光學發展與社會進步
發布人:新特光電 時間:2020-02-21 關注:

一、前言

人從降生開始,光就伴隨其一生。宇宙的發展與光的發展緊密聯系在一起。光學的發展過程是人類認識客觀世界進程中的一個重要組成部分,是不斷揭露矛盾和解決矛盾,逐漸從不確切認知走向確切認知的過程。

光學無處不在,太陽能的利用,藍光的發光,激光的焊接和切割,電影的放映,光纖通信,光合作用,X光的應用和顯微鏡的應用等等。光學儀器已在人們日常生活中起著無可替代的作用。列舉一個最熟悉的例子,我們每天都在使用的手機就使用了三十多項光學的技術:光學玻璃、激光切割光滑的玻璃表面、激光打標、OLED 和液晶顯示、擋光版、背光照明、實現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、光刻技術的應用、通過光纖進行信息的傳輸、藍牙無線紅外通信、光纖傳感和投影等。

光學是物理學中古老的學科,又是當前科學研究中最活躍的學科之一,推動著人類對自然的認知和人類社會的進步。

二、光的認知歷程

光的認知過程可簡單劃分為兩個階段,17世紀以前的直觀體驗階段和17世紀以后的科學認知階段。

中國人在直觀體驗的感性認知上是很有創造力的。公元前400 年,墨子用很美的詞句來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”來比喻光線徑直向、疾速似箭遠的特征。西漢時期記載,我們的祖先將冰削成球狀,對著太陽,在太陽的“影子”位置點燃艾草生火。這是世界上最早的光的聚焦和對太陽能利用的范例。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生,是光的本質而不是雨滴的性質。古人很早就提出了這個概念,但很遺憾并沒有進一步從數學角度對這些光學現象進行描述,進入17 世紀我國在光學領域的發展與世界水平逐漸有了差距。

17世紀光學在歐洲誕生了,歐洲成為了當時光學研究的前沿陣地。幾何光學和波動光學,從數學和科學的角度描述了光。幾何光學闡述了光的直線傳播、反射、折射等,波動光學闡述了光是一種電磁波,光學研究進入了科學認知的歷程??茖W認知即光的科學,需要了解光的本性是什么、光是怎么產生的、怎么傳播的,以及與物質的相互作用,甚至通過物質的相互作用怎么去調控光,這些也正是光科學研究主要內容。

當時歐洲科學中心,法國科學院提出了一個著名的題目—泊松亮斑,菲涅爾成功地利用這一題目證明了光的波動性。菲涅爾將屏孔的尺寸改變成與波長量級相當的大小,實驗中發現屏幕上出現了干涉條紋,中間出現了亮斑,證明了光的波動性。

光的波動性被認可后,促進了電磁學的快速發展。麥克斯韋方程是現代電磁學的基礎,而光的所有性質都可以用麥克斯韋方程來解釋, “光也是一種電磁波”這一觀點逐漸被大家認可。從無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400~600 nm 的波段是更小的一部分,但卻是人們最感興趣的波段。光的波動理論更是促進了光譜儀、干涉儀、傳感器、鍍膜光學器件等的出現。

三、現代光學時期

現代光學是基于激光的發展而建立起來的。激光的發明是光學發展史上的一個革命性的里程碑。

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。由于激光具有強度大、單色性好、方向性強等一系列獨特的性能,很快被運用到材料加工、精密測量、通訊、測距、全息檢測、醫療、農業等極為廣泛的領域?,F代科學技術的發展,又使激光進入了超快超強領域。激光器可以產生4fs(1fs=10-15s)的超短脈沖,如此短的時間標尺可以度量飛秒量級的物理變化。物質穩定存在是因為原子核有足夠的束縛力將電子禁錮,以氫核對電子的作用為例,作用力大概為1016 W/cm2?,F在激光器產生激光的強度可以達到1021-22 W/cm2,那么激光場強對于原子的作用力就不再是微擾量級,很容易將電子與原子核撕裂,可以探索亞原子量級的微觀結構。

激光創造了極端的時間尺度和極端的場強,極大的擴展了光學的應用,將應用擴展到高分辨光學測量、高強度非線性光學、相對論非線性光學、超快動力學和強場物理等領域。利用飛秒激光探究分子的解離過程的研究獲得了1999年諾貝爾化學獎,應用激光的超高時間分辨率的特性去探測分子的解離過程,對化學研究來說具有非常重要的意義。激光聚焦可以實現電場高達1012V/m,超強激光與等離子體相互作用,產生的加速電場可以比常規加速器高出千倍以上。此外,光也已經成為當代計量的新標尺,1983年第17屆國際計量大會上確定:米是光在真空中傳播1/299792458秒時間間隔所經路徑的長度。

光是現代科技的重要驅動力,光學與信息、先進制造、能源、健康和國家安全密切相關,推動人類社會的發展。

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,計算機等等,都能體現光與信息的關系。以互聯網計算機為例,如果將光的作用去掉,依賴光纖通信的計算機信息傳輸和依賴光刻的芯片加工將不復存在,整個信息時代就消失了。光信息傳播是以0、1信息先編碼,傳輸后再解碼來輸出信號,那么光開關決定了信息的通過,有光通過為1,無光通過為0,光開光的響應速度決定了信息傳輸的快慢?,F在新興的自動駕駛的感知也是依賴光學,車輛的行駛路線、周邊的物體避讓和路況環境的確定等,都是通過光學信息的采集和處理來實現的,光和信息始終緊密地聯系在一起。

2. 光與先進制造:光刻技術已經將波長越做越小,現在可做到幾納米的量級和精度,甚至可以制造納米和微米尺度的微結構,廣泛應用于生命科學和醫療等領域。激光打標、激光切割、3D打印等應用也無處不在。例如,現在百分之七十以上的汽車構造都是用激光焊接的技術完成,焊接效果幾乎與原型一致,增加了車體的穩定性和安全性。

3. 光與能源:LED 光源由于其電壓低,能耗低,安全性高,目前已經得到普及使用。激光分離鈾同位素、激光聚變、太陽能的利用等能源領域都是光學重要的應用體現。

4. 光與健康:X光的發現深刻地影響了醫學領域的發展,DNA雙螺旋結構就是科學家應用X光解析出來,引發了醫學領域顛覆性的變革。光學顯微鏡的出現,使得人們可以觀測細胞、染色體等,隨著觀測精度進一步提高到百納米量級,更可觀測高分辨熒光蛋白的細微結構,對生物物理的發展起到了極大的推進作用。激光美容、激光眼部手術已經是成熟的技術,被廣泛地應用在美容醫療領域。

5. 激光與國家安全:激光安檢、激光武器、激光制導、激光測距、激光導航等,激光幾乎是安全和國防等研究領域的必備利器。

四、光的未來

光有怎樣的未來,未來我們可以做什么?不難預測,我們將可以得到更多極端的條件,光場的操控方式發生了根本性的改變。首先可以產生非常短的脈沖,目前商用儀器產生的光脈沖最短可達到4fs,另外可精確控制相位,形成完全不同的場強分布。光場模式多樣化,可進行波長、相位、頻率、位置、時間等條件的操控,增加了物理學研究中的變量,拓展了物理學研究的方向和極限。同時也可以在空間尺度進行調控,可突破光的衍射極限,借助一些微納結構將光斑尺寸約束至納米尺度以下,比如表面等離激元,可以帶來全新的光學研究思路??臻g小尺度光學的出現,開拓了近場光學的研究,包括表面等離激元的研究、人工納微結構的研究、特異材料的研究、微納光電子器件的研究等。納米光學和激光光學的發展可以使得光與物質相互作用區更小,相互作用尺度更小,使得光信息技術步入了新的時代。

時間小尺度方面,飛秒激光與物質相互作用后可以產生阿秒(as)激光(1as=10-18 s),現在實驗室通過飛秒光高次諧波產生的最短的阿秒光脈沖可達到46as。阿秒的出現使更小時間尺度方面的觀測成為可能,我們也就擁有了更短的標尺。氫原子中電子繞核運動一圈的時間是150as,如果我們擁有時間尺度為46as 的標尺,就可觀測電子的運動過程,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驗條件,這也是光學未來需要攻克的目標。

超快技術也應用在生命和材料領域的研究中,光的多維調控為這些交叉領域研究提供了豐富的手段,如生物大分子的四維成像、超快動力學與飛秒醫學等等,這些都是非常前沿的光學領域的嘗試。比如,以前我們可以產生的光斑是圓的,現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構,應用普通光和結構光先后照明,使空洞處保留原來的粒子的空間分辨,此技術突破了光學顯微技術在理論上的極限,實現了納米高分辨成像。此外,將光脈沖展開成不同的脈沖形狀,利用脈沖整形對動力學過程、分子形成和解離、生命和材料等的反應過程進行人工調控。通過精密調控光脈沖各點的位相和振幅,構建特定光場結構的波陣面,實現光場偏振態剪裁,可以控制細胞等微觀粒子的運動。

在超快計算領域,要求現代的微電子芯片計算量大、計算速度快。通常情況下,超快計算是通過計算機并聯實現的,但并聯導致能量損耗非常大。如果在微電子芯片里加入光芯片來實現光信息的傳輸,用光來進行機器間的交互,可以很好地解決能耗問題,極大的增加運算和傳輸速度,為未來計算和信息處理提供了新的方法。

飛秒激光時域和頻域的控制還可以對光合作用中的過程進行詳細的研究,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,這些都將是現代光學的前沿和未來光學的發展方向。

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