楊宏李洪云龔旗煌    北京大學(xué)物理系，

人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室

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(rèn)知走向確切認(rèn)知的過程。

光學(xué)無處不在，太陽能的利用，藍光的發(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(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、通過光纖進行信息的傳輸、藍牙無線紅外通信、光纖傳感和投影等。

光學(xué)研究對自然科學(xué)的發(fā)展起到了非常大的促進作用?；乜礆v史，第一個諾貝爾物理學(xué)獎授予了倫琴，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，促進了現(xiàn)代物理學(xué)的誕生。2002年諾貝爾物理學(xué)獎仍然與X射線相關(guān)，授予了對天體物理有開創(chuàng)性貢獻的宇宙X射線源的發(fā)現(xiàn)，打開了宇宙新窗口。進入21世紀(jì)，多項諾貝爾獎授予了光學(xué)領(lǐng)域，2017年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了引力波的探測研究，表彰獲獎?wù)邆儤?gòu)思和設(shè)計了干涉儀引力波天文臺，驗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)獎授予了半導(dǎo)體照明研究，藍色發(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，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法超過光波波長的一半，被認(rèn)為是光學(xué)顯微鏡理論上的分辨率極限，而獲獎?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，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動成為可能。2009年，諾貝爾物理學(xué)獎被授予英國華裔科學(xué)家高錕及美國科學(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)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，推動著人類對自然的認(rèn)知和人類社會的進步。

聯(lián)合國教科文組織宣布2015年為“光和光基技術(shù)國際年”(簡稱國際光年)，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)用帶來了直接改變?nèi)祟惢顒拥母锩缘募夹g(shù)，但是，這些重要的技術(shù)進步卻常常未能吸引人們的關(guān)注。國際光年是推進光和光基技術(shù)進步、深化國際光學(xué)領(lǐng)域合作、促進光學(xué)學(xué)術(shù)交流、普及光學(xué)民眾教育的一次重要契機，成為在國際光學(xué)工程領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛深遠影響的一年。

2018年5月16日，確定每年的這一天為國際光日，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法生存。2. 以光為基礎(chǔ)的工業(yè)是主要經(jīng)濟驅(qū)動力，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。例如，光基技術(shù)通訊提供信息促進可持續(xù)發(fā)展，提高社會健康和福祉，直接影響人類的需求。3. 以光為基礎(chǔ)的技術(shù)越來越多的為全球挑戰(zhàn)提供解決方案，包括太陽能利用，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)展中國家的生活質(zhì)量是實現(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)識到光學(xué)研究的重要性，以及光基技術(shù)對全球發(fā)展的重要性。同樣重要的是，最聰明的年輕人繼續(xù)被這個領(lǐng)域的科學(xué)和工程事業(yè)所吸引。

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

中國人在直觀體驗的感性認(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?！熬?，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(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概念，但很遺憾并沒有進一步從數(shù)學(xué)角度對這些光學(xué)現(xiàn)象進行描述，進入17 世紀(jì)我國在光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展與世界水平逐漸有了差距。

17世紀(jì)光學(xué)在歐洲誕生了，歐洲成為了當(dāng)時光學(xué)研究的前沿陣地。幾何光學(xué)和波動光學(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，波動光學(xué)闡述了光是一種電磁波，光學(xué)研究進入了科學(xué)認(rèn)知的歷程?？茖W(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，在這個時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，光的速度不變并且以直線方向前進?？墒钱?dāng)光線傾斜地由一個介質(zhì)進入另一密度不同的介質(zhì)時，光的速度就會發(fā)生改變，行進的方向也發(fā)生曲折，這是因為折射率的不同決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。由于這時空氣下密上稀的差異較大，來自船舶的光線先由密的氣層逐漸折射進入稀的氣層，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，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。我們在科研實驗中誕生的大的光學(xué)儀器也離不開折射原理的應(yīng)用，照相機，望遠鏡等接連出現(xiàn)。隨著透鏡的發(fā)展，更進一步促進了幾何光學(xué)的發(fā)展。透鏡與物體之間的距離改變時成像會有不同，透鏡的組合還會增加放大倍率，從而實現(xiàn)了顯微鏡放大成像，人們可以看清楚微小的物體，這些對人類社會發(fā)展的影響非常大。

17世紀(jì)下半葉，牛頓和惠更斯等把光的研究引向進一步發(fā)展的道路。1672年牛頓完成了著名的三棱鏡色散試驗，經(jīng)過三棱鏡的太陽光可分出五顏六色的光，這是最早的波長的概念。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獾奈⒘Ｕf，認(rèn)為光是波動的。光向外傳播類似于將石頭擲于水中，波向外傳播，每一點都是一個源，再次向外傳播。這與光是粒子的，類似于打子彈，是一個粒子一個粒子的向前傳播的學(xué)說相矛盾?；莞惯\用他波動理論中的次波原理，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。這個時期也可以說是幾何光學(xué)向波動光學(xué)過渡的時期，是人們對光的認(rèn)識逐步深化的時期。

1801年，楊氏干涉實驗證明了光的波動性。托馬斯·楊把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源。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，到達不同位置時位相不同，疊加后出現(xiàn)強度的增強或減弱，會形成一系列明、暗交替的條紋，這就是著名的雙縫干涉條紋。雖然這一實驗充分證明了光具有波動性，但是光的波動理論仍然不被人們認(rèn)可，光的波動性一直處于爭論之中。

當(dāng)時歐洲科學(xué)中心，法國科學(xué)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(dāng)?shù)拇笮?，實驗中發(fā)現(xiàn)屏幕上出現(xiàn)了干涉條紋，中間出現(xiàn)了亮斑，證明了光的波動性。

光的波動性被認(rèn)可后，促進了電磁學(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解釋， “光也是一種電磁波”這一觀點逐漸被大家認(rèn)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(xué)器件等的出現(xiàn)。

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)，即波動理論的困惑。用波動理論計算黑體輻射會無限大的增強—瑞利金斯曲線，與實際測量不符，即紫外災(zāi)難。為了解釋這個難題，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)為光具有量子化特性，能量是一份一份的，并不是連續(xù)的，即光是粒子的，這可以很好地解釋紫外災(zāi)難。

愛因斯坦提出光量子學(xué)說，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。這標(biāo)志著光科學(xué)的研究進入了量子光學(xué)時期。而另一個促進量子力學(xué)誕生的重要研究是對“太陽黑線”的研究。應(yīng)用光譜儀測量陽光照射的譜線中總是有幾條穩(wěn)定存在的譜線，起初人們無法判定黑色譜線的來源，后確定為太陽光到達地球的過程中吸收了大氣中的某些元素，于是在太陽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，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，吸收光子后電子從下能級躍遷至上能級將光子能量吸收，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。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)展又促進了光學(xué)的巨大發(fā)展。

現(xiàn)代光學(xué)是基于激光的發(fā)展而建立起來的。激光的發(fā)明是光學(xué)發(fā)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(yī)療、農(nóng)業(yè)等極為廣泛的領(lǐng)域。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又使激光進入了超快超強領(lǐng)域。激光器可以產(chǎn)生4fs(1fs=10^-15s)的超短脈沖，如此短的時間標(biāo)尺可以度量飛秒量級的物理變化。物質(zhì)穩(wěn)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。現(xiàn)在激光器產(chǎn)生激光的強度可以達到10^21-22 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(jié)構(gòu)。

激光創(chuàng)造了極端的時間尺度和極端的場強，極大的擴展了光學(xué)的應(yīng)用，將應(yīng)用擴展到高分辨光學(xué)測量、高強度非線性光學(xué)、相對論非線性光學(xué)、超快動力學(xué)和強場物理等領(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，應(yīng)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(xué)研究來說具有非常重要的意義。激光聚焦可以實現(xiàn)電場高達10¹²V/m，超強激光與等離子體相互作用，產(chǎn)生的加速電場可以比常規(guī)加速器高出千倍以上。此外，光也已經(jīng)成為當(dāng)代計量的新標(biāo)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(jīng)路徑的長度。

光是現(xiàn)代科技的重要驅(qū)動力，光學(xué)與信息、先進制造、能源、健康和國家安全密切相關(guān)，推動人類社會的發(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，計算機等等，都能體現(xiàn)光與信息的關(guān)系。以互聯(lián)網(wǎng)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(fù)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(guān)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(yīng)速度決定了信息傳輸?shù)目炻，F(xiàn)在新興的自動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實現(xiàn)的，光和信息始終緊密地聯(lián)系在一起。

2. 光與先進制造：光刻技術(shù)已經(jīng)將波長越做越小，現(xiàn)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(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，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)，使得人們可以觀測細(xì)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(xì)微結(jié)構(gòu)，對生物物理的發(fā)展起到了極大的推進作用。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. 激光與國家安全：激光安檢、激光武器、激光制導(dǎo)、激光測距、激光導(dǎo)航等，激光幾乎是安全和國防等研究領(lǐng)域的必備利器。

從公元前墨子對光的描述，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年飛秒激光作為時間分辨對超快動力學(xué)的技術(shù)測量，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著科學(xué)及社會的進步。

光有怎樣的未來，未來我們可以做什么？不難預(yù)測，我們將可以得到更多極端的條件，光場的操控方式發(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(xué)研究中的變量，拓展了物理學(xué)研究的方向和極限。同時也可以在空間尺度進行調(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)步入了新的時代。

時間小尺度方面，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^-18 s)，現(xiàn)在實驗室通過飛秒光高次諧波產(chǎn)生的最短的阿秒光脈沖可達到46as。阿秒的出現(xiàn)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(biāo)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(biāo)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(xué)未來需要攻克的目標(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，利用脈沖整形對動力學(xué)過程、分子形成和解離、生命和材料等的反應(yīng)過程進行人工調(diào)控。通過精密調(diào)控光脈沖各點的位相和振幅，構(gòu)建特定光場結(jié)構(gòu)的波陣面，實現(xiàn)光場偏振態(tài)剪裁，可以控制細(xì)胞等微觀粒子的運動。

在超快計算領(lǐng)域，要求現(xiàn)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(lián)實現(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實現(xiàn)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(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)的前沿和未來光學(xué)的發(fā)展方向。（全文完）