioic Structures)以及孤子(Solitons)等方向的研究，应用体现在量子通信(Quantum Communication & Information)等领域。

3、Semiconuctor Integrate Optics：这个领域可以说是光电领域最纷繁复杂的一块，其研究领域有LED(LEDs & Laser Dioes)，光电半导体器件(Optoelectronics)，集成光电器件(Integrate Optics)，纳米光学(Nanophotonics)，外延生长(Eptiaxial Growth)，硅光子学(Silicon Photonics)，光伏(Photovoltaics)，量子点和纳米结构(Quantum Dots & Nanostructures)周期性结构以及光子晶体(Perioic Structures & Photonic Crystals)，Plasmonics等方向的研究。其应用非常广泛，在光通信(Optical Communication)，光信号处理(Optical Signal Processing)以及能源(Solar Energy Applications)等诸多领域都有广泛应用。

4、Imaging，Sensing Display：这个领域的研究有光电成像(Incluing Millimeter & THz Technology)，液晶显示(Liqui Crystals Displays)，应用非常广泛。

5、Lasers：顾名思义，这个领域主要是研究激光器，研究的方向包括各种激光器，有固态激光器(Soli State Lasers)、陶瓷激光器(Ceramic Lasers)、半导体激光器(Semiconuctor Lasers)、高能激光器(High Power Lasers)、超快激光器(Ultrafast Lasers)、X光激光器(EUV X-ray Lasers)、光频梳(Optical Frequency Combs)等等。应用主要集中在Laser Fabrication & Lithography，Laser Material Processing，Lasers in Meicine。

子方向名称汇总：

Microphotonics 微光学技术

Nano-Photonics 纳米光子学

Nanoscale an Quantum Photonics 纳米和量子光子学

Photonics-Ultra Fast & Nonlinear Optics 光子学-超高速&非线性光学

Quantum Optics an Mesoscopic Physics量子光学和介观物理

Angle-Resolve Photo-Emission Spectroscopy角分辨光发射谱

罗切斯特大学光学研究方向举例：

Research Areas

Key Areas

Biomeical Optics

Raman spectroscopy

Cerebral hemoynamics

Biosensors

Nonlinear optical microscopes

Detection an characterization of single viruses

Stuy of transmembrane proteins using single molecule spectroscopy

Photoynamic therapy

Light scattering spectroscopy

Confocal microscopy, fluorescence

Imaging of gene expression

In-vivo imaging

Real-time pathology

Image restoration

Single cell spectroscopy

Optical coherence tomography

Fibers & Optical Communication

Optical fibers

Fiber lasers an amplifiers

Lightwave system esign

Multimoe fibers

Large-moe-area fibers

Space ivision multiplexing

All-fiber evices

Photonic crystal fibers

Slow-light techniques

Simulate light scattering

Soliton propagation

Supercontinuum generation

Image Science & Systems

Quantum imaging

Image reconstruction an restoration

Wavefront sensing

Lensless coherent imaging, phase retrieval

Phase-error correction

Sparse-aperture an segmente-aperture optical systems

Fourier transform spectroscopy

Statistical ecision an estimation theory

Ray-base methos for wave propagation

Nanooptics & Nanophotonics

Light-matter interactions on the subwavelength scale

Near-fiel optical spectroscopy

Single molecule stuies

Nanostructure materials for sensing, absorption, an raiation

Nonlinear Optics an Nonlinear Photonics

Nonlinear optics of metals

Extreme nonlinear optics in intense fiels

Ultrafast material processing

BEC

Single photon etection

Entanglement

Slow light an fast-light

Quantum imaging

Composite photonic materials

Nonlinear optics of liqui crystals

Laser beam self-focusing

Apoize optics for high power lasers

Optical Engineering & Design

Liqui crystal optics

Opto-mechanics

Tolerancing

Optical system analysis

Optical metrology an system alignment by phase retrieval

Graient inex materials

Optimization

Noal aberration theory

Freeform optics

System assembly

Apoize optics for high-power lasers

Optical Fabrication & Testing

Mechanics an chemistry of polishing

Magnetorheological finishing, interferometry

Freeform optics

Optical instrumentation

Scatterometry

Metrology

Graient inex materials

Optomechanics

Optical coherence tomography

Optical Materials

Plasmonic materials for light localization an guiing

Carbon nanotubes, semiconuctors, quantum wells an quantum ots

Nanocomposite materials

Hyrogels

Nanostructure materials

Thin films

Liqui crystals

Graient inex materials

Nanocrystals ope with single emitters

Rare-earth ope materials

Optics Eucation

Unergrauate conceptual an mathematical unerstaning of optics, particularly plane waves an polarization

R.E. Hopkins Center for Design, Fabrication an Testing

Quantum optics

Quantum information

Nano-optics teaching experiments to stuents with iverse backgrouns

Optoelectronics & Lasers

Semiconuctor epitaxial structures for lasers

Optical etectors

High-power semiconuctor lasers

High-power an high-energy fiber amplifiers

Visible fiber lasers

Improvement of high-power laser quality

Microlasers

Physical Optics

Optical system iffractive moelling

Phase retrieval

Wavefront measurement

Theory an measurement of partial coherence an polarization

Beams with complex amplitue an polarization istributions

Connection between ray an wave moels of light

Spin an orbital angular momentum of light

Properties of strongly focuse fiels

Quantum Optics & Quantum Photonics

Quantum coherence

Quantum noise

Dark states

Entanglement

Quantum control

Wave packets

Multiphoton processes

Cavity QED

Nonlinear pulse propagation

Quantum information

BEC

Laser cooling an trapping

Photon etection

Quantum imaging

Single photon sources

Ultrafast Optics & High-Fiel Sciences

Supercontinuum generation

moe-locke lasers

Solitons

Ultrafast ynamics in solis

Atoms an molecules in strong fiels

High-energy-ensity matter

Laser plasmas

Femtosecon laser abiation

Ultrafast lasers

Terahertz technology

Vision & Ophthalmic Optics

In-vivo retinal phototoxicity stuy

High-resolution photopigment ensitometry

Ganglion cell function

Optical micromachining

Avance physiological optics laboratory

Superresolution of retinal images

Visual assessment

Visual correction

Cornea an corneal surface metrology

Cellular-resolution corneal imaging

Tear-film ynamics imaging

Corneal grafts

Contact lenses

三．学校介绍

三大光学中心：Universityof Arizona，Universityof Rochester，University of Central Floria

总体而言，U of Arizona和U Central Floria偏向Engineering，U Rochester更Theoretical一点，当然不是一概而论，需要看具体的方向和老板。

总的来说，U of Arizona各个分支都很强，但是大陆的学生本科毕业直接申PHD难度很大;

U of Rochester历来牛人辈出，理论研究尤其牛，每年也都会在中国大陆招几个人;

U of Central Floria的光学方向很全，液晶和激光尤其强悍，每年都会留几个名额给中国大陆的学生，比较倾向于招浙大的学生。直接进入这三所学校难度较大，很多中国学生都是transfer进去的，有的换系，有的换学校。所以大家如果被拒也不用灰心，录取比例实在比较低，其中有学校为了iversity的目的。所以如果实在非这几个不去，可以考虑曲线救国。

University of Michigan–Ann Arbor

光电专业实力很强，教授多，研究方向也比较全，其中Optoelectronics尤其强。UMichigan的Optoelectronics组规模很大，所以funing不是问题，每年都会招很多学生，不过申请难度也不小。

University of California–Santa Barbara

UCSB的光电集成电路是北美最强的几个集成光电中心之一(有可能是高校中最强的)。主要有四个教授：Colren，Bowers，Blumenthal，Dagli。前三个教授最近几年每年都有百万计的钱入账，几乎每年都会招人。Bowers每年都会招好几个。Dagli也很牛，但组规模小而精，几年只招一个人。如果想做光电集成电路，UCSB基本是最佳选择之一。还有两个LED的教授：Denbaars和Nakamura，其中Nakamura尤其牛。另外，做MBE的Gossar和做Quantum Structures anDevices的Petroff以前都是AT&TBell的骨干。那里所有的博士生都能保证有导师，有funing，科研环境比较宽松，条件也很好。尤其是electronicsphotonics方向，有非常充足的钱提供科研。作为三五族半导体的圣地，这里有北美最好的cleanroom之一，也有(可能是)北美最多的MOCVD和MBE。但是，总体来说UCSB的ECE不像其他学校，没有那么依赖中国人，所以UCSB的申请还是挺难的，photonics方向几年来也几乎没招几个中国人。

University of California–SanDiego

UCSD有个Photonics/Opto-ElectronicsProgram，下面有四个做光电的研究组。分别是High Spee Devices Group，OptoElectronicComputing Group，Ultrafast an Nanoscale Optics Group，PhotonicSystems Integration Lab，UCSD Photonic SystemsGroup，研究实力都还不错，毕竟地处加州。

University of California–Davis

又是一所UC系列的学校，继承了UC学校光电专业的强势。

Georgia Tech

这个学校工科特别大，比较全，所以排名很高。光电来说，基本上做什么方向的都有。不过据说这个学校如果套词没人回信是没有希望的，这个学校审材料的过程是先挑出一些特别好的，其他人的材料就被扔在那里，等着教授自己去拿。如果没有人拿你的材料，他就一直拖着，直到最后小米清理完一起来拒。

Ohio State University

OSU的ECE很大，做的东西很全，做光电的也不少，但是没有做的突出的。这个学校算是中国学生的大众情人校，每年也都会在大陆发不少offer。那边的中国学生和学生也特别多，和PSU情况差不多。

University of Minnesota–TwinCities

MN将ECE和Physics的从事光学的教授，拿出来成立了一个光学院，光学还做的不错。有不少较牛的教授，集中在做Nanophotonics和Optoelectronics方向。不过Minnesota地理位置实在太差，太冷，冬天最低可达零下50度。

Princeton University

该校的光电研究主要集中在Photonic Systems，Non-linearOptics，Nanophotonics以及Quantum Optics，研究组规模都不大，但是属于小而精的类型。

Harvar University

哈佛的ECE和Princeton差不多，都属于小而精的类型。不过哈佛的ECE近年来引进了一批牛人，其中光电和微波方向的不少，似乎要主攻这两个方向。有兴趣的同学可以看看，不过哈佛的申请难度不需赘述了。

University of Colorao–Bouler

又一所光电牛校，这个学校AMO很强。做应用的一般在EE系，跟产业联系很紧密。另外，它有一个Interisciplinary Program in Optical ScienceEngineering，是一个Physics，EE和Chemistry三个系合办的项目，可惜几乎只给美国学生资助.

Virginia Tech

学校的光学中心是全球最大的也是发展最快的光纤传感研究中心之一，在多个方向上都有开创性的工作，创办十多年来累计拿到美国政府和公司赞助的数千万美元研究经费。有研究兴趣相符的同学可以申请试试。

University of Delaware

所综排和专排都在70左右看似不起眼的学校却是太阳能电池研究的牛校。在这里可以做很多工艺方面的东西，导师都很好，funing很足。而且地理位置不错，和工业界结合紧密。

Lehigh University

ECE系里有个研究Photonics an DisplayTechnologies的分支，研究实力还可以，偏重理论研究，主要集中在做NanoPhotonics和 DisplaysSilicon以及 Silicon Photonics，总体来说申请难度不大。

New Mexico

这个学校一定要拿来好好说下，他授予专门的Optical Science an EngineeringPhD，是除三大光学中心之外的一个另类学校，据说光学很不错，分支很全面，可以从ECE和Physics同申这个PhDprogram。但是需要说一点的是这个学校地理位置一般，而且治安较差，黑人较多。

Okalahoma State University

和New Mexico很像，他授予专门PhotonicsPhD，据网上说他家也是根据program申请的，Photonicsprogram可以从EE，Physics，Biology申请，钱也可以从这三个学院要。但是他家给留学生的钱很少。申请费狂贵，但是处理速度较快。

U of Dayton

非常小的教会学校，地处Ohio，他们的光电项目叫Electro-OpticsProgram。他们的光电研究主要集中在Nonlinear Optics，有个中国教授Prof. QiwenZhan在那边，研究组实力还不错，由于学校实力不强，所以不建议申PhD。可以申Master，比较容易获得TA，不过就算没有TA学费也是很便宜的。

现在光学前沿方向有哪些？

1.超快光学(ultrafast optics)-更快更强更多彩：超快激光脉冲时域宽度极短
【“更快”的前沿是阿秒级。代表：德国马普所Ferenc Krausz- Attoworl , JASLab（老板Paul可能得诺贝尔奖, 加拿大光学头号人物）, Floria Attosecon Science an Technology(Zenghu Chang)以及Colorao Bouler的Kapteyn-Murnane Group】。
时域宽度极短的特性衍生出如下特性：

l 峰值功率密度极强（大于原子弹）: 激光驱动核聚变国家点火装置(美国NIF，四川绵阳中国神光)。超快激光精细加工：“冷加工”，热效应小，相关超快激光与物质相互作用物理模型构建和模拟都是热点。（下图为答主和同事用皮秒紫外激光全自动深度自反馈加工骨头（左）和木头（右）的成果）

l 时域宽度极短特性可实现超快成像(ultrafast imaging)。时域宽度是成像的“快门”，飞秒级别快门可对超快速移动的物体成像（飞秒脉冲的快门时间内，光子的移动距离为微米量级）。这里的成像是宽泛的概念，由飞秒脉冲来采集相关信号都算在“成像”范畴。代表：1999诺贝尔化学奖得主Ahme Zewail。

l 宽光谱的超快激光的频谱并不是连续的，而是呈现出 “光学频率梳” 的频谱形态。光学频率梳就像一把 “频域中带有标度的尺子” 一样，在跟某个具有待测量频率的光进行叠加的时候，通过测量低频的“拍频”就可以测量其未知的频率。频率梳在绝对距离测量方面也是研究热点。代表：2005诺贝尔奖得主Theoor Hänsch和John Hall。

l 超快激光可以产生非线性效应。 超连续光谱(supercontinuum, 代表：Robert Alfano。我自己实现过超连续光谱，能量调着调着突然间不可见光经过蓝宝石而变成五颜六色绚丽多彩，我当时立刻跳了起来！~ 下图就是我有红外光产生的超连续光谱)，自聚焦和成丝效应(filamentation)，太赫兹脉冲的产生和检测(THz-TDS)等都是热点。

2. 光学成像-更清晰，三维，集成化：

l 远场标记超分辨率成像（哈佛庄小威）： 利用荧光标记方法标记成像物体，多次曝光进而突破分辨极限。热点是利用此法解释各种化学和生物现象或者解析结构（比如细胞膜，细胞核，染色体等等），以及实现三维以及活体超分辨率成像。

l 相干光学层析 (MIT RLE Fujimoto)： 利用宽光谱光源的弱相干性实现光学层析，热点是更高的分辨率，更快的速度，OCT成像仪的微型化，以及利用多普勒OCT测量速度。

l 近场/远场超分辨率成像(2014诺贝尔化学奖Eric Betzig): 衍射极限的傅里叶光学解释指出，光场的空间分辨率有其极限，光场的向量k的任意分量大小不应超过k值的大小。但是近场（靠近某界面）是特例，因为近场的k的垂直于界面的分量是复数，这就给了近场光某些k分量大小大于k本身大小的可能性。近场光的这种特别性质可实现超分辨率成像。近场可以由光纤的细小端面产生，也可以由metamaterial的surface plasmonic产生。不过毕竟要距离界面小于大致一个波长的距离，十分不便。最新的热点，也是最有意思的事情在于，理论上远场超分辨率居然产生也是可行的！因为低频函数叠加可能产生局部高频（super-oscillation），

l 微型内窥镜&光电图像处理技术： 真希望以后做胃镜不用插那么粗的管子呀…

l 光声成像: 利用激光在生物组织中诱发的超声波来成像。代表是美国U of Washington的Lihong Wang, 他最近拿了一大笔经费。

l 视线外成像(Non-line-of-sight Imaging): 利用超快激光的在地面的散射对非视线内的物体成像（比如枪战片中两个人靠在一个直角的墙的两个面上），代表： CORNAR: Looking Aroun Corners 。 热点还包括对视线外运动的物体成像， 代表： nature.com 。

3.量子光学-更快更保密的未来“光脑”：
量子计算机（维也纳大学Zeilinger，中科大潘建伟）：量子计算机中的光子计算机是重要的一个方向。利用光子是玻色子而电子是费米子，光子不带电荷而电子带电荷等特性，他有望打破电子计算机的电子速度瓶颈，并可实现高密通道以及超高集成度（量子点激光器甚至可以小到0.1μm），最新的进展是玻色子采样量子计算机（ Boson Sampling on a Photonic Chip ）。 量子通讯：利用量子态的某些特性实现快速通讯以及无法破解的加密（BB84协议）。

4.光学控制：
光镊：领域代表：朱棣文。最近的热点是如何将其小型化。最近的热点是光学控制和微纳光学的结合应用( http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n6/full/nphoton.2011.56.html )以及利用Accelerating Beams对粒子进行操控， 代表 Moti Segev 。

5.量子光学-更快更保密的未来“光脑”：量子计算机（维也纳大学Zeilinger，中科大潘建伟）：量子计算机中的光子计算机是重要的一个方向。利用光子是玻色子而电子是费米子，光子不带电荷而电子带电荷等特性，他有望打破电子计算机的电子速度瓶颈，并可实现高密通道以及超高集成度（量子点激光器甚至可以小到0.1μm），最新的进展是玻色子采样量子计算机（ Boson Sampling on a Photonic Chip ）。 量子通讯：利用量子态的某些特性实现快速通讯以及无法破解的加密（BB84协议）。

5. 太赫兹光学-补全光谱的最后一块短板：得益于超快激光的发展使得稳定高能的太赫兹光源能够实现，太赫兹光子学填补了微波和红外光之间的光谱处女地。其他波段的科技和热点目前正热烈地移植到太赫兹波段：太赫兹雷达，太赫兹光源，太赫兹微纳光子学。太赫兹由于其特殊的波段，可以穿透塑料和纤维且非电离辐射，前沿应用包括安检、药品检测、医学检测等等。俄克拉荷马大学Daniel Grischkowsky（骑着野兽式大摩托上班的太赫兹之父）和Weili Zhang组，U of Rochester张希成，以及MIT Chemistry Nelson组（招了几个天大南开合办光电子技术科学专业的本科生），天津大学太赫兹中心韩家广/力组（跟太赫兹之父的组有合作，有钱，发了Nature Communications， Avance Materials， PRL等若干高IF文章），Argonne National Laboratory（太赫兹光源）。

6. 微纳光学：****非常热门，传统的光学器件无非是玻璃和金属的非微纳加工，而最近的微纳加工技术可以创造各种奇异特性的光学器件（比如超级透镜Superlens(Science上面最新进展在可见光波段： http://science.sciencemag.org/content/352/6290/1190 )，光子晶体光纤等），使他们有不同的光谱， 偏振，聚焦等特性。可以产生负折射率、隐身、自冷却（ http://www.nature.com/nature/journal/v515/n7528/full/nature13883.html ）等神奇光学效应。代表: Duke的Davi R. Smith, UC Berkley张翔、Vanerbilt U的Jason Valentine、普渡的VM Shalaev以及Imperial College Lonon的JB Penry，哈佛的Capasso。国内代表：国内浙江大学何赛灵、马云贵，光子晶体光纤（具有精细微纳机构的且有特别的性质的光纤）方面天津大学胡明列，异常透射微观模型方面南开刘海涛。

7. 集成光学-“大规模集成光路”是我们的目标：

l 门光路：科学家在开动脑筋制成经济实用而且可以集成化的光学三极管，有了光学三极管就有了光学逻辑门光路，然后就可以搞个什么大规模光路啥滴啦，不过困难非常多( http://www.nature.com/nphoton/journal/v4/n1/full/nphoton.2009.240.html )。同时科学家已经开始研究可以现场可编程逻辑门光路-光FPGA技术了，Nature Photonics即将发表一篇U of Ottawa的Jianping Yao的 “A fully reconfigurable photonic integrate signal processor”，真是让人心生激动，敬请期待。

l 半导体激光器领域（没错！就是小时候我们玩的“红外线”激光笔）：电脑要电源，光脑要光源。半导体就是未来的光脑的稳定的小型的光源。前沿是量子级联激光器(哈佛的Capasso group)，量子点激光器，超宽频半导体激光器（ nature.com 的页面 ), 半导体管激光器（ An electrically injecte rolle-up semiconuctor tube laser ），以及跟太赫兹相关的太赫兹量子级联激光器( Terahertz quantum-cascae lasers : Abstract : Nature Photonics )等等。

l CCD，CMOS，InGaAs等等光接收设备：方向是更高的带宽，更少的噪声，更大的动态范围，以及更高的敏感度-前沿是光子计数器这种对单个光子都有感知的灵敏探测器( http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n1/full/nphoton.2011.340.html ).

另外还有光调制，集成光波导传感器，各种光通讯集成器件（跟国内大规模的光纤入户运动很有关联哦！所以国内相关项目应该很有钱） 。 代表（浙大何建军，英国南安普顿的Davi Thomson，以及后起之秀SiFotonics公司)。

8. LED技术：2014诺贝尔物理奖得主Shuji Nakamura搞定蓝光LED之后，最新的热点主要是白光LED的效率提升和亮度提升。OLED(代表：U of Rochester的邓青云)以及量子点LED的研发。

实在太多了，就先列举这些，还有一些前沿，比如高能激光武器（美帝和天朝）、激光焊接、激光冷却、慢光技术、光纤传感、 光纤陀螺、LIFI（利用可见光传输无线网络信号）、激光测距、激光抛光、 激光近视手术、激光诱导细胞性质变异、光刻（荷兰 ASML , 芯片光刻机制造领头羊）、激光骨骼手术、激光增材制造技术(北航王华明院士)、光场相机、光存储等等