5.16國際光日·中國科技創新之星 硬核創意視覺傳播
與光同行，ing沒有終點
光學日講座
光的誕生由來已久，按照現代宇宙學的理論，光的存在早于原子、分子、凝聚態等物質，或許就如《圣經》創世紀里所記載的，上帝說：“要有光！”，于是就有了光。
我們生活在一個由物質、信息、生命構成的世界，而光在這個世界里扮演著中心角色。光傳遞著這個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，花王開創的光纖通訊技術成為信息社會的主要傳輸媒介。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。
光學是研究光的學科，研究光的本質、光的產生、傳播、檢測以及光與物質相互作用等。伽利略、牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦等科學巨人都致力于光的研究，一個物理學分支學科受到如此多科學巨人的青睞實屬罕見，光學的發展經歷了從漫長黑暗中摸索到逐漸迎來曙光的發展過程，主要經歷了萌芽期、幾何光學、波動光學、量子光學、現代光學五個大的歷史時期。
一
萌芽期（約公元前5世紀至16世紀初）
人類對光的認識，可以追溯到兩三千年前。春秋戰國時期墨子（約公元前476-390年）及其弟子所著的《墨經》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象。《墨經》共有八部論述光學問題的經典著作，是光學知識最早的記載。正如李約瑟在《中國科學技術史》中所說，墨子對光學的研究“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歲月，構成了光學發展的萌芽期。
墨子（公元前470—390年，中國古代思想家、教育家、科學家、軍事家，墨家學派的創始人和主要代表。）
二
幾何光學時期（16世紀至18世紀初）
幾何光學是光學發展史上的一個轉折點，這一時期建立了光的反射和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。1621年，荷蘭物理學家斯涅爾通過實驗首次總結出正確的折射定律，后來人們通常稱該定律為“斯涅爾定律”。
斯內爾·范羅因（1580–1626，荷蘭數學家和天文學家）
17世紀下半葉，牛頓等人帶領光的研究走向了進一步的發展。1665年5月，倫敦瘟疫蔓延，牛頓不得不回到鄉下老家自我隔離。這正好是牛頓23歲到25歲之間的黃金時代。整天待在家里，不走訪朋友、逛街、聚會，導致了1666年成為物理學的“奇跡年”。在此期間，牛頓對光的色散進行了實驗研究，為他后來的工作打下了不少基礎。之后，牛頓把粒子、力的概念滲入光學，從而解釋了光作為物質粒子的本質，提出了完整的“粒子理論”，建立了完整的光學體系網校頭條，粒子理論可以充分解釋幾何光學。
艾薩克·牛頓爵士（1643-1727，
英國科學家）
這一時期，以牛頓為代表的粒子論占據主導地位，與此同時，由于光的干涉、衍射、偏振等波動現象的發現，以惠更斯為代表的波動論也初步提出，兩種理論爭斗多年。
三
波動光學時期（19世紀初至19世紀末）
整個18世紀，由于牛頓在科學界的崇高地位，以牛頓為代表的粒子論占據主導地位，波動論則一直處于黑暗之中。故事的轉折點出現在1801年，托馬斯·楊進行了著名的雙縫干涉條紋實驗，一束光照射到兩個平行的狹縫上，在接收屏上得到了一系列明暗條紋交替出現的干涉結果。干涉衍射是波的獨特性質，楊的干涉實驗證實了波動論獲得了前所未有的鼓舞。
托馬斯·楊（1773-1829，
英國醫生和物理學家）
菲涅爾對波動光學進行了全面的研究，奠定了波動光學的理論基礎。光的波動說在19世紀取得徹底勝利，主要得益于他的貢獻。1818年，法國科學院舉行了有獎征文競賽，菲涅爾向科學院提交了一篇論文，用嚴謹的數學推理解釋了光的偏振，結果與實驗一致。但競賽委員會成員中包括比奧、拉普拉斯、泊松等人，蓋-呂薩克是粒子說的堅定支持者，態度曖昧，只有阿拉戈轉向了波動說。于是，出現了著名的亮點“泊松亮點”。該獎評委之一的泊松根據菲涅爾的結論，阿拉戈利用泊松理論得出圓形屏幕陰影中心應該有一個亮點，這在當時被認為是不可能的。 但很快，阿拉戈用實驗證實了“泊松亮點”，引起了法國科學院的轟動。在事實面前，粒子論的觀點開始動搖，很多人開始拋棄粒子論，加入波動論的行列。
讓·菲涅爾（1788-1827，法國物理學家和鐵路工程師）
麥克斯韋最重要的科學成就是創立了電磁場理論印度光學物理學家，統一了電、磁和光學，這是19世紀物理學發展中最輝煌的成就，也是科學史上最偉大的綜合之一。麥克斯韋預言了電磁波，并得出結論：光是電磁波的一種形式，揭示了光與電磁現象之間的聯系，以及所有以前已知的光學定律。許多以前未被發現的事實和關系都可以從麥克斯韋方程組推導出來，這是人類對光的本質認識的又一大進步。
麥克斯韋在生前并沒有享受到他應得的榮譽，他的科學思想和方法的意義直到20世紀的科學革命才得到充分體現。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，丹麥科學家）
四
量子光學時期（20世紀初至20世紀中葉）
1905年是物理學界的“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家愛因斯坦，在不到一年的時間里完成了6篇劃時代的論文，全部發表。在《物理學報》上，他在現代物理學的三個不同領域做出了劃時代的貢獻，創造了科學史和人類歷史上的奇跡。在第一篇文章《關于光的產生和變換的一項令人振奮的研究》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。應用光量子理論，愛因斯坦成功地解釋了光電效應，揭示了輻射的波粒二象性。光是“粒子”還是“波”的爭論從此得到解決。
1916年，愛因斯坦預言原子和分子可以產生受激輻射，指出如果受激輻射能繼續激發其他粒子印度光學物理學家，引起鏈式反應和雪崩式放大效應，就能得到單色偏振光，產生強輻射即激光，為現代光學的發展奠定了理論基礎。
阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955，物理學家）
五
現代光學是以激光的發展為基礎的，激光的發明是光學史上革命性的里程碑，1960年激光發明以后的光學一般被歸類為現代光學。
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、相干性強等特點。1960年5月15日，美國物理學家西奧多·梅曼在美國休斯國家實驗室點亮了世界上第一臺激光器，這臺紅寶石激光器開啟了激光的新時代。激光是繼原子能、計算機、半導體之后，20世紀以來人類的又一項重大發明。
激光常被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”，經過60多年的研究和發展，激光相關產品、技術和服務已遍布全球，形成了豐富而龐大的激光產業，被廣泛應用于激光制造、通訊、測量、信息處理、醫療、軍事、農業、文教娛樂等各個領域。
梅曼和他的紅寶石激光器的發明
（H.，1927-2007）
02
非線性光學
非線性光學涉及強相干光作用下介質的非線性現象及應用。一束紅光經過特殊的透明材料，光強增加，紅光奇跡般地變成了藍紫色，這就是倍頻效應，非線性光學的效應之一。非線性光學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、光克爾等應用性極強的效應。
長期以來，依托現有基礎，我國在非線性晶體材料結構設計和晶體生長方面保持國際領先地位，特別是在紫外、深紫外非線性光學晶體的研究與應用方面取得重要進展。我國科學家發明的具有自主知識產權的BBO、LBO、KBBF等高性能非線性晶體材料與器件享譽世界。
富晶科技生產的LBO晶體
03
激光光譜
激光光譜學是利用激光作為光源，研究原子和分子的發射光譜、吸收光譜和非線性效應的學科總稱。
激光光譜的作用，簡單來說，就是能夠測量一切。例如：超靈敏光譜著眼于檢測極低濃度的樣品，有些甚至已經達到單原子、單分子檢測的水平；超快激光光譜，可以研究皮秒甚至飛秒時間尺度上物質的動態過程；超高分辨率光譜，追求提高光譜的波長分辨率；此外，還有光梳光譜、相干光譜等方向。
2019年9月，英國劍橋大學華裔科研團隊推出全球最小光譜儀，該光譜儀由半導體納米線組成，體積小、成本低，有望將光譜檢測帶入大眾生活。《紐約時報》6日刊文。
納米線光譜儀示意圖
04
超快（超強）光學系統
隨著科技的不斷進步，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，超快激光技術能在極短的時間內產生強大的能量，推動高能物理、精密測量、化學、材料、信息、生物醫藥等基礎和前沿交叉學科的發展。
2018年諾貝爾物理學獎授予法國科學家熱拉爾·穆魯和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭，以表彰他們發明的啁啾脈沖放大技術，這是迄今為止產生超高峰值功率激光脈沖的唯一方法，已成為高強度激光器的標準技術，并應用于許多領域。
2018 年諾貝爾物理學獎授予法國科學家熱拉爾·穆魯和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭
例如近年來飛秒激光器成為科研和產業關注的焦點。飛秒激光器具有極短的脈沖持續時間和極高的峰值功率，飛秒激光微加工的熱影響極小，對周邊材料幾乎不造成損傷。相比于長脈沖激光器（如納秒），飛秒脈沖激光器加工出的邊緣極其整齊、精確，能夠克服熱效應的弊端，是真正的“冷”加工方式，被譽為“最快的刀”，隨著飛秒激光器生產工藝逐漸成熟、成本逐漸下降，未來有望得到廣泛應用，支撐消費電子、新能源、高端制造、生物醫藥等產業發展。
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
量子光學是利用輻射的量子理論研究光輻射的產生、統計特性、傳輸、檢測和基本物理問題以及光與物質相互作用的學科。現代量子光學是在量子理論的基礎上研究光的相干性和統計性，以及光與物質相互作用的量子特性。量子光學涉及腔量子電動力學、光子干涉、“鬼”成像、基于激光冷卻的冷原子物理和原子光學、糾纏態等。核心量子信息和量子計算都是熱門的研究領域。此外，利用量子光學實驗來檢驗基本量子理論也是一些量子光學研究人員特別青睞的研究領域。
中國科學院量子信息重點實驗室郭光燦院士在中國科學技術大學物理學院發表主旨演講——《關于量子的疑問》（來源：中國科學技術大學物理學院官網）
06
原子光學
原子光學是原子物理學和光學物理學交叉的新興領域，在這個新興領域中，人們處理原子的方式類似于光學中處理光（光子），原子光學用與光學類比的方式來描述所研究的物理現象，因此出現了幾何原子光學、波動原子光學、量子原子光學、非線性原子光學等新的分支學科。
原子光學推動了激光冷卻和囚禁中性原子的出現和發展，提供了一套精確操控原子的方法，最直接的結果就是實現了低至nK的極低溫，使物理學家們實現了他們幾十年來期盼的原子的玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），開創了超冷原子物理學的先河。1997年的諾貝爾物理學獎授予了激光冷卻研究領域的三位領軍人物：朱棣文、康塔諾吉和菲利普斯，以表彰他們發明了用激光冷卻和囚禁原子的方法。
1997 年諾貝爾物理學獎授予了激光冷卻研究領域的三位領軍人物：朱棣文、科恩塔諾和菲利普斯
07
納米光學
隨著微納加工技術的不斷發展，科學家擁有了在納米尺度上操控光子的能力，從而帶動了納米光子學的發展，納米光子學主要研究納米尺度上光與物質的相互作用，自1992年第一屆國際近場光學會議召開以來，超分辨光學成像、光子晶體、超材料、納米等離子體、單光子源、光學微腔、光學天線等大量具有獨特光學性質的納米結構材料與器件得到了研究。
納米光子學在光學超分辨成像、生物醫學傳感、固態照明、顯示、光通信、半導體制造和太陽能電池等有著廣闊的應用前景，已成為國際研究熱點。
光子晶體結構示意圖（a）一維；（b）二維；（c）三維
08
光子學
光子學是20世紀七八十年代才逐漸興起的一門科學領域。從物理學角度看，光子學其實是光學原理和方法的技術應用。“光子學”一詞出現于1970年，首先由荷蘭科學家LJ提出，當時他指的是“利用光子作為信息載體的科學”，幾年后又加上了“利用光子作為能量載體的科學”。王大珩曾將其概括為：“光子學是與電子學平行的學科，光子學是研究光子作為信息載體和能量載體的行為及其應用的科學。”因此，光子學并不是獨立于光學之外的一門新學科，光子學只是光學原理和方法的技術應用而已。
光子學涵蓋了光的產生、探測、通信和信息處理等各個方面，融合了眾多不同領域，衍生出生物光子學、超快光子學、納米光子學、微波光子學等多種學科，同時光子技術在通信、云計算、生物醫藥、自動駕駛、軍事、農業、工業等現代生活的各個方面都發揮著關鍵作用。
集成光路與集成電路的發展對比
09
其他新光學現象
除了以上提到的分支學科以外，現代光學還有許多值得關注的光學現象，例如“慢光與快光”現象、光的軌道角動量（OAM）、隨機激光等等，現代光學的新方向和新現象層出不窮。
結
語言
光學技術應用已經滲透到人類活動的各個方面，光已經成為科研、生產、生活中最重要的元素之一。例如各種成像設備已經普及到各個角落，從探索宇宙的望遠鏡，從追光抓人的高速攝像機，到無處不在的手機鏡頭，再到探測微小細節的顯微鏡；各種光學儀器，如光譜儀、干涉儀、光學計量儀器等也已經應用到各個領域；激光技術也已經應用到幾乎所有的行業，如工業、通信、醫學、軍事、農業、航空航天、文教等。
總之，人類對光的認識歷史悠久，光學是人類文明知識寶庫中璀璨的一部分。希望更多的人能夠關注光，希望更多的年輕人能夠投身到光學的研究和應用當中。也希望中科創興能能夠成為光學領域優秀的天使投資機構。
以上文章摘錄自：
[1] 李世群. 千年光學[J]. 物理與工程, 2015年25期1號.
[2]馬明祥.光學發展歷史概述[J].大眾科學,2007(05):82-83.
[3] 李如新等. 超快光學與超強激光技術前沿研究[J]. 中國科學, 2016年46期9號.
[4] 杜祥萬. 激光發明50周年的幾點啟示[J]. 物理,39No7.