5.16国际光日·中国科技创新之星 硬核创意视觉传播
与光同行，ing没有终点
光学日讲座
光的诞生由来已久，按照现代宇宙学的理论，光的存在早于原子、分子、凝聚态等物质，或许就如《圣经》创世纪里所记载的，上帝说：“要有光！”，于是就有了光。
我们生活在一个由物质、信息、生命构成的世界，而光在这个世界里扮演着中心角色。光传递着这个世界绝大部分的信息：视觉信息占人类所接收信息的80%；同时，花王开创的光纤通讯技术成为信息社会的主要传输媒介。光也是世界上绝大部分能量的最终来源：光合作用是绝大部分生物生存的能量来源；亿万年光合作用所积累的化石燃料是人类的能量来源。太阳能也将是未来清洁能源的重要解决方案。
光学是研究光的学科，研究光的本质、光的产生、传播、检测以及光与物质相互作用等。伽利略、牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦等科学巨人都致力于光的研究，一个物理学分支学科受到如此多科学巨人的青睐实属罕见，光学的发展经历了从漫长黑暗中摸索到逐渐迎来曙光的发展过程，主要经历了萌芽期、几何光学、波动光学、量子光学、现代光学五个大的历史时期。
一
萌芽期（约公元前5世纪至16世纪初）
人类对光的认识，可以追溯到两三千年前。春秋战国时期墨子（约公元前476-390年）及其弟子所著的《墨经》中，就有“光者，温若射，下者，高者，高者；下者，矮者，足遮光下，故成象于上，头遮光上，故成象于下……”的记载，指出了针孔成像的现象。《墨经》共有八部论述光学问题的经典著作，是光学知识最早的记载。正如李约瑟在《中国科学技术史》中所说，墨子对光学的研究“早于我们所知道的希腊研究”和“印度无可比拟”……从墨子开始的两千多年的漫长岁月，构成了光学发展的萌芽期。
墨子（公元前470—390年，中国古代思想家、教育家、科学家、军事家，墨家学派的创始人和主要代表。）
二
几何光学时期（16世纪至18世纪初）
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，奠定了几何光学的基础。1621年，荷兰物理学家斯涅尔通过实验首次总结出正确的折射定律，后来人们通常称该定律为“斯涅尔定律”。
斯内尔·范罗因（1580–1626，荷兰数学家和天文学家）
17世纪下半叶，牛顿等人带领光的研究走向了进一步的发展。1665年5月，伦敦瘟疫蔓延，牛顿不得不回到乡下老家自我隔离。这正好是牛顿23岁到25岁之间的黄金时代。整天待在家里，不走访朋友、逛街、聚会，导致了1666年成为物理学的“奇迹年”。在此期间，牛顿对光的色散进行了实验研究，为他后来的工作打下了不少基础。之后，牛顿把粒子、力的概念渗入光学，从而解释了光作为物质粒子的本质，提出了完整的“粒子理论”，建立了完整的光学体系网校头条，粒子理论可以充分解释几何光学。
艾萨克·牛顿爵士（1643-1727，
英国科学家）
这一时期，以牛顿为代表的粒子论占据主导地位，与此同时，由于光的干涉、衍射、偏振等波动现象的发现，以惠更斯为代表的波动论也初步提出，两种理论争斗多年。
三
波动光学时期（19世纪初至19世纪末）
整个18世纪，由于牛顿在科学界的崇高地位，以牛顿为代表的粒子论占据主导地位，波动论则一直处于黑暗之中。故事的转折点出现在1801年，托马斯·杨进行了著名的双缝干涉条纹实验，一束光照射到两个平行的狭缝上，在接收屏上得到了一系列明暗条纹交替出现的干涉结果。干涉衍射是波的独特性质，杨的干涉实验证实了波动论获得了前所未有的鼓舞。
托马斯·杨（1773-1829，
英国医生和物理学家）
菲涅尔对波动光学进行了全面的研究，奠定了波动光学的理论基础。光的波动说在19世纪取得彻底胜利，主要得益于他的贡献。1818年，法国科学院举行了有奖征文竞赛，菲涅尔向科学院提交了一篇论文，用严谨的数学推理解释了光的偏振，结果与实验一致。但竞赛委员会成员中包括比奥、拉普拉斯、泊松等人，盖-吕萨克是粒子说的坚定支持者，态度暧昧，只有阿拉戈转向了波动说。于是，出现了著名的亮点“泊松亮点”。该奖评委之一的泊松根据菲涅尔的结论，阿拉戈利用泊松理论得出圆形屏幕阴影中心应该有一个亮点，这在当时被认为是不可能的。 但很快，阿拉戈用实验证实了“泊松亮点”，引起了法国科学院的轰动。在事实面前，粒子论的观点开始动摇，很多人开始抛弃粒子论，加入波动论的行列。
让·菲涅尔（1788-1827，法国物理学家和铁路工程师）
麦克斯韦最重要的科学成就是创立了电磁场理论印度光学物理学家，统一了电、磁和光学，这是19世纪物理学发展中最辉煌的成就，也是科学史上最伟大的综合之一。麦克斯韦预言了电磁波，并得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光与电磁现象之间的联系，以及所有以前已知的光学定律。许多以前未被发现的事实和关系都可以从麦克斯韦方程组推导出来，这是人类对光的本质认识的又一大进步。
麦克斯韦在生前并没有享受到他应得的荣誉，他的科学思想和方法的意义直到20世纪的科学革命才得到充分体现。1879年11月5日，麦克斯韦因病在剑桥去世，终年48岁。这一年，爱因斯坦出生。
麦克斯韦（1625-1698，丹麦科学家）
四
量子光学时期（20世纪初至20世纪中叶）
1905年是物理学界的“爱因斯坦奇迹年”。年仅26岁，在瑞士专利局任职的天才物理学家爱因斯坦，在不到一年的时间里完成了6篇划时代的论文，全部发表。在《物理学报》上，他在现代物理学的三个不同领域做出了划时代的贡献，创造了科学史和人类历史上的奇迹。在第一篇文章《关于光的产生和变换的一项令人振奋的研究》中，爱因斯坦借用了普朗克的能量量子概念，提出光是量子化的。应用光量子理论，爱因斯坦成功地解释了光电效应，揭示了辐射的波粒二象性。光是“粒子”还是“波”的争论从此得到解决。
1916年，爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射，指出如果受激辐射能继续激发其他粒子印度光学物理学家，引起链式反应和雪崩式放大效应，就能得到单色偏振光，产生强辐射即激光，为现代光学的发展奠定了理论基础。
阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955，物理学家）
五
现代光学是以激光的发展为基础的，激光的发明是光学史上革命性的里程碑，1960年激光发明以后的光学一般被归类为现代光学。
01
激光和激光物理
激光（Light by of）是一种受激辐射放大的光，具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性强等特点。1960年5月15日，美国物理学家西奥多·梅曼在美国休斯国家实验室点亮了世界上第一台激光器，这台红宝石激光器开启了激光的新时代。激光是继原子能、计算机、半导体之后，20世纪以来人类的又一项重大发明。
激光常被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”，经过60多年的研究和发展，激光相关产品、技术和服务已遍布全球，形成了丰富而庞大的激光产业，被广泛应用于激光制造、通讯、测量、信息处理、医疗、军事、农业、文教娱乐等各个领域。
梅曼和他的红宝石激光器的发明
（H.，1927-2007）
02
非线性光学
非线性光学涉及强相干光作用下介质的非线性现象及应用。一束红光经过特殊的透明材料，光强增加，红光奇迹般地变成了蓝紫色，这就是倍频效应，非线性光学的效应之一。非线性光学的神奇之处还不止于此，它还有双光子吸收、光参量放大、自聚焦、光克尔等应用性极强的效应。
长期以来，依托现有基础，我国在非线性晶体材料结构设计和晶体生长方面保持国际领先地位，特别是在紫外、深紫外非线性光学晶体的研究与应用方面取得重要进展。我国科学家发明的具有自主知识产权的BBO、LBO、KBBF等高性能非线性晶体材料与器件享誉世界。
富晶科技生产的LBO晶体
03
激光光谱
激光光谱学是利用激光作为光源，研究原子和分子的发射光谱、吸收光谱和非线性效应的学科总称。
激光光谱的作用，简单来说，就是能够测量一切。例如：超灵敏光谱着眼于检测极低浓度的样品，有些甚至已经达到单原子、单分子检测的水平；超快激光光谱，可以研究皮秒甚至飞秒时间尺度上物质的动态过程；超高分辨率光谱，追求提高光谱的波长分辨率；此外，还有光梳光谱、相干光谱等方向。
2019年9月，英国剑桥大学华裔科研团队推出全球最小光谱仪，该光谱仪由半导体纳米线组成，体积小、成本低，有望将光谱检测带入大众生活。《纽约时报》6日刊文。
纳米线光谱仪示意图
04
超快（超强）光学系统
随着科技的不断进步，激光脉冲宽度的极限不断被突破，激光脉冲峰值功率不断提高，超快激光技术能在极短的时间内产生强大的能量，推动高能物理、精密测量、化学、材料、信息、生物医药等基础和前沿交叉学科的发展。
2018年诺贝尔物理学奖授予法国科学家热拉尔·穆鲁和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰，以表彰他们发明的啁啾脉冲放大技术，这是迄今为止产生超高峰值功率激光脉冲的唯一方法，已成为高强度激光器的标准技术，并应用于许多领域。
2018 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家热拉尔·穆鲁和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰
例如近年来飞秒激光器成为科研和产业关注的焦点。飞秒激光器具有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率，飞秒激光微加工的热影响极小，对周边材料几乎不造成损伤。相比于长脉冲激光器（如纳秒），飞秒脉冲激光器加工出的边缘极其整齐、精确，能够克服热效应的弊端，是真正的“冷”加工方式，被誉为“最快的刀”，随着飞秒激光器生产工艺逐渐成熟、成本逐渐下降，未来有望得到广泛应用，支撑消费电子、新能源、高端制造、生物医药等产业发展。
飞秒、皮秒和纳秒激光器钻孔的玻璃孔边缘圆度
05
量子光学
量子光学是利用辐射的量子理论研究光辐射的产生、统计特性、传输、检测和基本物理问题以及光与物质相互作用的学科。现代量子光学是在量子理论的基础上研究光的相干性和统计性，以及光与物质相互作用的量子特性。量子光学涉及腔量子电动力学、光子干涉、“鬼”成像、基于激光冷却的冷原子物理和原子光学、纠缠态等。核心量子信息和量子计算都是热门的研究领域。此外，利用量子光学实验来检验基本量子理论也是一些量子光学研究人员特别青睐的研究领域。
中国科学院量子信息重点实验室郭光灿院士在中国科学技术大学物理学院发表主旨演讲——《关于量子的疑问》（来源：中国科学技术大学物理学院官网）
06
原子光学
原子光学是原子物理学和光学物理学交叉的新兴领域，在这个新兴领域中，人们处理原子的方式类似于光学中处理光（光子），原子光学用与光学类比的方式来描述所研究的物理现象，因此出现了几何原子光学、波动原子光学、量子原子光学、非线性原子光学等新的分支学科。
原子光学推动了激光冷却和囚禁中性原子的出现和发展，提供了一套精确操控原子的方法，最直接的结果就是实现了低至nK的极低温，使物理学家们实现了他们几十年来期盼的原子的玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），开创了超冷原子物理学的先河。1997年的诺贝尔物理学奖授予了激光冷却研究领域的三位领军人物：朱棣文、康塔诺吉和菲利普斯，以表彰他们发明了用激光冷却和囚禁原子的方法。
1997 年诺贝尔物理学奖授予了激光冷却研究领域的三位领军人物：朱棣文、科恩塔诺和菲利普斯
07
纳米光学
随着微纳加工技术的不断发展，科学家拥有了在纳米尺度上操控光子的能力，从而带动了纳米光子学的发展，纳米光子学主要研究纳米尺度上光与物质的相互作用，自1992年第一届国际近场光学会议召开以来，超分辨光学成像、光子晶体、超材料、纳米等离子体、单光子源、光学微腔、光学天线等大量具有独特光学性质的纳米结构材料与器件得到了研究。
纳米光子学在光学超分辨成像、生物医学传感、固态照明、显示、光通信、半导体制造和太阳能电池等有着广阔的应用前景，已成为国际研究热点。
光子晶体结构示意图（a）一维；（b）二维；（c）三维
08
光子学
光子学是20世纪七八十年代才逐渐兴起的一门科学领域。从物理学角度看，光子学其实是光学原理和方法的技术应用。“光子学”一词出现于1970年，首先由荷兰科学家LJ提出，当时他指的是“利用光子作为信息载体的科学”，几年后又加上了“利用光子作为能量载体的科学”。王大珩曾将其概括为：“光子学是与电子学平行的学科，光子学是研究光子作为信息载体和能量载体的行为及其应用的科学。”因此，光子学并不是独立于光学之外的一门新学科，光子学只是光学原理和方法的技术应用而已。
光子学涵盖了光的产生、探测、通信和信息处理等各个方面，融合了众多不同领域，衍生出生物光子学、超快光子学、纳米光子学、微波光子学等多种学科，同时光子技术在通信、云计算、生物医药、自动驾驶、军事、农业、工业等现代生活的各个方面都发挥着关键作用。
集成光路与集成电路的发展对比
09
其他新光学现象
除了以上提到的分支学科以外，现代光学还有许多值得关注的光学现象，例如“慢光与快光”现象、光的轨道角动量（OAM）、随机激光等等，现代光学的新方向和新现象层出不穷。
结
语言
光学技术应用已经渗透到人类活动的各个方面，光已经成为科研、生产、生活中最重要的元素之一。例如各种成像设备已经普及到各个角落，从探索宇宙的望远镜，从追光抓人的高速摄像机，到无处不在的手机镜头，再到探测微小细节的显微镜；各种光学仪器，如光谱仪、干涉仪、光学计量仪器等也已经应用到各个领域；激光技术也已经应用到几乎所有的行业，如工业、通信、医学、军事、农业、航空航天、文教等。
总之，人类对光的认识历史悠久，光学是人类文明知识宝库中璀璨的一部分。希望更多的人能够关注光，希望更多的年轻人能够投身到光学的研究和应用当中。也希望中科创兴能能够成为光学领域优秀的天使投资机构。
以上文章摘录自：
[1] 李世群. 千年光学[J]. 物理与工程, 2015年25期1号.
[2]马明祥.光学发展历史概述[J].大众科学,2007(05):82-83.
[3] 李如新等. 超快光学与超强激光技术前沿研究[J]. 中国科学, 2016年46期9号.
[4] 杜祥万. 激光发明50周年的几点启示[J]. 物理,39No7.