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Hong Yang, Hongyun Li, Qihuang Gong, 北京大学物理学院,

人工微结构与细观物理国家重点实验室

一、简介

从出生的那一刻起，光就伴随着我们的一生。 宇宙的发展与光的发展密切相关。 光学的发展过程是人类认识客观世界过程的重要组成部分。 它是一个不断揭露矛盾、化解矛盾，逐渐从不准确的认识走向确定的认识的过程。

光学无处不在，太阳能的利用、蓝光的发光、激光的焊接与切割、电影的放映、光纤的通讯、光合作用、X射线的应用、显微镜的应用等等。光学仪器在人们的日常生活中发挥着不可替代的作用。 举一个大家最熟悉的例子，我们每天使用的手机使用了30多种光学技术：光学玻璃、激光切割光滑玻璃表面、激光打标、OLED和液晶显示器、挡光板、背光源、实现彩色偏光片及滤光片、增加清晰度的增透膜、照相镜头、成像CCD、芯片制造、光刻技术的应用、光纤信息传输、蓝牙无线红外通信、光纤传感与投影等。

光学研究极大地促进了自然科学的发展。 回顾历史，第一个诺贝尔物理学奖授予了伦琴。 伦琴发现了X射线，拉开了20世纪物理学革命的序幕，推动了近代物理学的诞生。 2002年的诺贝尔物理学奖仍然与X射线有关，授予发现宇宙X射线源的人，这些人对天体物理学做出了开创性的贡献，打开了观察宇宙的新窗口。 进入21世纪，光学领域获得了多项诺贝尔奖。 2017 年诺贝尔物理学奖授予了对引力波的探测。 获奖者构思设计的干涉仪引力波天文台，验证了爱因斯坦的百年预言，为人类探索宇宙提供了“耳朵”。 2014年诺贝尔物理学奖授予了对半导体照明的研究。 蓝色发光二极管的发明使白光以一种新的方式产生。 人类可以有更耐用、更高效的灯来替代光源，这也与光学息息相关。 . 2014年的诺贝尔化学奖也颁给了光学研究领域，因为光学显微成像技术的最高分辨率已经无法超过光波长的一半，这被认为是光学显微的理论分辨率极限，但胜者将超越 分辨荧光显微镜的极限已扩展到纳米级，一百多年来无人能突破的极限已被三位科学家成功绕过，使透视机芯成为可能的生物体分子。 2009年，诺贝尔物理学奖授予英籍华人科学家高巩和美国科学家威拉德·博伊尔、乔治·史密斯。 花王在“用于光通信的光纤中传输光”方面取得了突破。 Boyle和Smith发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，光纤通信和CCD成像技术与我们的日常生活密切相关。

光学显微镜

(a) 蓝色 LED； (二) 发光二极管

威廉康拉德伦琴和 X 射线照片

光学是物理学中一门古老的学科，也是当今科学研究中最活跃的学科之一，它促进了人类对自然界的认知和人类社会的进步。

联合国教科文组织宣布2015年为“国际光与光基技术年”（简称国际光年），以纪念千年来人类在光领域的伟大发现。 光学科学及其应用带来了直接改变人类活动的革命性技术，但这些重要的技术进步往往未能引起人们的重视。 国际光年是推动光及光基技术进步、深化光学领域国际合作、促进光学学术交流、普及光学公共教育的重要契机。

2015国际光年

2018年5月16日，这一天被确定为每年的国际光日，以纪念红宝石激光器在1961年的这一天诞生。光日的四个概念是：1.光在人类活动的最基本层次。 光是生命本身的起源，例如光合作用，没有它人类就无法生存。 2. 光产业是主要的经济驱动力，光的许多应用通过医学、通信、娱乐和文化彻底改变了社会。 例如，基于光的技术通信提供信息以促进可持续发展、改善社会健康和福祉，并直接影响人类需求。 3. 光基技术越来越多地为全球挑战提供解决方案，包括太阳能的使用，特别是在能源、教育、农业和公共卫生领域。 应用光基技术提高发展中国家的生活质量是实现可持续发展重要目标的关键。 4. 随着光成为21世纪重点交叉学科的科学与工程学科，世界已经充分认识到光学研究的重要性和光基技术对全球发展的重要性。 同样重要的是，最聪明的年轻人继续被该领域的科学和工程职业所吸引。

2.光的认知过程

对光的认知过程可以简单分为两个阶段，17世纪以前的直观体验阶段和17世纪以后的科学认知阶段。

中国人对直觉经验的感性认知非常有创意。 公元前400年，墨子用优美的文字描述了光的线性传播和针孔成像，这是对针孔成像技术最早的记载。 “景，光之人，照则人下也高；人高亦下，脚遮光，故景在上，头遮光，故场景如下……”。 指出小孔倒像的根本原因是光的“照如射”，“射”用来形容光直如箭的特点。 据西汉记载，我们的祖先把冰切成球，面向太阳，在太阳的“影子”位置点燃艾草生火。 这是世界上最早的聚光和太阳能利用实例。 公元500年左右，唐朝记载光有颜色，颜色是光照射雨滴产生的，这是光的本质，而不是雨滴的本性。 古人很早就提出了这个概念，可惜没有从数学的角度进一步描述这些光学现象。 17世纪，我国在光学领域的发展逐渐落后于世界水平。

浅色

光学诞生于17世纪的欧洲，欧洲成为当时光学研究的前沿。 几何光学和波动光学，以数学和科学的方式描述光。 几何光学阐述光的线性传播、反射、折射等。 波动光学阐述了光是一种电磁波。 光学研究已进入科学认知过程。 科学认知是光的科学。 需要了解光的本质，光是如何产生的，如何传播的，以及与物质的相互作用，甚至如何通过物质的相互作用来调节光。 这些正是光的科学。 研究主要内容。

几何光学是光学发展史上的一个转折点。 这一时期建立了光的反射和折射定律，为几何光学奠定了基础。 其中最重要的是光的折射定律。 折射率决定了光的传播和光的相互作用。 它是光学研究中最基本的价值。 介电常数和极化率是与折射率密切相关的常数。 折射定律的出现和应用为光纤通信奠定了基础。 折射定律也经常出现在人类生活中，比如海市蜃楼的现象。 光在密度相同的均匀介质中传播时，光速保持不变，沿直线传播。 但是，当光从一种介质斜向通过密度不同的另一种介质时，光速会发生变化，行进方向也会发生弯曲，因为折射率的不同决定了光传播的角度。 如果地平线以下有一艘船，它通常是看不见的。 如果在寒冷的海面上，低层气温低，密度高，高层气温高，密度低。 由于此时浓密空气和稀薄空气之间的差异较大，船上发出的光线首先从浓密空气层逐渐折射到稀薄空气层中。 由于折射率的不断变化，光线发生弯曲并返回到较低的致密空气层。 最后，当我们把它放到眼睛里时，我们就能看到船的形象，也就是海市蜃楼的模样。 在沙漠中看到虚幻的树木和水源，也是基于同样的原理。 利用折射定律可以解释生活中的许多科学和应用问题。 我们科研实验中诞生的大型光学仪器也离不开折射原理的应用，相继出现了照相机、望远镜等。 随着透镜的发展，进一步推动了几何光学的发展。 当镜头与物体的距离发生变化时，成像就会不同。 透镜的组合也会增加放大倍率，从而实现显微镜的放大成像，人们可以清楚地看到微小的物体。 这些都对人类社会的发展产生了很大的影响。

海市蜃楼

17世纪下半叶，牛顿和惠更斯带领光的研究走上了进一步发展的道路。 1672年，牛顿完成了著名的棱镜色散试验。 太阳光通过三棱镜可以分离出五颜六色的光，这是最早的波长概念。 但是，牛顿认为光是粒子。 牛顿的粒子流假设很难解释光绕过障碍物后发生的衍射现象。 惠更斯反对光的粒子论，认为光是波动的。 光像投石入水一样向外传播，波向外传播，每一点都是一个源头，再向外传播。 这与光是粒子的理论相矛盾，类似于打子弹，一个粒子一个粒子地向前传播。 惠更斯利用波浪理论中的二次波原理，不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了方解石的双折射现象。 这一时期也可以说是几何光学向波动光学过渡的时期，是人们对光的认识逐渐加深的时期。

1801年，杨氏干涉实验证明了光的波动性。 Thomas Young 在一张有小孔的纸前放了一支蜡烛，这样就形成了一个点光源。 将另一张纸放在穿孔纸后面，并在第二张纸上切出两条平行的缝隙。 从小孔发出的光通过两条狭缝投射到屏幕上。 当它到达不同的位置时，相位是不同的。 叠加后，强度增加或减少，形成一系列明暗交替的条纹。 这就是著名的双屏。 干涉条纹。 虽然这个实验充分证明了光具有波动性，但光的波动学说仍未被人们所认可，光的波动性一直存在争议。

当时，欧洲科学中心和法国科学院提出了一个著名的课题——泊松亮点，菲涅尔成功地利用这个课题证明了光的波动性。 菲涅耳将屏幕孔的大小改变为与波长相当的大小。 实验过程中发现屏幕出现干涉条纹，中间出现亮点，证明了光的波动性。

光的波动性被认识后，促进了电磁学的飞速发展。 麦克斯韦方程组是现代电磁学的基础，光的所有性质都可以用麦克斯韦方程组来解释。 “光也是电磁波”的观点逐渐被大家认可。 从无线电波到伽马射线都是电磁波，光只是其中的一小部分，可见光的400-700nm波段是一小部分，却是人们最感兴趣的波段。光的理论促进了光谱仪、干涉仪、传感器和镀膜光学器件的出现。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

光也是一种电磁波

到19世纪末，经典物理学的大厦已经建成。 汤姆森在新年致辞中说，经典物理学只剩下“两朵乌云”，其中一朵与光学密切相关，即对波动理论的困惑。 用波浪理论计算黑体辐射会无限增加——瑞利金斯曲线，与实际测量不符，即紫外线灾难。 为了解释这个难题，数学家普朗克从物质的分子结构中借用了不连续性的概念光纤光谱仪 单色光源，提出了量子理论。 他认为光的能量是一片片的，不是连续的，这可以很好地解释紫外线灾难。

艾尔伯特爱因斯坦

爱因斯坦提出光的量子论，用光电效应证明了光的粒子性，获得诺贝尔物理学奖。 这标志着光科学的研究进入了量子光学时代。 而另一个推动量子力学诞生的重要研究是“太阳黑线”的研究。 用光谱仪测得的太阳光照射的谱线中，总有几条稳定的谱线。 起初，人们无法确定黑色光谱线的来源，但后来确定大气中的某些元素在到达地球时被太阳光吸收，因此这些频率的光波在太阳光谱中不存在，形成黑暗线。 然而，吸收线是单线。 为了解释这一现象，玻尔提出了原子结构学说，认为原子是由原子核和核外电子组成的，电子具有不同的能级。 吸收光子后，电子从低能级跃迁到高能级。 提出原子结构和能量不连续性的能量吸收理论解释了太阳黑线现象，量子力学由此诞生。 可见光学对量子力学的建立作出了重要贡献。 光子的概念、光电效应的发现、紫外线灾变的解释、光谱暗线的解释、能级的概念等等，这些研究建立了当代量子物理学的框架，而量子物理学的发展又促进了光学的发展。 巨大的发展。

3.现代光学时代

现代光学是在激光的基础上发展起来的。 激光的发明是光学史上具有革命性意义的里程碑。

红宝石激光器的诞生，使人类第一次获得了自然界不存在的光源——激光。 由于激光具有强度高、单色性好、方向性强等一系列独特性能，迅速应用于材料加工、精密测量、通信、测距、全息检测、医疗、农业等广泛领域. 现代科学技术的发展，使激光进入了超快超强领域。 激光可以产生4fs（1fs=10-15s）的超短脉冲，如此短的时间尺度可以测量飞秒量级的物理变化。 物质的稳定存在是因为原子核有足够的束缚力来限制电子。 以氢核对电子的作用为例，其作用力约为1016W/cm2。 现在激光器产生的激光强度可以达到1021-22W/cm2，那么激光场强对原子的作用力不再处于摄动的水平，很容易将电子和原子核撕裂开来，可以探索亚原子微观结构。

激光创造了极端的时间尺度和极端的场强，极大地扩展了光学的应用，将应用扩展到高分辨率光学测量、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。 利用飞秒激光探索分子的解离过程获得1999年诺贝尔化学奖。利用激光超高时间分辨率的特性来探测分子的解离过程对化学研究具有重要意义。 激光聚焦可实现高达1012V/m的电场，超强激光与等离子体相互作用产生的加速电场可达到传统加速器的千倍以上。 此外，光也成为当代测量的新标尺。 1983年第17届国际计量大会确定，1米是光在真空中以1/299792458秒的时间间隔所经过的路径的长度。

1960年，美国科学家麦曼宣布获得激光

光是现代科学技术的重要推动力。 光学与信息、先进制造、能源、健康和国家安全密切相关，推动着人类社会的发展。

1、光与信息：光纤通信、光开关、光学全息、CCD成像、光量子通信、三维电影、光纤胃镜、计算机等，都可以反映光与信息的关系。 以互联网计算机为例，如果去掉光的作用，依赖光纤通信的计算机信息传输和依赖光刻的芯片处理将不复存在，整个信息时代也将消失。 光信息传输是先对0和1信息进行编码，传输后进行解码输出信号。 然后光开关决定信息的通过，有光通过时为1，没有光通过时为0。 光开关的响应速度决定了信息的传递。 速度。 新兴自动驾驶的感知也依赖于光学。 车辆的行驶路线、周围物体的避让、道路环境的判断，都是通过光学信息的采集和处理来实现的。 光和信息总是紧密相连的。

2. 轻型先进制造：光刻技术使波长越来越小，现在可以达到几纳米的量级和精度，甚至可以制造纳米级和微米级的微结构，广泛应用于生命科学和医学领域。 . 激光打标、激光切割和 3D 打印等应用也无处不在。 例如，70%以上的汽车结构都是通过激光焊接技术完成的，焊接效果与样车相差无几，增加了车身的稳定性和安全性。

3、光与能源：LED光源以其低电压、低能耗、安全性高等优点得到广泛应用。 铀同位素的激光分离、激光聚变、太阳能的利用等能源领域都是光学的重要应用。

4、光与健康：X射线的发现深刻影响了医学领域的发展。 科学家利用X射线分析DNA的双螺旋结构，引发了医学领域的颠覆性变革。 光学显微镜的出现使人们可以观察细胞、染色体等，随着观察精度进一步提高到数百纳米量级，可以观察到高分辨率荧光蛋白的精细结构，极大地促进了生物物理学的发展。 激光美容和激光眼科手术已经是成熟的技术，广泛应用于美容医学领域。

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，激光几乎是安全与国防研究领域的必备武器。

“光纤之父”高琨

从公元前墨子对光的描述，到1665年显微镜的发现，1704年牛顿光学的发表，1865年麦克斯韦方程组的诞生，1905年发现决定光的量子特性的光电效应，以及1960年激光的诞生，1965年光纤理论的引入，1973年第一代光纤技术的发展，以及1999年飞秒激光作为超快动力学时间分辨技术测量的应用，光学发展史上的所有里程碑。 21世纪是光的世纪。 光在推动科学和社会进步方面发挥着不可替代的作用。

4.光的未来

光有什么样的未来，未来我们能做些什么？ 不难预测，我们将能够获得更多的极端条件，光场的操控方式也将发生根本性的变化。 首先，可以生成非常短的脉冲。 目前，商用仪器产生的最短光脉冲可达4fs。 此外，还可以精确控制相位，形成完全不同的场强分布。 光场模式多样化，波长、相位、频率、位置、时间等条件均可操控，增加了物理研究的变量，拓展了物理研究的方向和局限。 同时，它还可以在空间尺度上进行调控，可以突破光的衍射极限。 借助一些微纳结构，可以将光斑尺寸限制在纳米尺度以下，例如表面等离子激元，可以为光学研究带来新的思路。 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、人工纳米微结构的研究、超材料的研究、微纳光电器件的研究等纳米光学和激光光学的发展，可以使光与物质的相互作用面积更小，相互作用尺度更小，使光信息技术进入一个新时代。

在小时间尺度上，飞秒激光与物质相互作用后可以产生阿秒（as）激光（1as=10-18s）。 现在实验室中飞秒光高次谐波产生的最短阿秒光脉冲可达46as。 阿秒的出现让更小时间尺度的观测成为可能，我们也有了更小的尺度。 电子在氢原子中绕原子核移动需要 150as。 如果我们有一把时间刻度为46as的尺子，我们可以观察电子的运动过程，这是非常有意义的。 然而，目前人们还面临着阿秒光脉冲能量低等困难，很多研究还不具备实验条件，这也是未来光学需要攻克的目标。

超快技术也被用于生命和材料的研究。 光的多维调控为这些跨领域的研究提供了丰富的手段，例如生物大分子的四维成像、超快动力学和飞秒医学等，都是在该领域的一次尝试。非常尖端的光学。 例如，过去我们可以产生的光斑是圆形的，现在我们可以把光斑的中心变成一个圆形的腔，偏振变成镜像、横向或螺旋偏振，突破了原来的线偏振，圆形偏振和椭圆偏振等。正是由于光结构的多样性，普通光和结构光顺序照射的应用，使得原始粒子的空间分辨率在腔体中得以保留，该技术突破了理论极限光学显微技术，实现纳米高分辨率成像。 此外，将光脉冲展开成不同的脉冲形状，利用脉冲整形来人为调控动力学过程、分子形成与解离、生命与物质的反应过程等。光脉冲，构建具有特定光场结构的波阵面，实现光场偏振态的剪裁，控制细胞等微观粒子的运动。

在超快计算领域，现代微电子芯片要求计算量大光纤光谱仪 单色光源，计算速度快。 通常，超高速计算是通过并联计算机来实现的，但是并联会导致非常大的能量损失。 如果在微电子芯片中加入光芯片，实现光信息的传输，利用光在机器之间进行交互，可以解决能源消耗问题，大大提高计算和传输速度，为未来的计算和信息处理提供了可能。 . 新方法。

飞秒激光时域和频域的控制还可以对光合作用的过程进行细致的研究。 人们在探索和研究光合作用的具体过程和原理后，可以对人体进行人工光合作用，解决人类面临的诸多问题。 这些能源问题将是现代光学的研究前沿和未来光学的发展方向。 （全文）

本文节选自《现代物理知识》2019年第3期