5.16國(guó)際光日·中國(guó)科技創(chuàng)新之星 硬核創(chuàng)意視覺傳播
與光同行，ing沒有終點(diǎn)
光學(xué)日講座
光的誕生由來已久，按照現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論，光的存在早于原子、分子、凝聚態(tài)等物質(zhì)，或許就如《圣經(jīng)》創(chuàng)世紀(jì)里所記載的，上帝說：“要有光！”，于是就有了光。
我們生活在一個(gè)由物質(zhì)、信息、生命構(gòu)成的世界，而光在這個(gè)世界里扮演著中心角色。光傳遞著這個(gè)世界絕大部分的信息：視覺信息占人類所接收信息的80%；同時(shí)，花王開創(chuàng)的光纖通訊技術(shù)成為信息社會(huì)的主要傳輸媒介。光也是世界上絕大部分能量的最終來源：光合作用是絕大部分生物生存的能量來源；億萬年光合作用所積累的化石燃料是人類的能量來源。太陽能也將是未來清潔能源的重要解決方案。
光學(xué)是研究光的學(xué)科，研究光的本質(zhì)、光的產(chǎn)生、傳播、檢測(cè)以及光與物質(zhì)相互作用等。伽利略、牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦等科學(xué)巨人都致力于光的研究，一個(gè)物理學(xué)分支學(xué)科受到如此多科學(xué)巨人的青睞實(shí)屬罕見，光學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了從漫長(zhǎng)黑暗中摸索到逐漸迎來曙光的發(fā)展過程，主要經(jīng)歷了萌芽期、幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)五個(gè)大的歷史時(shí)期。
一
萌芽期（約公元前5世紀(jì)至16世紀(jì)初）
人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)，可以追溯到兩三千年前。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期墨子（約公元前476-390年）及其弟子所著的《墨經(jīng)》中，就有“光者，溫若射，下者，高者，高者；下者，矮者，足遮光下，故成象于上，頭遮光上，故成象于下……”的記載，指出了針孔成像的現(xiàn)象?！赌?jīng)》共有八部論述光學(xué)問題的經(jīng)典著作，是光學(xué)知識(shí)最早的記載。正如李約瑟在《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》中所說，墨子對(duì)光學(xué)的研究“早于我們所知道的希臘研究”和“印度無可比擬”……從墨子開始的兩千多年的漫長(zhǎng)歲月，構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展的萌芽期。
墨子（公元前470—390年，中國(guó)古代思想家、教育家、科學(xué)家、軍事家，墨家學(xué)派的創(chuàng)始人和主要代表。）
二
幾何光學(xué)時(shí)期（16世紀(jì)至18世紀(jì)初）
幾何光學(xué)是光學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一時(shí)期建立了光的反射和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。1621年，荷蘭物理學(xué)家斯涅爾通過實(shí)驗(yàn)首次總結(jié)出正確的折射定律，后來人們通常稱該定律為“斯涅爾定律”。
斯內(nèi)爾·范羅因（1580–1626，荷蘭數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家）
17世紀(jì)下半葉，牛頓等人帶領(lǐng)光的研究走向了進(jìn)一步的發(fā)展。1665年5月，倫敦瘟疫蔓延，牛頓不得不回到鄉(xiāng)下老家自我隔離。這正好是牛頓23歲到25歲之間的黃金時(shí)代。整天待在家里，不走訪朋友、逛街、聚會(huì)，導(dǎo)致了1666年成為物理學(xué)的“奇跡年”。在此期間，牛頓對(duì)光的色散進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為他后來的工作打下了不少基礎(chǔ)。之后，牛頓把粒子、力的概念滲入光學(xué)，從而解釋了光作為物質(zhì)粒子的本質(zhì)，提出了完整的“粒子理論”，建立了完整的光學(xué)體系網(wǎng)校頭條，粒子理論可以充分解釋幾何光學(xué)。
艾薩克·牛頓爵士（1643-1727，
英國(guó)科學(xué)家）
這一時(shí)期，以牛頓為代表的粒子論占據(jù)主導(dǎo)地位，與此同時(shí)，由于光的干涉、衍射、偏振等波動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，以惠更斯為代表的波動(dòng)論也初步提出，兩種理論爭(zhēng)斗多年。
三
波動(dòng)光學(xué)時(shí)期（19世紀(jì)初至19世紀(jì)末）
整個(gè)18世紀(jì)，由于牛頓在科學(xué)界的崇高地位，以牛頓為代表的粒子論占據(jù)主導(dǎo)地位，波動(dòng)論則一直處于黑暗之中。故事的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在1801年，托馬斯·楊進(jìn)行了著名的雙縫干涉條紋實(shí)驗(yàn)，一束光照射到兩個(gè)平行的狹縫上，在接收屏上得到了一系列明暗條紋交替出現(xiàn)的干涉結(jié)果。干涉衍射是波的獨(dú)特性質(zhì)，楊的干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了波動(dòng)論獲得了前所未有的鼓舞。
托馬斯·楊（1773-1829，
英國(guó)醫(yī)生和物理學(xué)家）
菲涅爾對(duì)波動(dòng)光學(xué)進(jìn)行了全面的研究，奠定了波動(dòng)光學(xué)的理論基礎(chǔ)。光的波動(dòng)說在19世紀(jì)取得徹底勝利，主要得益于他的貢獻(xiàn)。1818年，法國(guó)科學(xué)院舉行了有獎(jiǎng)?wù)魑母?jìng)賽，菲涅爾向科學(xué)院提交了一篇論文，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推理解釋了光的偏振，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。但競(jìng)賽委員會(huì)成員中包括比奧、拉普拉斯、泊松等人，蓋-呂薩克是粒子說的堅(jiān)定支持者，態(tài)度曖昧，只有阿拉戈轉(zhuǎn)向了波動(dòng)說。于是，出現(xiàn)了著名的亮點(diǎn)“泊松亮點(diǎn)”。該獎(jiǎng)評(píng)委之一的泊松根據(jù)菲涅爾的結(jié)論，阿拉戈利用泊松理論得出圓形屏幕陰影中心應(yīng)該有一個(gè)亮點(diǎn)，這在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是不可能的。 但很快，阿拉戈用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“泊松亮點(diǎn)”，引起了法國(guó)科學(xué)院的轟動(dòng)。在事實(shí)面前，粒子論的觀點(diǎn)開始動(dòng)搖，很多人開始拋棄粒子論，加入波動(dòng)論的行列。
讓·菲涅爾（1788-1827，法國(guó)物理學(xué)家和鐵路工程師）
麥克斯韋最重要的科學(xué)成就是創(chuàng)立了電磁場(chǎng)理論印度光學(xué)物理學(xué)家，統(tǒng)一了電、磁和光學(xué)，這是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展中最輝煌的成就，也是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。麥克斯韋預(yù)言了電磁波，并得出結(jié)論：光是電磁波的一種形式，揭示了光與電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，以及所有以前已知的光學(xué)定律。許多以前未被發(fā)現(xiàn)的事實(shí)和關(guān)系都可以從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來，這是人類對(duì)光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)的又一大進(jìn)步。
麥克斯韋在生前并沒有享受到他應(yīng)得的榮譽(yù)，他的科學(xué)思想和方法的意義直到20世紀(jì)的科學(xué)革命才得到充分體現(xiàn)。1879年11月5日，麥克斯韋因病在劍橋去世，終年48歲。這一年，愛因斯坦出生。
麥克斯韋（1625-1698，丹麥科學(xué)家）
四
量子光學(xué)時(shí)期（20世紀(jì)初至20世紀(jì)中葉）
1905年是物理學(xué)界的“愛因斯坦奇跡年”。年僅26歲，在瑞士專利局任職的天才物理學(xué)家愛因斯坦，在不到一年的時(shí)間里完成了6篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，全部發(fā)表。在《物理學(xué)報(bào)》上，他在現(xiàn)代物理學(xué)的三個(gè)不同領(lǐng)域做出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)，創(chuàng)造了科學(xué)史和人類歷史上的奇跡。在第一篇文章《關(guān)于光的產(chǎn)生和變換的一項(xiàng)令人振奮的研究》中，愛因斯坦借用了普朗克的能量量子概念，提出光是量子化的。應(yīng)用光量子理論，愛因斯坦成功地解釋了光電效應(yīng)，揭示了輻射的波粒二象性。光是“粒子”還是“波”的爭(zhēng)論從此得到解決。
1916年，愛因斯坦預(yù)言原子和分子可以產(chǎn)生受激輻射，指出如果受激輻射能繼續(xù)激發(fā)其他粒子印度光學(xué)物理學(xué)家，引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和雪崩式放大效應(yīng)，就能得到單色偏振光，產(chǎn)生強(qiáng)輻射即激光，為現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955，物理學(xué)家）
五
現(xiàn)代光學(xué)是以激光的發(fā)展為基礎(chǔ)的，激光的發(fā)明是光學(xué)史上革命性的里程碑，1960年激光發(fā)明以后的光學(xué)一般被歸類為現(xiàn)代光學(xué)。
01
激光和激光物理
激光（Light by of）是一種受激輻射放大的光，具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性強(qiáng)等特點(diǎn)。1960年5月15日，美國(guó)物理學(xué)家西奧多·梅曼在美國(guó)休斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)亮了世界上第一臺(tái)激光器，這臺(tái)紅寶石激光器開啟了激光的新時(shí)代。激光是繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，20世紀(jì)以來人類的又一項(xiàng)重大發(fā)明。
激光常被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”，經(jīng)過60多年的研究和發(fā)展，激光相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)已遍布全球，形成了豐富而龐大的激光產(chǎn)業(yè)，被廣泛應(yīng)用于激光制造、通訊、測(cè)量、信息處理、醫(yī)療、軍事、農(nóng)業(yè)、文教娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。
梅曼和他的紅寶石激光器的發(fā)明
（H.，1927-2007）
02
非線性光學(xué)
非線性光學(xué)涉及強(qiáng)相干光作用下介質(zhì)的非線性現(xiàn)象及應(yīng)用。一束紅光經(jīng)過特殊的透明材料，光強(qiáng)增加，紅光奇跡般地變成了藍(lán)紫色，這就是倍頻效應(yīng)，非線性光學(xué)的效應(yīng)之一。非線性光學(xué)的神奇之處還不止于此，它還有雙光子吸收、光參量放大、自聚焦、光克爾等應(yīng)用性極強(qiáng)的效應(yīng)。
長(zhǎng)期以來，依托現(xiàn)有基礎(chǔ)，我國(guó)在非線性晶體材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和晶體生長(zhǎng)方面保持國(guó)際領(lǐng)先地位，特別是在紫外、深紫外非線性光學(xué)晶體的研究與應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BBO、LBO、KBBF等高性能非線性晶體材料與器件享譽(yù)世界。
富晶科技生產(chǎn)的LBO晶體
03
激光光譜
激光光譜學(xué)是利用激光作為光源，研究原子和分子的發(fā)射光譜、吸收光譜和非線性效應(yīng)的學(xué)科總稱。
激光光譜的作用，簡(jiǎn)單來說，就是能夠測(cè)量一切。例如：超靈敏光譜著眼于檢測(cè)極低濃度的樣品，有些甚至已經(jīng)達(dá)到單原子、單分子檢測(cè)的水平；超快激光光譜，可以研究皮秒甚至飛秒時(shí)間尺度上物質(zhì)的動(dòng)態(tài)過程；超高分辨率光譜，追求提高光譜的波長(zhǎng)分辨率；此外，還有光梳光譜、相干光譜等方向。
2019年9月，英國(guó)劍橋大學(xué)華裔科研團(tuán)隊(duì)推出全球最小光譜儀，該光譜儀由半導(dǎo)體納米線組成，體積小、成本低，有望將光譜檢測(cè)帶入大眾生活。《紐約時(shí)報(bào)》6日刊文。
納米線光譜儀示意圖
04
超快（超強(qiáng)）光學(xué)系統(tǒng)
隨著科技的不斷進(jìn)步，激光脈沖寬度的極限不斷被突破，激光脈沖峰值功率不斷提高，超快激光技術(shù)能在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的能量，推動(dòng)高能物理、精密測(cè)量、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)藥等基礎(chǔ)和前沿交叉學(xué)科的發(fā)展。
2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家熱拉爾·穆魯和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭，以表彰他們發(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)，這是迄今為止產(chǎn)生超高峰值功率激光脈沖的唯一方法，已成為高強(qiáng)度激光器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，并應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家熱拉爾·穆魯和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭
例如近年來飛秒激光器成為科研和產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。飛秒激光器具有極短的脈沖持續(xù)時(shí)間和極高的峰值功率，飛秒激光微加工的熱影響極小，對(duì)周邊材料幾乎不造成損傷。相比于長(zhǎng)脈沖激光器（如納秒），飛秒脈沖激光器加工出的邊緣極其整齊、精確，能夠克服熱效應(yīng)的弊端，是真正的“冷”加工方式，被譽(yù)為“最快的刀”，隨著飛秒激光器生產(chǎn)工藝逐漸成熟、成本逐漸下降，未來有望得到廣泛應(yīng)用，支撐消費(fèi)電子、新能源、高端制造、生物醫(yī)藥等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
飛秒、皮秒和納秒激光器鉆孔的玻璃孔邊緣圓度
05
量子光學(xué)
量子光學(xué)是利用輻射的量子理論研究光輻射的產(chǎn)生、統(tǒng)計(jì)特性、傳輸、檢測(cè)和基本物理問題以及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科?，F(xiàn)代量子光學(xué)是在量子理論的基礎(chǔ)上研究光的相干性和統(tǒng)計(jì)性，以及光與物質(zhì)相互作用的量子特性。量子光學(xué)涉及腔量子電動(dòng)力學(xué)、光子干涉、“鬼”成像、基于激光冷卻的冷原子物理和原子光學(xué)、糾纏態(tài)等。核心量子信息和量子計(jì)算都是熱門的研究領(lǐng)域。此外，利用量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)基本量子理論也是一些量子光學(xué)研究人員特別青睞的研究領(lǐng)域。
中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院發(fā)表主旨演講——《關(guān)于量子的疑問》（來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院官網(wǎng)）
06
原子光學(xué)
原子光學(xué)是原子物理學(xué)和光學(xué)物理學(xué)交叉的新興領(lǐng)域，在這個(gè)新興領(lǐng)域中，人們處理原子的方式類似于光學(xué)中處理光（光子），原子光學(xué)用與光學(xué)類比的方式來描述所研究的物理現(xiàn)象，因此出現(xiàn)了幾何原子光學(xué)、波動(dòng)原子光學(xué)、量子原子光學(xué)、非線性原子光學(xué)等新的分支學(xué)科。
原子光學(xué)推動(dòng)了激光冷卻和囚禁中性原子的出現(xiàn)和發(fā)展，提供了一套精確操控原子的方法，最直接的結(jié)果就是實(shí)現(xiàn)了低至nK的極低溫，使物理學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了他們幾十年來期盼的原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC），開創(chuàng)了超冷原子物理學(xué)的先河。1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了激光冷卻研究領(lǐng)域的三位領(lǐng)軍人物：朱棣文、康塔諾吉和菲利普斯，以表彰他們發(fā)明了用激光冷卻和囚禁原子的方法。
1997 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了激光冷卻研究領(lǐng)域的三位領(lǐng)軍人物：朱棣文、科恩塔諾和菲利普斯
07
納米光學(xué)
隨著微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家擁有了在納米尺度上操控光子的能力，從而帶動(dòng)了納米光子學(xué)的發(fā)展，納米光子學(xué)主要研究納米尺度上光與物質(zhì)的相互作用，自1992年第一屆國(guó)際近場(chǎng)光學(xué)會(huì)議召開以來，超分辨光學(xué)成像、光子晶體、超材料、納米等離子體、單光子源、光學(xué)微腔、光學(xué)天線等大量具有獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)材料與器件得到了研究。
納米光子學(xué)在光學(xué)超分辨成像、生物醫(yī)學(xué)傳感、固態(tài)照明、顯示、光通信、半導(dǎo)體制造和太陽能電池等有著廣闊的應(yīng)用前景，已成為國(guó)際研究熱點(diǎn)。
光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖（a）一維；（b）二維；（c）三維
08
光子學(xué)
光子學(xué)是20世紀(jì)七八十年代才逐漸興起的一門科學(xué)領(lǐng)域。從物理學(xué)角度看，光子學(xué)其實(shí)是光學(xué)原理和方法的技術(shù)應(yīng)用?！肮庾訉W(xué)”一詞出現(xiàn)于1970年，首先由荷蘭科學(xué)家LJ提出，當(dāng)時(shí)他指的是“利用光子作為信息載體的科學(xué)”，幾年后又加上了“利用光子作為能量載體的科學(xué)”。王大珩曾將其概括為：“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的學(xué)科，光子學(xué)是研究光子作為信息載體和能量載體的行為及其應(yīng)用的科學(xué)?！币虼耍庾訉W(xué)并不是獨(dú)立于光學(xué)之外的一門新學(xué)科，光子學(xué)只是光學(xué)原理和方法的技術(shù)應(yīng)用而已。
光子學(xué)涵蓋了光的產(chǎn)生、探測(cè)、通信和信息處理等各個(gè)方面，融合了眾多不同領(lǐng)域，衍生出生物光子學(xué)、超快光子學(xué)、納米光子學(xué)、微波光子學(xué)等多種學(xué)科，同時(shí)光子技術(shù)在通信、云計(jì)算、生物醫(yī)藥、自動(dòng)駕駛、軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等現(xiàn)代生活的各個(gè)方面都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
集成光路與集成電路的發(fā)展對(duì)比
09
其他新光學(xué)現(xiàn)象
除了以上提到的分支學(xué)科以外，現(xiàn)代光學(xué)還有許多值得關(guān)注的光學(xué)現(xiàn)象，例如“慢光與快光”現(xiàn)象、光的軌道角動(dòng)量（OAM）、隨機(jī)激光等等，現(xiàn)代光學(xué)的新方向和新現(xiàn)象層出不窮。
結(jié)
語言
光學(xué)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)方面，光已經(jīng)成為科研、生產(chǎn)、生活中最重要的元素之一。例如各種成像設(shè)備已經(jīng)普及到各個(gè)角落，從探索宇宙的望遠(yuǎn)鏡，從追光抓人的高速攝像機(jī)，到無處不在的手機(jī)鏡頭，再到探測(cè)微小細(xì)節(jié)的顯微鏡；各種光學(xué)儀器，如光譜儀、干涉儀、光學(xué)計(jì)量?jī)x器等也已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域；激光技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用到幾乎所有的行業(yè)，如工業(yè)、通信、醫(yī)學(xué)、軍事、農(nóng)業(yè)、航空航天、文教等。
總之，人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)歷史悠久，光學(xué)是人類文明知識(shí)寶庫(kù)中璀璨的一部分。希望更多的人能夠關(guān)注光，希望更多的年輕人能夠投身到光學(xué)的研究和應(yīng)用當(dāng)中。也希望中科創(chuàng)興能能夠成為光學(xué)領(lǐng)域優(yōu)秀的天使投資機(jī)構(gòu)。
以上文章摘錄自：
[1] 李世群. 千年光學(xué)[J]. 物理與工程, 2015年25期1號(hào).
[2]馬明祥.光學(xué)發(fā)展歷史概述[J].大眾科學(xué),2007(05):82-83.
[3] 李如新等. 超快光學(xué)與超強(qiáng)激光技術(shù)前沿研究[J]. 中國(guó)科學(xué), 2016年46期9號(hào).
[4] 杜祥萬. 激光發(fā)明50周年的幾點(diǎn)啟示[J]. 物理,39No7.