光學發(fā)展與社會進步

一、前 言

人從降生開始，光就伴隨其一生。宇宙的發(fā)展與光的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。光學的發(fā)展過程是人類認識客觀世界進程中的一個重要組成部分，是不斷揭露矛盾和解決矛盾，逐漸從不確切認知走向確切認知的過程。

光學無處不在，太陽能的利用，藍光的發(fā)光，激光的焊接和切割，電影的放映，光纖通信，光合作用，X光的應用和顯微鏡的應用等等。光學儀器已在人們日常生活中起著無可替代的作用。列舉一個最熟悉的例子，我們每天都在使用的手機就使用了三十多項光學的技術：光學玻璃、激光切割光滑的玻璃表面、激光打標、OLED 和液晶顯示、擋光版、背光照明、實現(xiàn)彩色的偏振片和濾光片、增加清晰度的增透膜、照相的鏡頭、成像的CCD、芯片的制造、光刻技術的應用、通過光纖進行信息的傳輸、藍牙無線紅外通信、光纖傳感和投影等。

光學研究對自然科學的發(fā)展起到了非常大的促進作用?；乜礆v史，第一個諾貝爾物理學獎授予了倫琴，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，揭開了20 世紀物理學的革命序幕，促進了現(xiàn)代物理學的誕生。2002年諾貝爾物理學獎仍然與X射線相關，授予了對天體物理有開創(chuàng)性貢獻的宇宙X射線源的發(fā)現(xiàn)，打開了宇宙新窗口。進入21世紀，多項諾貝爾獎授予了光學領域，2017年的諾貝爾物理學獎授予了引力波的探測研究，表彰獲獎者們構思和設計了干涉儀引力波天文臺，驗證了愛因斯坦的百年預言，為人類探索宇宙配上了“耳朵”。2014年的諾貝爾物理學獎授予了半導體照明研究，藍色發(fā)光二極管的發(fā)明使白光可以以新的方式被創(chuàng)造出來，人類可以擁有更加持久和高效的燈光替代光源，這也是與光學緊密相關的。2014年諾貝爾化學獎同樣授予了光學研究領域，因光學顯微成像技術的最高分辨率一直無法超過光波波長的一半，被認為是光學顯微鏡理論上的分辨率極限，而獲獎者們卻將超分辨熒光顯微技術的極限拓展到了納米量級，一百多年沒有人能夠突破的極限被三位科學家成功地繞過，使得透視生命體分子的運動成為可能。2009年，諾貝爾物理學獎被授予英國華裔科學家高錕及美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。高錕在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就。博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件—電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器，光纖通訊及CCD成像技術都與我們的日常生活息息相關。

光學顯微鏡

(a) 藍光LED; (b) LED

威廉·康拉德·倫琴和X光照片

光學是物理學中古老的學科，又是當前科學研究中最活躍的學科之一，推動著人類對自然的認知和人類社會的進步。

聯(lián)合國教科文組織宣布2015年為“光和光基技術國際年”(簡稱國際光年)，以紀念千年人類在光領域的重大發(fā)現(xiàn)。光科學及其應用帶來了直接改變人類活動的革命性的技術，但是，這些重要的技術進步卻常常未能吸引人們的關注。國際光年是推進光和光基技術進步、深化國際光學領域合作、促進光學學術交流、普及光學民眾教育的一次重要契機，成為在國際光學工程領域產生廣泛深遠影響的一年。

 2015 國際光年

2018年5月16日，確定每年的這一天為國際光日，以紀念1961年這一天的紅寶石激光誕生。光日的四大理念在于：1. 光在人類活動最基本的層面發(fā)揮了最核心的作用。光是生命本身的起源，比如光合作用，沒有光合作用人類將無法生存。2. 以光為基礎的工業(yè)是主要經濟驅動力，光的許多應用通過醫(yī)學、通信、娛樂和文化徹底改變了社會。例如，光基技術通訊提供信息促進可持續(xù)發(fā)展，提高社會健康和福祉，直接影響人類的需求。3. 以光為基礎的技術越來越多的為全球挑戰(zhàn)提供解決方案，包括太陽能利用，特別是能源、教育、農業(yè)和公共衛(wèi)生等領域，應用光基技術改善發(fā)展中國家的生活質量是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展重要目標的關鍵。4. 隨著光成為21世紀科學與工程交叉的關鍵學科，全世界已經充分認識到光學研究的重要性，以及光基技術對全球發(fā)展的重要性。同樣重要的是，最聰明的年輕人繼續(xù)被這個領域的科學和工程事業(yè)所吸引。

二、光的認知歷程

光的認知過程可簡單劃分為兩個階段，17世紀以前的直觀體驗階段和17世紀以后的科學認知階段。

中國人在直觀體驗的感性認知上是很有創(chuàng)造力的。公元前400 年，墨子用很美的詞句來描述了光的直線傳播和小孔成像，這是最早的小孔成像技術記載。“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下……”。指出了小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”來比喻光線徑直向、疾速似箭遠的特征。西漢時期記載，我們的祖先將冰削成球狀，對著太陽，在太陽的“影子”位置點燃艾草生火。這是世界上最早的光的聚焦和對太陽能利用的范例。公元500年左右，唐朝記載光是有顏色的，且顏色是光照到雨滴上產生，是光的本質而不是雨滴的性質。古人很早就提出了這個概念，但很遺憾并沒有進一步從數(shù)學角度對這些光學現(xiàn)象進行描述，進入17 世紀我國在光學領域的發(fā)展與世界水平逐漸有了差距。

光的顏色

17世紀光學在歐洲誕生了，歐洲成為了當時光學研究的前沿陣地。幾何光學和波動光學，從數(shù)學和科學的角度描述了光。幾何光學闡述了光的直線傳播、反射、折射等，波動光學闡述了光是一種電磁波，光學研究進入了科學認知的歷程。科學認知即光的科學，需要了解光的本性是什么、光是怎么產生的、怎么傳播的，以及與物質的相互作用，甚至通過物質的相互作用怎么去調控光，這些也正是光科學研究主要內容。

幾何光學是光學發(fā)展史上的轉折點，在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。其中最重要的是光的折射定律，折射率決定了光的傳播和光的相互作用，是光學研究中最基本的數(shù)值，介電常數(shù)與極化率等都是與折射率緊密關聯(lián)的常數(shù)。折射定律的出現(xiàn)和應用奠定了光纖通訊的基礎。折射定律在人類生活中也經常被發(fā)現(xiàn)，比如海市蜃樓的現(xiàn)象。當光線在同一密度的均勻介質內傳播時，光的速度不變并且以直線方向前進?？墒钱敼饩€傾斜地由一個介質進入另一密度不同的介質時，光的速度就會發(fā)生改變，行進的方向也發(fā)生曲折，這是因為折射率的不同決定了光的傳播的角度不同。假如在地平線下有一艘輪船，一般情況下是看不到它的。如果在冰冷的海面上，下層空氣溫度低、密度大，上層空氣溫度高、密度小。由于這時空氣下密上稀的差異較大，來自船舶的光線先由密的氣層逐漸折射進入稀的氣層，由于折射率的連續(xù)變化，光線發(fā)生彎曲，又折回到下層密的氣層中來，最后投入我們的眼中，就能看到輪船的像，即海市蜃樓的顯現(xiàn)。在沙漠里看到虛幻的樹木水源，也是同樣的原理。利用折射定律可以解釋生活中很多的科學問題和應用問題。我們在科研實驗中誕生的大的光學儀器也離不開折射原理的應用，照相機，望遠鏡等接連出現(xiàn)。隨著透鏡的發(fā)展，更進一步促進了幾何光學的發(fā)展。透鏡與物體之間的距離改變時成像會有不同，透鏡的組合還會增加放大倍率，從而實現(xiàn)了顯微鏡放大成像，人們可以看清楚微小的物體，這些對人類社會發(fā)展的影響非常大。

海市蜃樓

17世紀下半葉，牛頓和惠更斯等把光的研究引向進一步發(fā)展的道路。1672年牛頓完成了著名的三棱鏡色散試驗，經過三棱鏡的太陽光可分出五顏六色的光，這是最早的波長的概念。但是，牛頓卻認為光是粒子性的。牛頓的微粒流的假設則難以解釋光在繞過障礙物之后所發(fā)生的衍射現(xiàn)象?；莞狗磳獾奈⒘Ｕf，認為光是波動的。光向外傳播類似于將石頭擲于水中，波向外傳播，每一點都是一個源，再次向外傳播。這與光是粒子的，類似于打子彈，是一個粒子一個粒子的向前傳播的學說相矛盾?；莞惯\用他波動理論中的次波原理，不僅成功地解釋了反射和折射定律，還解釋了方解石的雙折射現(xiàn)象。這個時期也可以說是幾何光學向波動光學過渡的時期，是人們對光的認識逐步深化的時期。

1801年，楊氏干涉實驗證明了光的波動性。托馬斯·楊把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源。在帶孔的紙后面再放一張紙，將第二張紙開出兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，到達不同位置時位相不同，疊加后出現(xiàn)強度的增強或減弱，會形成一系列明、暗交替的條紋，這就是著名的雙縫干涉條紋。雖然這一實驗充分證明了光具有波動性，但是光的波動理論仍然不被人們認可，光的波動性一直處于爭論之中。

當時歐洲科學中心，法國科學院提出了一個著名的題目—泊松亮斑，菲涅爾成功地利用這一題目證明了光的波動性。菲涅爾將屏孔的尺寸改變成與波長量級相當?shù)拇笮?，實驗中發(fā)現(xiàn)屏幕上出現(xiàn)了干涉條紋，中間出現(xiàn)了亮斑，證明了光的波動性。

光的波動性被認可后，促進了電磁學的快速發(fā)展。麥克斯韋方程是現(xiàn)代電磁學的基礎，而光的所有性質都可以用麥克斯韋方程來解釋， “光也是一種電磁波”這一觀點逐漸被大家認可。從無線電波到伽馬射線都是電磁波，光只是其中很小的一部分，而可見光400~700 nm 的波段是更小的一部分，但卻是人們最感興趣的波段。光的波動理論更是促進了光譜儀、干涉儀、傳感器、鍍膜光學器件等的出現(xiàn)。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

光也是一種電磁波

19世紀末，經典物理的大廈已經建成。湯姆遜在新年祝詞中講到，經典物理中只剩下“兩朵黑云”，其中一朵與光學緊密相關，即波動理論的困惑。用波動理論計算黑體輻射會無限大的增強—瑞利金斯曲線，與實際測量不符，即紫外災難。為了解釋這個難題，數(shù)學家普朗克從物質的分子結構中借用不連續(xù)的概念，提出了量子論。他認為光的能量是一份一份的，并不是連續(xù)的，這可以很好地解釋紫外災難。

阿爾伯特·愛因斯坦

愛因斯坦提出光量子學說，用光電效應證明了光的粒子性，并獲得諾貝爾物理學獎。這標志著光科學的研究進入了量子光學時期。而另一個促進量子力學誕生的重要研究是對“太陽黑線”的研究。應用光譜儀測量陽光照射的譜線中總是有幾條穩(wěn)定存在的譜線，起初人們無法判定黑色譜線的來源，后確定為太陽光到達地球的過程中吸收了大氣中的某些元素，于是在太陽光譜中就沒有這些頻率的光波，形成了暗線。但吸收線為單線，為了解釋此現(xiàn)象，波爾提出了原子構造學說，認為原子由原子核和核外電子組成，電子存在不同的能級，吸收光子后電子從下能級躍遷至上能級將光子能量吸收，由此提出了原子結構和能量不連續(xù)性，解釋了太陽黑線現(xiàn)象，量子力學由此誕生。我們可以看到，光學在量子力學的建立過程中做出了重要的貢獻。光子概念的提出、光電效應的發(fā)現(xiàn)、紫外災難的解釋、光譜暗線的解釋，以及能級的概念提出等，這些研究奠定了當代量子物理學的框架，而量子物理學的發(fā)展又促進了光學的巨大發(fā)展。

三、現(xiàn)代光學時期

現(xiàn)代光學是基于激光的發(fā)展而建立起來的。激光的發(fā)明是光學發(fā)展史上的一個革命性的里程碑。

紅寶石激光器的誕生使人類第一次得到自然界中不存在的光源——激光。由于激光具有強度大、單色性好、方向性強等一系列獨特的性能，很快被運用到材料加工、精密測量、通訊、測距、全息檢測、醫(yī)療、農業(yè)等極為廣泛的領域?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展，又使激光進入了超快超強領域。激光器可以產生4fs(1fs=10-15s)的超短脈沖，如此短的時間標尺可以度量飛秒量級的物理變化。物質穩(wěn)定存在是因為原子核有足夠的束縛力將電子禁錮，以氫核對電子的作用為例，作用力大概為1016 W/cm2?，F(xiàn)在激光器產生激光的強度可以達到1021-22 W/cm2，那么激光場強對于原子的作用力就不再是微擾量級，很容易將電子與原子核撕裂，可以探索亞原子量級的微觀結構。

激光創(chuàng)造了極端的時間尺度和極端的場強，極大的擴展了光學的應用，將應用擴展到高分辨光學測量、高強度非線性光學、相對論非線性光學、超快動力學和強場物理等領域。利用飛秒激光探究分子的解離過程的研究獲得了1999年諾貝爾化學獎，應用激光的超高時間分辨率的特性去探測分子的解離過程，對化學研究來說具有非常重要的意義。激光聚焦可以實現(xiàn)電場高達1012V/m，超強激光與等離子體相互作用，產生的加速電場可以比常規(guī)加速器高出千倍以上。此外，光也已經成為當代計量的新標尺，1983年第17屆國際計量大會上確定：米是光在真空中傳播1/299792458秒時間間隔所經路徑的長度。

1960 年美國科學家梅曼宣布獲得了激光

光是現(xiàn)代科技的重要驅動力，光學與信息、先進制造、能源、健康和國家安全密切相關，推動人類社會的發(fā)展。

1. 光與信息：光纖通信、光開光、光全息、CCD成像、光量子通信、立體電影、光纖胃鏡，計算機等等，都能體現(xiàn)光與信息的關系。以互聯(lián)網計算機為例，如果將光的作用去掉，依賴光纖通信的計算機信息傳輸和依賴光刻的芯片加工將不復存在，整個信息時代就消失了。光信息傳播是以0、1信息先編碼，傳輸后再解碼來輸出信號，那么光開關決定了信息的通過，有光通過為1，無光通過為0，光開光的響應速度決定了信息傳輸?shù)目炻，F(xiàn)在新興的自動駕駛的感知也是依賴光學，車輛的行駛路線、周邊的物體避讓和路況環(huán)境的確定等，都是通過光學信息的采集和處理來實現(xiàn)的，光和信息始終緊密地聯(lián)系在一起。

2. 光與先進制造：光刻技術已經將波長越做越小，現(xiàn)在可做到幾納米的量級和精度，甚至可以制造納米和微米尺度的微結構，廣泛應用于生命科學和醫(yī)療等領域。激光打標、激光切割、3D打印等應用也無處不在。例如，現(xiàn)在百分之七十以上的汽車構造都是用激光焊接的技術完成，焊接效果幾乎與原型一致，增加了車體的穩(wěn)定性和安全性。

3. 光與能源：LED 光源由于其電壓低，能耗低，安全性高，目前已經得到普及使用。激光分離鈾同位素、激光聚變、太陽能的利用等能源領域都是光學重要的應用體現(xiàn)。

4. 光與健康：X光的發(fā)現(xiàn)深刻地影響了醫(yī)學領域的發(fā)展，DNA雙螺旋結構就是科學家應用X光解析出來，引發(fā)了醫(yī)學領域顛覆性的變革。光學顯微鏡的出現(xiàn)，使得人們可以觀測細胞、染色體等，隨著觀測精度進一步提高到百納米量級，更可觀測高分辨熒光蛋白的細微結構，對生物物理的發(fā)展起到了極大的推進作用。激光美容、激光眼部手術已經是成熟的技術，被廣泛地應用在美容醫(yī)療領域。

5. 激光與國家安全：激光安檢、激光武器、激光制導、激光測距、激光導航等，激光幾乎是安全和國防等研究領域的必備利器。

“光纖之父”高錕

從公元前墨子對光的描述，到1665年顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，1704年牛頓光學的出版，1865年麥克斯韋方程的誕生，1905年光電效應的發(fā)現(xiàn)確定了光的量子特性，1960年激光的誕生，1965年光纖理論的提出，1973年第一代光纖技術的發(fā)展，1999年飛秒激光作為時間分辨對超快動力學的技術測量，這些都是光學發(fā)展史上的里程碑。21世紀是光的世紀，光以其不可替代的作用促進著科學及社會的進步。

四、光的未來

光有怎樣的未來，未來我們可以做什么？不難預測，我們將可以得到更多極端的條件，光場的操控方式發(fā)生了根本性的改變。首先可以產生非常短的脈沖，目前商用儀器產生的光脈沖最短可達到4fs，另外可精確控制相位，形成完全不同的場強分布。光場模式多樣化，可進行波長、相位、頻率、位置、時間等條件的操控，增加了物理學研究中的變量，拓展了物理學研究的方向和極限。同時也可以在空間尺度進行調控，可突破光的衍射極限，借助一些微納結構將光斑尺寸約束至納米尺度以下，比如表面等離激元，可以帶來全新的光學研究思路?？臻g小尺度光學的出現(xiàn)，開拓了近場光學的研究，包括表面等離激元的研究、人工納微結構的研究、特異材料的研究、微納光電子器件的研究等。納米光學和激光光學的發(fā)展可以使得光與物質相互作用區(qū)更小，相互作用尺度更小，使得光信息技術步入了新的時代。

時間小尺度方面，飛秒激光與物質相互作用后可以產生阿秒(as)激光(1as=10-18 s)，現(xiàn)在實驗室通過飛秒光高次諧波產生的最短的阿秒光脈沖可達到46as。阿秒的出現(xiàn)使更小時間尺度方面的觀測成為可能，我們也就擁有了更短的標尺。氫原子中電子繞核運動一圈的時間是150as，如果我們擁有時間尺度為46as 的標尺，就可觀測電子的運動過程，這是非常有意義的。但是目前人們還面臨著阿秒光脈沖能量較低等困難，很多研究還不具備實驗條件，這也是光學未來需要攻克的目標。

超快技術也應用在生命和材料領域的研究中，光的多維調控為這些交叉領域研究提供了豐富的手段，如生物大分子的四維成像、超快動力學與飛秒醫(yī)學等等，這些都是非常前沿的光學領域的嘗試。比如，以前我們可以產生的光斑是圓的，現(xiàn)在卻可以將光斑中心變成圓的空洞，偏振變成鏡像、橫向或者螺旋偏振，突破了原來的線偏振、圓偏振和橢圓偏振等等。正是由于有了多樣的光結構，應用普通光和結構光先后照明，使空洞處保留原來的粒子的空間分辨，此技術突破了光學顯微技術在理論上的極限，實現(xiàn)了納米高分辨成像。此外，將光脈沖展開成不同的脈沖形狀，利用脈沖整形對動力學過程、分子形成和解離、生命和材料等的反應過程進行人工調控。通過精密調控光脈沖各點的位相和振幅，構建特定光場結構的波陣面，實現(xiàn)光場偏振態(tài)剪裁，可以控制細胞等微觀粒子的運動。

在超快計算領域，要求現(xiàn)代的微電子芯片計算量大、計算速度快。通常情況下，超快計算是通過計算機并聯(lián)實現(xiàn)的，但并聯(lián)導致能量損耗非常大。如果在微電子芯片里加入光芯片來實現(xiàn)光信息的傳輸，用光來進行機器間的交互，可以很好地解決能耗問題，極大的增加運算和傳輸速度，為未來計算和信息處理提供了新的方法。

飛秒激光時域和頻域的控制還可以對光合作用中的過程進行詳細的研究，探索研究光合作用具體的作用過程和原理之后，人們就可以人造光合作用體，解決人類目前所面臨的多種能源問題，這些都將是現(xiàn)代光學的前沿和未來光學的發(fā)展方向。