光，改變世界！

作者：趙晨（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

光的出現(xiàn)遠(yuǎn)在人類出現(xiàn)之前，宇宙大爆炸后0.01秒后，光子就在寂靜的宇宙中出現(xiàn)。如果宇宙中的第一個光子現(xiàn)在仍然以光子的形式存在著，那么它已經(jīng)150億歲了。

光子在宇宙大爆炸后0.01秒產(chǎn)生

而當(dāng)你仰望星空，看到比鄰星——離我們最近的太陽系外的恒星，也已經(jīng)是來自4.22年之前的問候。

惠更斯說：“光，是波動?！?/p>

牛頓說：“光，是粒子?！?/p>

愛因斯坦說：“光，是波動，也是粒子?！?/p>

關(guān)于光，還有許許多多的未知我們不曾了解，但是認(rèn)識和利用光的路上，我們從未停止腳步……

光學(xué)·歷史悠久的學(xué)科

陽光是宇宙送給人類最好的禮物。在地球上，因為有了光，所以有了生命，有了世間萬物，有了文明。

在古代中國，人們就用烽火作為戰(zhàn)爭的信號，是以光作為媒介進(jìn)行通信的第一次嘗試。

烽火臺：古代中國的光通信

人類巧妙地利用光，照明、取暖、傳遞信息……

放大鏡聚光點火

不知道你有沒有在荒島求生的電影中看到過這樣的場景：主人公掉落荒島，沒有打火機，也沒有火柴。于是拆掉手表上的玻璃，將陽光匯聚在干木上點火。

隨著人類文明的發(fā)展，人類對于光學(xué)的認(rèn)知不斷地系統(tǒng)化，完整化。

在中國，戰(zhàn)國后期的墨家在《墨經(jīng)》中記載了小孔成像、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡成像的觀察研究，系統(tǒng)地總結(jié)為《光學(xué)八條》。古希臘的歐幾里得研究光學(xué)的反射現(xiàn)象，編纂了《反射光學(xué)》；阿拉伯學(xué)者阿勒·哈增編纂的《光學(xué)全書》討論了許多光學(xué)的現(xiàn)象；而反射定律和折射定律的建立，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，使光學(xué)成為了一門學(xué)科。

光學(xué)·就在我們身邊

今天，光和光學(xué)已經(jīng)深入我們生活的方方面面。

● 光與顯示技術(shù)

清晨拿起手機，大千世界通過一方小小的屏幕顯示在你眼前。打開電視，觀看早間新聞，越來越大、越來越清晰的顯示屏讓你能夠享受更加身臨其境的視覺效果。走出家門，各式各樣的LED顯示屏充斥著大街小巷，信息以最直觀的方式向你涌來。走入辦公室打開電腦，更加符合人體力學(xué)的弧度屏幕讓你更加舒適地開始一天的辦公。

激光技術(shù)的發(fā)展讓顯示技術(shù)有了二維到三維的延伸，發(fā)展出全息顯示技術(shù)、VR顯示技術(shù)、AR顯示技術(shù)等多種三維顯示技術(shù)，人們對于世界的記錄和觀察，不再停留在平面上，而是延伸到三維空間。

3D顯示：大千世界，觸手可及

柔性顯示技術(shù)因其低功耗、可彎曲的特性對可穿戴式設(shè)備的應(yīng)用帶來深遠(yuǎn)的影響。未來柔性屏幕將隨著個人智能終端的不斷滲透而廣泛應(yīng)用，相信再過不久，我們就可以穿著不停閃爍、變換圖案的柔性屏衣服散步街頭了。

柔性顯示材料

● 光與生物學(xué)

光學(xué)與生物學(xué)的交叉學(xué)科，是眾多科學(xué)學(xué)科中最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科之一。

激光在疾病診斷、治療結(jié)石、眼部疾病、基因測序等方面有著豐富的發(fā)展成果和臨床應(yīng)用。而激光的高強度，可控性和良好的方向性，可以與中醫(yī)中針灸治療法結(jié)合。

近年，單細(xì)胞研究成為熱點。2017年啟動的人類細(xì)胞圖譜計劃（Human Cell Atlas，HCA）提出系統(tǒng)性描述人體每個細(xì)胞的類型、分子組成、定位和微環(huán)境，并通過這把鑰匙，加深對疾病診斷、監(jiān)測、治療的理解。

而光譜學(xué)的發(fā)展恰恰為單細(xì)胞的精準(zhǔn)和特異性研究提供了十分有效的工具：

拉曼光譜是一種分子化學(xué)鍵振動的散射光譜，開辟了分子結(jié)構(gòu)研究的一個全新的領(lǐng)域，是一種無損傷探測技術(shù)。通過拉曼光譜識別的單細(xì)胞，可以通過單細(xì)胞精準(zhǔn)分選的方法將其從復(fù)雜環(huán)境中分離出來，進(jìn)而開展深入研究。

拉曼光譜應(yīng)用于單細(xì)胞檢測

單細(xì)胞的拉曼圖譜可作為其“化學(xué)指紋”，蘊含著細(xì)胞的豐富化學(xué)生物信息。單細(xì)胞拉曼技術(shù)在疾病診斷、藥物代謝、病理機制研究等領(lǐng)域中具有巨大應(yīng)用前景。

● 光與材料學(xué)

光與材料學(xué)的交叉形成了非常豐富的學(xué)科系統(tǒng)。從激光與物質(zhì)的相互作用，到發(fā)光、吸光材料的制備，光學(xué)與材料學(xué)緊密聯(lián)系，密不可分。

新興的光學(xué)材料，如鈣鈦礦、量子點等，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到發(fā)光二極管（LED）、太陽能電池等領(lǐng)域。

新型光學(xué)材料：鈣鈦礦LED（左）；量子點（右）

激光與材料相互作用，能夠在材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生許多神奇的新性質(zhì)：

飛秒激光加工的“納米?！?/p>

在金屬、半導(dǎo)體等材料表面，用飛秒激光進(jìn)行加工，能夠在材料表面形成不同的微納結(jié)構(gòu)，從而使材料獲得親水、疏水、發(fā)光性能增強、催化效果增強等一系列新的優(yōu)良性質(zhì)。

● 光與通信技術(shù)

光纖入戶這個詞想必大家并不陌生，光纖的發(fā)明和應(yīng)用在通信技術(shù)的發(fā)展史上有著里程碑式的意義。也因此，華裔物理學(xué)家高錕先生因在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”做出突破性成就，獲頒2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

信息高速公路——光纖

光信號以300000000m/s的速度在光纖中飛速傳播，信息的傳播前所未有的迅速和廣泛，世界也仿佛在光纖的連接下逐漸變小。

今天光纖通信已經(jīng)是各種通信網(wǎng)的主要傳輸方式。光纖的使用也已經(jīng)從陸地延伸到大西洋和太平洋海底，全球通信變得非常簡單快捷。20年前，跨國電話價格非常高昂，而且通話時有很大的延遲，給通話雙方帶來很大的不便。而今天，即使身在地球的兩端，也能隨時隨地進(jìn)行視頻通話。這些都是光纖通信帶來的巨大便利。

● 光與存儲技術(shù)

最早的光存儲技術(shù)可以追溯到光盤，光盤經(jīng)歷了WORM光盤、磁光盤（MO）、CD光盤、DVD光盤等時期。隨著更加便于使用和攜帶的U盤的出現(xiàn)，光盤漸漸淡出人們的視線，光存儲技術(shù)的發(fā)展和普及進(jìn)入一段低谷時期。

但是全息存儲技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展賦予了光存儲新的生命。

全息存儲技術(shù)用激光在晶體中形成一系列可以存儲信息的光柵，具有很高的存儲密度，理論上最高可以達(dá)到1000TB,相當(dāng)于目前最大容量的硬盤的160多倍，相當(dāng)于常用的32GB硬盤的32000倍。

全息存儲（左）與全息顯示技術(shù)（右）

更加神奇的是，全息存儲器不需要任何移動部件，數(shù)據(jù)的讀寫都能以非接觸時的操作完成，并且?guī)缀蹩梢杂谰帽４鏀?shù)據(jù)。

● 光與宇宙探測

光學(xué)方法是目前探測宇宙最主要且最有效的方法。

相信很多天文迷對哈勃望遠(yuǎn)鏡都不陌生。它以2.8萬公里的時速沿太空軌道運行，像是人類在太空的巨大眼睛，靜靜地凝望寂靜的宇宙。

哈勃望遠(yuǎn)鏡（左）及其拍攝的宇宙圖像（右）

中國人自己的空間望遠(yuǎn)鏡——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”也在2017年發(fā)射升空，是世界上覆蓋能量范圍最廣的望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，之一，將肩負(fù)起高精度探測宇宙中黑洞和中子星的使命。

說到探尋宇宙起源，最火熱的詞莫過于“引力波”了。2016年2月，美國“LIGO”首次在地面直接探測到來自雙黑洞并合的引力波信號，并獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。中國的引力波研究也在如火如荼的進(jìn)行，空間引力波探測計劃——太極計劃，計劃在圍繞太陽的軌道上發(fā)射三顆彼此相距300萬公里的衛(wèi)星，通過測量衛(wèi)星間距離的變化來測量引力波信號。如此高精度的測距，“光”無疑是最精確的尺子，太極計劃就選擇通過光的干涉來測量兩個星體距離的變化。

引力波探測光學(xué)方法的原理圖（上）與裝置示意圖（下）

結(jié)語

天地玄黃，宇宙洪荒。日月盈昃，辰宿列張。

光是宇宙贈與人類最好的禮物，在人類文明發(fā)展的漫長歷史中，對于光的探索和應(yīng)用使得人類文明熠熠生輝。

從歷史走向未來，人類發(fā)展光學(xué)的腳步不曾停歇，光學(xué)改變世界的璀璨永不熄滅。