楊宏，李洪云，龔旗煌北京大學(xué)物理學(xué)院，

人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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(xué)的發(fā)展過程是人類認(rèn)識(shí)客觀世界進(jìn)程中的一個(gè)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(rèn)知走向確切認(rèn)知的過程。

光學(xué)無(wú)處不在，太陽(yáng)能的利用，藍(lán)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(yīng)用和顯微鏡的應(yīng)用等等。光學(xué)儀器已在人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬鵁o(wú)可替代的作用。列舉一個(gè)最熟悉的例子，我們每天都在使用的手機(jī)就使用了三十多項(xiàng)光學(xué)的技術(shù)：光學(xué)玻璃、激光切割光滑的玻璃表面、激光打標(biāo)、OLED 和液晶顯示、擋光版、背光照明、實(shí)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(shù)的應(yīng)用、通過光纖進(jìn)行信息的傳輸、藍(lán)牙無(wú)線紅外通信、光纖傳感和投影等。

光學(xué)研究對(duì)自然科學(xué)的發(fā)展起到了非常大的促進(jìn)作用。回看歷史，第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了倫琴，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，揭開了20 世紀(jì)物理學(xué)的革命序幕，促進(jìn)了現(xiàn)代物理學(xué)的誕生。2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)仍然與X射線相關(guān)，授予了對(duì)天體物理有開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的宇宙X射線源的發(fā)現(xiàn)，打開了宇宙新窗口。進(jìn)入21世紀(jì)，多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)授予了光學(xué)領(lǐng)域，2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了引力波的探測(cè)研究，表彰獲獎(jiǎng)?wù)邆儤?gòu)思和設(shè)計(jì)了干涉儀引力波天文臺(tái)，驗(yàn)證了愛因斯坦的百年預(yù)言，為人類探索宇宙配上了耳朵。2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了半導(dǎo)體照明研究，藍(lán)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(lái)，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(xué)緊密相關(guān)的。2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)同樣授予了光學(xué)研究領(lǐng)域，因光學(xué)顯微成像技術(shù)的最高分辨率一直無(wú)法超過光波波長(zhǎng)的一半，被認(rèn)為是光學(xué)顯微鏡理論上的分辨率極限，而獲獎(jiǎng)?wù)邆儏s將超分辨熒光顯微技術(shù)的極限拓展到了納米量級(jí)，一百多年沒有人能夠突破的極限被三位科學(xué)家成功地繞過，使得透視生命體分子的運(yùn)動(dòng)成為可能。2009年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予英國(guó)華裔科學(xué)家高錕及美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。高錕在有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)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(dǎo)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(shù)都與我們的日常生活息息相關(guān)。

光學(xué)顯微鏡

(a) 藍(lán)光LED; (b) LED

威廉·康拉德·倫琴和X光照片

光學(xué)是物理學(xué)中古老的學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一，推動(dòng)著人類對(duì)自然的認(rèn)知和人類社會(huì)的進(jìn)步。

聯(lián)合國(guó)教科文組織宣布2015年為光和光基技術(shù)國(guó)際年(簡(jiǎn)稱國(guó)際光年)，以紀(jì)念千年人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。光科學(xué)及其應(yīng)用帶來(lái)了直接改變?nèi)祟惢顒?dòng)的革命性的技術(shù)，但是，這些重要的技術(shù)進(jìn)步卻常常未能吸引人們的關(guān)注。國(guó)際光年是推進(jìn)光和光基技術(shù)進(jìn)步、深化國(guó)際光學(xué)領(lǐng)域合作、促進(jìn)光學(xué)學(xué)術(shù)交流、普及光學(xué)民眾教育的一次重要契機(jī)，成為在國(guó)際光學(xué)工程領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛深遠(yuǎn)影響的一年。

2015 國(guó)際光年

2018年5月16日，確定每年的這一天為國(guó)際光日，以紀(jì)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(dòng)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(wú)法生存。2. 以光為基礎(chǔ)的工業(yè)是主要經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力，光的許多應(yīng)用通過醫(yī)學(xué)、通信、娛樂和文化徹底改變了社會(huì)。例如，光基技術(shù)通訊提供信息促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，提高社會(huì)健康和福祉，直接影響人類的需求。3. 以光為基礎(chǔ)的技術(shù)越來(lái)越多的為全球挑戰(zhàn)提供解決方案，包括太陽(yáng)能利用，特別是能源、教育、農(nóng)業(yè)和公共衛(wèi)生等領(lǐng)域，應(yīng)用光基技術(shù)改善發(fā)展中國(guó)家的生活質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展重要目標(biāo)的關(guān)鍵。4. 隨著光成為21世紀(jì)科學(xué)與工程交叉的關(guān)鍵學(xué)科，全世界已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到光學(xué)研究的重要性，以及光基技術(shù)對(duì)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(gè)領(lǐng)域的科學(xué)和工程事業(yè)所吸引。

二、光的認(rèn)知?dú)v程

光的認(rèn)知過程可簡(jiǎn)單劃分為兩個(gè)階段，17世紀(jì)以前的直觀體驗(yàn)階段和17世紀(jì)以后的科學(xué)認(rèn)知階段。

中國(guó)人在直觀體驗(yàn)的感性認(rèn)知上是很有創(chuàng)造力的。公元前400 年，墨子用很美的詞句來(lái)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(shù)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(lái)比喻光線徑直向、疾速似箭遠(yuǎn)的特征。西漢時(shí)期記載，我們的祖先將冰削成球狀，對(duì)著太陽(yáng)，在太陽(yáng)的影子位置點(diǎn)燃艾草生火。這是世界上最早的光的聚焦和對(duì)太陽(yáng)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(chǎn)生，是光的本質(zhì)而不是雨滴的性質(zhì)。古人很早就提出了這個(gè)概念，但很遺憾并沒有進(jìn)一步從數(shù)學(xué)角度對(duì)這些光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行描述，進(jìn)入17 世紀(jì)我國(guó)在光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展與世界水平逐漸有了差距。

光的顏色

17世紀(jì)光學(xué)在歐洲誕生了，歐洲成為了當(dāng)時(shí)光學(xué)研究的前沿陣地。幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)，從數(shù)學(xué)和科學(xué)的角度描述了光。幾何光學(xué)闡述了光的直線傳播、反射、折射等，波動(dòng)光學(xué)闡述了光是一種電磁波，光學(xué)研究進(jìn)入了科學(xué)認(rèn)知的歷程。科學(xué)認(rèn)知即光的科學(xué)，需要了解光的本性是什么、光是怎么產(chǎn)生的、怎么傳播的，以及與物質(zhì)的相互作用，甚至通過物質(zhì)的相互作用怎么去調(diào)控光，這些也正是光科學(xué)研究主要內(nèi)容。

幾何光學(xué)是光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這個(gè)時(shí)期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。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(xué)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(guān)聯(lián)的常數(shù)。折射定律的出現(xiàn)和應(yīng)用奠定了光纖通訊的基礎(chǔ)。折射定律在人類生活中也經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)，比如海市蜃樓的現(xiàn)象。當(dāng)光線在同一密度的均勻介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，光的速度不變并且以直線方向前進(jìn)。可是當(dāng)光線傾斜地由一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入另一密度不同的介質(zhì)時(shí)，光的速度就會(huì)發(fā)生改變，行進(jìn)的方向也發(fā)生曲折，這是因?yàn)檎凵渎实牟煌瑳Q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(shí)空氣下密上稀的差異較大，來(lái)自船舶的光線先由密的氣層逐漸折射進(jìn)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(lái)，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(xué)問題和應(yīng)用問題。我們?cè)诳蒲袑?shí)驗(yàn)中誕生的大的光學(xué)儀器也離不開折射原理的應(yīng)用，照相機(jī)，望遠(yuǎn)鏡等接連出現(xiàn)。隨著透鏡的發(fā)展，更進(jìn)一步促進(jìn)了幾何光學(xué)的發(fā)展。透鏡與物體之間的距離改變時(shí)成像會(huì)有不同，透鏡的組合還會(huì)增加放大倍率，從而實(shí)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(duì)人類社會(huì)發(fā)展的影響非常大。

海市蜃樓

17世紀(jì)下半葉，牛頓和惠更斯等把光的研究引向進(jìn)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(yàn)，經(jīng)過三棱鏡的太陽(yáng)光可分出五顏六色的光，這是最早的波長(zhǎng)的概念。但是，牛頓卻認(rèn)為光是粒子性的。牛頓的微粒流的假設(shè)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?duì)光的微粒說(shuō)，認(rèn)為光是波動(dòng)的。光向外傳播類似于將石頭擲于水中，波向外傳播，每一點(diǎn)都是一個(gè)源，再次向外傳播。這與光是粒子的，類似于打子彈，是一個(gè)粒子一個(gè)粒子的向前傳播的學(xué)說(shuō)相矛盾。惠更斯運(yùn)用他波動(dòng)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(gè)時(shí)期也可以說(shuō)是幾何光學(xué)向波動(dòng)光學(xué)過渡的時(shí)期，是人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)逐步深化的時(shí)期。

1801年，楊氏干涉實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性。托馬斯·楊把一支蠟燭放在一張開了一個(gè)小孔的紙前面，這樣就形成了一個(gè)點(diǎn)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(dá)不同位置時(shí)位相不同，疊加后出現(xiàn)強(qiáng)度的增強(qiáng)或減弱，會(huì)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(shí)驗(yàn)充分證明了光具有波動(dòng)性，但是光的波動(dòng)理論仍然不被人們認(rèn)可，光的波動(dòng)性一直處于爭(zhēng)論之中。

當(dāng)時(shí)歐洲科學(xué)中心，法國(guó)科學(xué)院提出了一個(gè)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(dòng)性。菲涅爾將屏孔的尺寸改變成與波長(zhǎng)量級(jí)相當(dāng)?shù)拇笮?，?shí)驗(yàn)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(dòng)性。

光的波動(dòng)性被認(rèn)可后，促進(jìn)了電磁學(xué)的快速發(fā)展。麥克斯韋方程是現(xiàn)代電磁學(xué)的基礎(chǔ)，而光的所有性質(zhì)都可以用麥克斯韋方程來(lái)解釋， 光也是一種電磁波這一觀點(diǎn)逐漸被大家認(rèn)可。從無(wú)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(dòng)理論更是促進(jìn)了光譜儀、干涉儀、傳感器、鍍膜光學(xué)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(jì)末，經(jīng)典物理的大廈已經(jīng)建成。湯姆遜在新年祝詞中講到，經(jīng)典物理中只剩下兩朵黑云，其中一朵與光學(xué)緊密相關(guān)，即波動(dòng)理論的困惑。用波動(dòng)理論計(jì)算黑體輻射會(huì)無(wú)限大的增強(qiáng)—瑞利金斯曲線，與實(shí)際測(cè)量不符，即紫外災(zāi)難。為了解釋這個(gè)難題，數(shù)學(xué)家普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)中借用不連續(xù)的概念，提出了量子論。他認(rèn)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(zāi)難。

阿爾伯特·愛因斯坦

愛因斯坦提出光量子學(xué)說(shuō)，用光電效應(yīng)證明了光的粒子性，并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這標(biāo)志著光科學(xué)的研究進(jìn)入了量子光學(xué)時(shí)期。而另一個(gè)促進(jìn)量子力學(xué)誕生的重要研究是對(duì)太陽(yáng)黑線的研究。應(yīng)用光譜儀測(cè)量陽(yáng)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(wú)法判定黑色譜線的來(lái)源，后確定為太陽(yáng)光到達(dá)地球的過程中吸收了大氣中的某些元素，于是在太陽(yáng)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(gòu)造學(xué)說(shuō)，認(rèn)為原子由原子核和核外電子組成，電子存在不同的能級(jí)，吸收光子后電子從下能級(jí)躍遷至上能級(jí)將光子能量吸收，由此提出了原子結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)性，解釋了太陽(yáng)黑線現(xiàn)象，量子力學(xué)由此誕生。我們可以看到，光學(xué)在量子力學(xué)的建立過程中做出了重要的貢獻(xiàn)。光子概念的提出、光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)、紫外災(zāi)難的解釋、光譜暗線的解釋，以及能級(jí)的概念提出等，這些研究奠定了當(dāng)代量子物理學(xué)的框架，而量子物理學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)了光學(xué)的巨大發(fā)展。

三、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期

現(xiàn)代光學(xué)是基于激光的發(fā)展而建立起來(lái)的。激光的發(fā)明是光學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)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(qiáng)度大、單色性好、方向性強(qiáng)等一系列獨(dú)特的性能，很快被運(yùn)用到材料加工、精密測(cè)量、通訊、測(cè)距、全息檢測(cè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等極為廣泛的領(lǐng)域?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又使激光進(jìn)入了超快超強(qiáng)領(lǐng)域。激光器可以產(chǎn)生4fs(1fs=10^–15s)的超短脈沖，如此短的時(shí)間標(biāo)尺可以度量飛秒量級(jí)的物理變化。物質(zhì)穩(wěn)定存在是因?yàn)樵雍擞凶銐虻氖`力將電子禁錮，以氫核對(duì)電子的作用為例，作用力大概為10¹⁶W/cm²?，F(xiàn)在激光器產(chǎn)生激光的強(qiáng)度可以達(dá)到10^21–22W/cm²，那么激光場(chǎng)強(qiáng)對(duì)于原子的作用力就不再是微擾量級(jí)，很容易將電子與原子核撕裂，可以探索亞原子量級(jí)的微觀結(jié)構(gòu)。

激光創(chuàng)造了極端的時(shí)間尺度和極端的場(chǎng)強(qiáng)，極大的擴(kuò)展了光學(xué)的應(yīng)用，將應(yīng)用擴(kuò)展到高分辨光學(xué)測(cè)量、高強(qiáng)度非線性光學(xué)、相對(duì)論非線性光學(xué)、超快動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)場(chǎng)物理等領(lǐng)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(xué)獎(jiǎng)，應(yīng)用激光的超高時(shí)間分辨率的特性去探測(cè)分子的解離過程，對(duì)化學(xué)研究來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。激光聚焦可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)高達(dá)10¹²V/m，超強(qiáng)激光與等離子體相互作用，產(chǎn)生的加速電場(chǎng)可以比常規(guī)加速器高出千倍以上。此外，光也已經(jīng)成為當(dāng)代計(jì)量的新標(biāo)尺，1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上確定：米是光在真空中傳播1/299792458秒時(shí)間間隔所經(jīng)路徑的長(zhǎng)度。

1960 年美國(guó)科學(xué)家梅曼宣布獲得了激光

光是現(xiàn)代科技的重要驅(qū)動(dòng)力，光學(xué)與信息、先進(jìn)制造、能源、健康和國(guó)家安全密切相關(guān)，推動(dòng)人類社會(huì)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(jì)算機(jī)等等，都能體現(xiàn)光與信息的關(guān)系。以互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)為例，如果將光的作用去掉，依賴光纖通信的計(jì)算機(jī)信息傳輸和依賴光刻的芯片加工將不復(fù)存在，整個(gè)信息時(shí)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(lái)輸出信號(hào)，那么光開關(guān)決定了信息的通過，有光通過為1，無(wú)光通過為0，光開光的響應(yīng)速度決定了信息傳輸?shù)目炻，F(xiàn)在新興的自動(dòng)駕駛的感知也是依賴光學(xué)，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(xué)信息的采集和處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光和信息始終緊密地聯(lián)系在一起。

2. 光與先進(jìn)制造：光刻技術(shù)已經(jīng)將波長(zhǎng)越做越小，現(xiàn)在可做到幾納米的量級(jí)和精度，甚至可以制造納米和微米尺度的微結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域。激光打標(biāo)、激光切割、3D打印等應(yīng)用也無(wú)處不在。例如，現(xiàn)在百分之七十以上的汽車構(gòu)造都是用激光焊接的技術(shù)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(jīng)得到普及使用。激光分離鈾同位素、激光聚變、太陽(yáng)能的利用等能源領(lǐng)域都是光學(xué)重要的應(yīng)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(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)就是科學(xué)家應(yīng)用X光解析出來(lái)，引發(fā)了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顛覆性的變革。光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，使得人們可以觀測(cè)細(xì)胞、染色體等，隨著觀測(cè)精度進(jìn)一步提高到百納米量級(jí)，更可觀測(cè)高分辨熒光蛋白的細(xì)微結(jié)構(gòu)，對(duì)生物物理的發(fā)展起到了極大的推進(jìn)作用。激光美容、激光眼部手術(shù)已經(jīng)是成熟的技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用在美容醫(yī)療領(lǐng)域。

5. 激光與國(guó)家安全：激光安檢、激光武器、激光制導(dǎo)、激光測(cè)距、激光導(dǎo)航等，激光幾乎是安全和國(guó)防等研究領(lǐng)域的必備利器。

光纖之父高錕

從公元前墨子對(duì)光的描述，到1665年顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，1704年牛頓光學(xué)的出版，1865年麥克斯韋方程的誕生，1905年光電效應(yīng)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(shù)的發(fā)展，1999年飛秒激光作為時(shí)間分辨對(duì)超快動(dòng)力學(xué)的技術(shù)測(cè)量，這些都是光學(xué)發(fā)展史上的里程碑。21世紀(jì)是光的世紀(jì)，光以其不可替代的作用促進(jìn)著科學(xué)及社會(huì)的進(jìn)步。

四、光的未來(lái)

光有怎樣的未來(lái)，未來(lái)我們可以做什么？不難預(yù)測(cè)，我們將可以得到更多極端的條件，光場(chǎng)的操控方式發(fā)生了根本性的改變。首先可以產(chǎn)生非常短的脈沖，目前商用儀器產(chǎn)生的光脈沖最短可達(dá)到4fs，另外可精確控制相位，形成完全不同的場(chǎng)強(qiáng)分布。光場(chǎng)模式多樣化，可進(jìn)行波長(zhǎng)、相位、頻率、位置、時(shí)間等條件的操控，增加了物理學(xué)研究中的變量，拓展了物理學(xué)研究的方向和極限。同時(shí)也可以在空間尺度進(jìn)行調(diào)控，可突破光的衍射極限，借助一些微納結(jié)構(gòu)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(lái)全新的光學(xué)研究思路。空間小尺度光學(xué)的出現(xiàn)，開拓了近場(chǎng)光學(xué)的研究，包括表面等離激元的研究、人工納微結(jié)構(gòu)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(xué)和激光光學(xué)的發(fā)展可以使得光與物質(zhì)相互作用區(qū)更小，相互作用尺度更小，使得光信息技術(shù)步入了新的時(shí)代。

時(shí)間小尺度方面，飛秒激光與物質(zhì)相互作用后可以產(chǎn)生阿秒(as)激光(1as=10^–18s)，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室通過飛秒光高次諧波產(chǎn)生的最短的阿秒光脈沖可達(dá)到46as。阿秒的出現(xiàn)使更小時(shí)間尺度方面的觀測(cè)成為可能，我們也就擁有了更短的標(biāo)尺。氫原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間是150as，如果我們擁有時(shí)間尺度為46as的標(biāo)尺，就可觀測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)條件，這也是光學(xué)未來(lái)需要攻克的目標(biāo)。

超快技術(shù)也應(yīng)用在生命和材料領(lǐng)域的研究中，光的多維調(diào)控為這些交叉領(lǐng)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(dòng)力學(xué)與飛秒醫(yī)學(xué)等等，這些都是非常前沿的光學(xué)領(lǐng)域的嘗試。比如，以前我們可以產(chǎn)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(lái)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(jié)構(gòu)，應(yīng)用普通光和結(jié)構(gòu)光先后照明，使空洞處保留原來(lái)的粒子的空間分辨，此技術(shù)突破了光學(xué)顯微技術(shù)在理論上的極限，實(shí)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(duì)動(dòng)力學(xué)過程、分子形成和解離、生命和材料等的反應(yīng)過程進(jìn)行人工調(diào)控。通過精密調(diào)控光脈沖各點(diǎn)的位相和振幅，構(gòu)建特定光場(chǎng)結(jié)構(gòu)的波陣面，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)偏振態(tài)剪裁，可以控制細(xì)胞等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。

在超快計(jì)算領(lǐng)域，要求現(xiàn)代的微電子芯片計(jì)算量大、計(jì)算速度快。通常情況下，超快計(jì)算是通過計(jì)算機(jī)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，但并聯(lián)導(dǎo)致能量損耗非常大。如果在微電子芯片里加入光芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)光信息的傳輸，用光來(lái)進(jìn)行機(jī)器間的交互，可以很好地解決能耗問題，極大的增加運(yùn)算和傳輸速度，為未來(lái)計(jì)算和信息處理提供了新的方法。

飛秒激光時(shí)域和頻域的控制還可以對(duì)光合作用中的過程進(jìn)行詳細(xì)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(xué)的前沿和未來(lái)光學(xué)的發(fā)展方向。（全文完）

本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2019年第3期 時(shí)光摘編

來(lái)源：現(xiàn)代物理知識(shí)雜志編輯：井上菌