该方向学术带头人为王友文博士，方向成员共7名，其中博士6人(含在读2人)，硕士1人，高级职称3人，35岁以下4人。

光子学是关于光子及其应用的前沿交叉学科。 在理论上，它主要研究光子的量子特性及其与物质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测规律等。超快光子学研究领域是由超短激光脉冲技术开辟的，通过各种激光锁模技术，已经能把激光脉冲的脉宽压缩到飞秒(fs，10^-15秒)，并广泛应用于各个领域。一方面，飞秒激光提供了一种时间分辨率高达10^-15秒的光探针，使得人们有可能了解原子、分子的结构及其超快运动过程。通常，能探测运动过程的速度越高，对微观世界在空间的认识上则越细微。另一方面，脉冲的压缩与放大必然导致峰值功率的大幅度提高，以至能够获得峰值功率密度达10¹⁸-10²⁰W/cm²量级的光脉冲,其相应强度已达到并大于原子内的库仑场强。由此，一系列新问题、新现象、新效应、新规律、新机制和新应用等等便随之如雨后春笋般迅速涌现出来，一个个重要课题不断地吸引人们去研究和应用。

在众多课题中，非线性效应、色散效应在超快现象与技术中的物理机制、作用及其负作用的抑制研究不仅是一个重要的科学问题，同时也是一个重要技术难题，如激光脉冲在介质中的传输、光孤子的形成与传输、超短激光脉冲的放大与非线性频率变换、超宽带高亮度纠缠光子源的产生、超宽带全光波长变换、激光的高速调制与解调等等，非线性和色散都具有至关重要影响与应用，强度越大、脉冲越短，影响也越大。近年来，本研究方向围绕超快激光技术中的非线性与色散效应及其应用展开研究工作，主要包括：

(a)超短激光脉冲产生、放大、传输与聚焦的时空特性检测、分析、控制及应用的物理基础与关键技术研究。在超短脉冲的产生和放大过程中，强激光通过光学元件时，一方面由于元件表面微弱的反射杂散光经上下游元件的会聚放大可以对昂贵的光学元件造成损伤，另一方面元件表面小的污点或缺陷引起的散射光作为加在主光束上的调制，经下游元件非线性效应放大而增长，既可以直接导致元件本身损伤，也间接导致高强度“热像”而损伤在下游的昂贵光学元件，因此，这不仅是一个重要的科学问题，同时也是一个极为重要的技术难题。要解决这一问题，不仅要掌握调制和杂散光产生与增长的机理与规律，同时还要研究与发展如何抑制和消除调制的增长的方法与手段。

(b)新型超宽带激光脉冲的产生、放大与非线性频率变换技术及其物理机理与性能优化研究。超短脉冲的放大与非线性频率变换一直是超快激光领域的一个研究热点，由于光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术结合了光参量放大(OPA)技术和啁啾脉冲放大(CPA)技术的优点，已经取代再生放大器成为超短脉冲放大的主要方式，而要实现更高功率的超短脉冲超宽带OPCPA，必须解决两个科学与技术难题，一个是晶体色散特性对放大器带宽的限制即“带宽增益瓶颈”问题，另一个是高单脉冲能量泵浦源的同步问题。针对色散对带宽的限制问题，目前主要使用简并点模式、非共线模式、角色散模式、非均匀周期性极化晶体模式等来扩展相位匹配带宽，然而简并点模式只适用于特定的少数几个波长，而非共线模式、角色散模式、非均匀周期性极化晶体模式虽然解决了带宽问题，却并没有解决带宽与增益相互约束的问题，即所谓的“带宽增益瓶颈”问题。针对该问题，我们首次提出了一种基于“扇形周期极化晶体”和“空间色散”技术的新型的超宽带相位匹配参量放大与非线性频率变换技术，较好地解决了带宽增益问题，成为第四种超宽带放大与频率变换模式，具有广泛的应用前景。围绕该新型模式，我们对其物理机理、设计方法、性能优化及其应用开展了较深入的研究。

此外，我们还开展了应用新型光电材料的超快超短激光脉冲全域控制的原理探索及器件设计等方面的理论、数值模拟及实验、超快超强激光物理如飞秒激光在传输介质中的SC效应、飞秒激光脉冲与物质的相互作用、Z-扫描技术测量材料非线性系数、激光对半导体器件损伤效应与机制等研究工作。

(c)新型光子器件理论机理、设计与应用研究。石墨烯的主要研究领域一直集中于基础物理学和电子学。最新研究表明，石墨烯在光子学和光电子学领域也有重要的应用潜力，可用于制造超高速光学调制器，美国科学家研究表明，其能大幅提高数据包的传输速度，实现超快数据通讯。基于密度泛函理论的第一性原理，我们在石墨烯等层状材料以及低维体系等新材料的电磁及光学性质等方面的开展了探索性研究，取得了一些突破与进展。

近五年来，本研究方向获得国家高技术发展计划(863计划)科研项目2项(含参与1项)，省自然科学基金项目3项，教育厅重点项目1项和一般项目3项。并在高(峰)功率脉冲在复杂光学系统中的杂散光分析以及非线性调制增长特性、带宽抑制超短脉冲空间调制以及超短脉冲传输快速算法研究、新型光学格子材料在控制超短脉冲稳定传输、新型超宽带脉冲放大与非线性频率转换技术及其物理机理、基于独立再生放大器的OPCPA种子源与抽运源的高精度同步与测量技术、Z-扫描技术测量材料非线性系数、以及基于密度泛函理论的第一性原理研究石墨烯等层状材料以及低维体系等新材料的电磁及光学性质等方面有所突破，所得结果发表在《Physical Review A》、《IEEE Journal of Quantum Electronics》、《Applied Optics》、《Physics Letters A》、《Chinese Physics B》等国内外重要学术期刊上，SCI论文总数达20多篇，其中2篇获衡阳市优秀学术论文一等奖，申请国家发明专利3项，获得授权1项。