光学发展与社会进步（下）

三、现代光学时期

现代光学是基于激光的发展而建立起来的。激光的发明是光学发展史上的一个革命性的里程碑。

红宝石激光器的诞生使人类第一次得到自然界中不存在的光源——激光。由于激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能，很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的领域。现代科学技术的发展，又使激光进入了超快超强领域。激光器可以产生4fs(1 fs=10^-15s)的超短脉冲，如此短的时间标尺可以度量飞秒量级的物理变化。物质稳定存在是因为原子核有足够的束缚力将电子禁锢，以氢核对电子的作用为例，作用力大概为10¹⁶ W/cm²。现在激光器产生激光的强度可以达到10^21-22 W/cm²，那么激光场强对于原子的作用力就不再是微扰量级，很容易将电子与原子核撕裂，可以探索亚原子量级的微观结构。

激光创造了极端的时间尺度和极端的场强，极大的扩展了光学的应用，将应用扩展到高分辨光学测量、高强度非线性光学、相对论非线性光学、超快动力学和强场物理等领域。利用飞秒激光探究分子的解离过程的研究获得了1999年诺贝尔化学奖，应用激光的超高时间分辨率的特性去探测分子的解离过程，对化学研究来说具有非常重要的意义。激光聚焦可以实现电场高达10¹²V/m，超强激光与等离子体相互作用，产生的加速电场可以比常规加速器高出千倍以上。此外，光也已经成为当代计量的新标尺，1983年第17届国际计量大会上确定：米是光在真空中传播1/299792458秒时间间隔所经路径的长度。

1960 年美国科学家梅曼宣布获得了激光

光是现代科技的重要驱动力，光学与信息、先进制造、能源、健康和国家安全密切相关，推动人类社会的发展。

1. 光与信息：光纤通信、光开光、光全息、CCD成像、光量子通信、立体电影、光纤胃镜，计算机等等，都能体现光与信息的关系。以互联网计算机为例，如果将光的作用去掉，依赖光纤通信的计算机信息传输和依赖光刻的芯片加工将不复存在，整个信息时代就消失了。光信息传播是以0、1信息先编码，传输后再解码来输出信号，那么光开关决定了信息的通过，有光通过为1，无光通过为0，光开光的响应速度决定了信息传输的快慢。现在新兴的自动驾驶的感知也是依赖光学，车辆的行驶路线、周边的物体避让和路况环境的确定等，都是通过光学信息的采集和处理来实现的，光和信息始终紧密地联系在一起。

2. 光与先进制造：光刻技术已经将波长越做越小，现在可做到几纳米的量级和精度，甚至可以制造纳米和微米尺度的微结构，广泛应用于生命科学和医疗等领域。激光打标、激光切割、3D打印等应用也无处不在。例如，现在百分之七十以上的汽车构造都是用激光焊接的技术完成，焊接效果几乎与原型一致，增加了车体的稳定性和安全性。

3. 光与能源：LED 光源由于其电压低，能耗低，安全性高，目前已经得到普及使用。激光分离铀同位素、激光聚变、太阳能的利用等能源领域都是光学重要的应用体现。

4. 光与健康：X光的发现深刻地影响了医学领域的发展，DNA双螺旋结构就是科学家应用X光解析出来，引发了医学领域颠覆性的变革。光学显微镜的出现，使得人们可以观测细胞、染色体等，随着观测精度进一步提高到百纳米量级，更可观测高分辨荧光蛋白的细微结构，对生物物理的发展起到了极大的推进作用。激光美容、激光眼部手术已经是成熟的技术，被广泛地应用在美容医疗领域。

5. 激光与国家安全：激光安检、激光武器、激光制导、激光测距、激光导航等，激光几乎是安全和国防等研究领域的必备利器。

“光纤之父”高锟

从公元前墨子对光的描述，到1665年显微镜的发现，1704年牛顿光学的出版，1865年麦克斯韦方程的诞生，1905年光电效应的发现确定了光的量子特性，1960年激光的诞生，1965年光纤理论的提出，1973年第一代光纤技术的发展，1999年飞秒激光作为时间分辨对超快动力学的技术测量，这些都是光学发展史上的里程碑。21世纪是光的世纪，光以其不可替代的作用促进着科学及社会的进步。

四、光的未来

光有怎样的未来，未来我们可以做什么？不难预测，我们将可以得到更多极端的条件，光场的操控方式发生了根本性的改变。首先可以产生非常短的脉冲，目前商用仪器产生的光脉冲最短可达到4fs，另外可精确控制相位，形成完全不同的场强分布。光场模式多样化，可进行波长、相位、频率、位置、时间等条件的操控，增加了物理学研究中的变量，拓展了物理学研究的方向和极限。同时也可以在空间尺度进行调控，可突破光的衍射极限，借助一些微纳结构将光斑尺寸约束至纳米尺度以下，比如表面等离激元，可以带来全新的光学研究思路。空间小尺度光学的出现，开拓了近场光学的研究，包括表面等离激元的研究、人工纳微结构的研究、特异材料的研究、微纳光电子器件的研究等。纳米光学和激光光学的发展可以使得光与物质相互作用区更小，相互作用尺度更小，使得光信息技术步入了新的时代。

时间小尺度方面，飞秒激光与物质相互作用后可以产生阿秒(as)激光(1as=10^-18 s)，现在实验室通过飞秒光高次谐波产生的最短的阿秒光脉冲可达到46as。阿秒的出现使更小时间尺度方面的观测成为可能，我们也就拥有了更短的标尺。氢原子中电子绕核运动一圈的时间是150as，如果我们拥有时间尺度为46as 的标尺，就可观测电子的运动过程，这是非常有意义的。但是目前人们还面临着阿秒光脉冲能量较低等困难，很多研究还不具备实验条件，这也是光学未来需要攻克的目标。

超快技术也应用在生命和材料领域的研究中，光的多维调控为这些交叉领域研究提供了丰富的手段，如生物大分子的四维成像、超快动力学与飞秒医学等等，这些都是非常前沿的光学领域的尝试。比如，以前我们可以产生的光斑是圆的，现在却可以将光斑中心变成圆的空洞，偏振变成镜像、横向或者螺旋偏振，突破了原来的线偏振、圆偏振和椭圆偏振等等。正是由于有了多样的光结构，应用普通光和结构光先后照明，使空洞处保留原来的粒子的空间分辨，此技术突破了光学显微技术在理论上的极限，实现了纳米高分辨成像。此外，将光脉冲展开成不同的脉冲形状，利用脉冲整形对动力学过程、分子形成和解离、生命和材料等的反应过程进行人工调控。通过精密调控光脉冲各点的位相和振幅，构建特定光场结构的波阵面，实现光场偏振态剪裁，可以控制细胞等微观粒子的运动。

在超快计算领域，要求现代的微电子芯片计算量大、计算速度快。通常情况下，超快计算是通过计算机并联实现的，但并联导致能量损耗非常大。如果在微电子芯片里加入光芯片来实现光信息的传输，用光来进行机器间的交互，可以很好地解决能耗问题，极大的增加运算和传输速度，为未来计算和信息处理提供了新的方法。

飞秒激光时域和频域的控制还可以对光合作用中的过程进行详细的研究，探索研究光合作用具体的作用过程和原理之后，人们就可以人造光合作用体，解决人类目前所面临的多种能源问题，这些都将是现代光学的前沿和未来光学的发展方向。（全文完）

本文选自《现代物理知识》2019年第3期    时光摘编

*本文经授权转载自微信公众号「现代物理知识杂志」（ID：mpihep）。