国家二机部和中国科学院决定在西安建立一个研究所,目的是发展中国的核武器,同时解决用于核爆试验所必需的高速摄影以及耐辐照光学材料的问题,该研究所主要以承担核爆试验光测任务为方向。1962 年 3 月 27 日,原中国科学院西安原子能所、中国科学院陕西分院应用光学所等单位的人员进行合并。其中包括机械所的大部分人员和自动化所的部分人员。随后,“中国科学院光学精密机械研究所西安分所”成立。1965 年 12 月 27 日,该所更名为“中国科学院西安光学机械研究所”。1968 年 1 月,又更名为“中国人民解放军第 1503 研究所”。1970 年 11 月,再次更名为“中国科学院西安光学精密机械研究所”,并且一直沿用至今。现已发展成为综合性研究所,其重点在于战略高技术创新以及应用基础研究。

西安光机所设有五个学科方向,分别是瞬态光学与光子学理论与技术、高分辨可见光空间信息获取和光学遥感技术、干涉光谱成像理论与技术、高速光电信息获取与处理技术、先进光学仪器与水下光学技术。科研体系设置了四个研究部,即光子科学与技术部、光电技术部、空天技术部、先进制造部。总共辖有 27 个单元。拥有 1 个国家重点实验室,3 个中国科学院重点实验室,10 个陕西省和西安市的重点实验室及工程中心。主办并出版国内一级学术期刊《光子学报》,还出版国际期刊。
全所的员工数量为 1008 人。先后有 4 位专家被选为中国科学院院士和中国工程院院士。高级职称的人数有 462 人。国家级人才有 10 人。院级人才有 29 人。省级人才有 26 人。西安光机所目前有 2 个博士后流动站。有 4 个博士点。有 4 个硕士点。在学的研究生人数超过 600 人。
曾获 6 项国家科技进步特等奖、3 项国家科技进步一等奖、9 项国家科技进步二等奖、3 项国家科技进步三等奖;获 3 项国家技术发明二等奖、2 项国家技术发明三等奖;获 1 项国家自然科学二等奖;获 1 项中国科学院杰出成就奖;获 2 项陕西省最高科技奖。
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