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光,改变世界!
2018-10-26 赵晨
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  光的出现远在人类出现之前,宇宙大爆炸后0.01秒后,光子就在寂静的宇宙中出现。如果宇宙中的第一个光子现在仍然以光子的形式存在着,那么它已经150亿岁了。 

    

  

  光子在宇宙大爆炸后0.01秒产生 

    

  而当你仰望星空,看到比邻星——离我们最近的太阳系外的恒星,也已经是来自4.22年之前的问候。 

    

  惠更斯说:“光,是波动。” 

    

  牛顿说:“光,是粒子。” 

    

  爱因斯坦说:“光,是波动,也是粒子。” 

    

  关于光,还有许许多多的未知我们不曾了解,但是认识和利用光的路上,我们从未停止脚步…… 

    

  光学·历史悠久的学科 

    

  阳光是宇宙送给人类最好的礼物。在地球上,因为有了光,所以有了生命,有了世间万物,有了文明。 

    

  在古代中国,人们就用烽火作为战争的信号,是以光作为媒介进行通信的第一次尝试。 

    

  

  烽火台:古代中国的光通信 

    

  人类巧妙地利用光,照明、取暖、传递信息…… 

    

  

  放大镜聚光点火 

    

  不知道你有没有在荒岛求生的电影中看到过这样的场景:主人公掉落荒岛,没有打火机,也没有火柴。于是拆掉手表上的玻璃,将阳光汇聚在干木上点火。 

    

  随着人类文明的发展,人类对于光学的认知不断地系统化,完整化。 

    

  在中国,战国后期的墨家在《墨经》中记载了小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成像的观察研究,系统地总结为《光学八条》。古希腊的欧几里得研究光学的反射现象,编纂了《反射光学》;阿拉伯学者阿勒·哈增编纂的《光学全书》讨论了许多光学的现象;而反射定律和折射定律的建立,奠定了几何光学的基础,使光学成为了一门学科。 

    

  光学·就在我们身边 

    

  今天,光和光学已经深入我们生活的方方面面。 

    

   光与显示技术 

    

  清晨拿起手机,大千世界通过一方小小的屏幕显示在你眼前。打开电视,观看早间新闻,越来越大、越来越清晰的显示屏让你能够享受更加身临其境的视觉效果。走出家门,各式各样的LED显示屏充斥着大街小巷,信息以最直观的方式向你涌来。走入办公室打开电脑,更加符合人体力学的弧度屏幕让你更加舒适地开始一天的办公。 

    

  激光技术的发展让显示技术有了二维到三维的延伸,发展出全息显示技术、VR显示技术、AR显示技术等多种三维显示技术,人们对于世界的记录和观察,不再停留在平面上,而是延伸到三维空间。 

    

  

  3D显示:大千世界,触手可及 

    

  柔性显示技术因其低功耗、可弯曲的特性对可穿戴式设备的应用带来深远的影响。未来柔性屏幕将随着个人智能终端的不断渗透而广泛应用,相信再过不久,我们就可以穿着不停闪烁、变换图案的柔性屏衣服散步街头了。 

    

  

  柔性显示材料 

    

   光与生物学 

    

  光学与生物学的交叉学科,是众多科学学科中最具发展潜力的学科之一。 

    

  激光在疾病诊断、治疗结石、眼部疾病、基因测序等方面有着丰富的发展成果和临床应用。而激光的高强度,可控性和良好的方向性,可以与中医中针灸治疗法结合。 

    

  近年,单细胞研究成为热点。2017年启动的人类细胞图谱计划(Human Cell AtlasHCA)提出系统性描述人体每个细胞的类型、分子组成、定位和微环境,并通过这把钥匙,加深对疾病诊断、监测、治疗的理解。 

    

  而光谱学的发展恰恰为单细胞的精准和特异性研究提供了十分有效的工具: 

    

  拉曼光谱是一种分子化学键振动的散射光谱,开辟了分子结构研究的一个全新的领域,是一种无损伤探测技术。通过拉曼光谱识别的单细胞,可以通过单细胞精准分选的方法将其从复杂环境中分离出来,进而开展深入研究。 

    

  

    

  

  拉曼光谱应用于单细胞检测 

    

  单细胞的拉曼图谱可作为其“化学指纹”,蕴含着细胞的丰富化学生物信息。单细胞拉曼技术在疾病诊断、药物代谢、病理机制研究等领域中具有巨大应用前景。 

    

   光与材料学 

    

  光与材料学的交叉形成了非常丰富的学科系统。从激光与物质的相互作用,到发光、吸光材料的制备,光学与材料学紧密联系,密不可分。 

    

  新兴的光学材料,如钙钛矿、量子点等,已经广泛地应用到发光二极管(LED)、太阳能电池等领域。 

    

  

  新型光学材料:钙钛矿LED(左);量子点(右) 

    

  激光与材料相互作用,能够在材料表面和内部产生许多神奇的新性质: 

    

飞秒激光加工的“纳米牛” 

    

  在金属、半导体等材料表面,用飞秒激光进行加工,能够在材料表面形成不同的微纳结构,从而使材料获得亲水、疏水、发光性能增强、催化效果增强等一系列新的优良性质。 

    

   光与通信技术 

    

  光纤入户这个词想必大家并不陌生,光纤的发明和应用在通信技术的发展史上有着里程碑式的意义。也因此,华裔物理学家高锟先生因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出突破性成就,获颁2009年诺贝尔物理学奖。 

    

  

  信息高速公路——光纤 

    

  光信号以300000000m/s的速度在光纤中飞速传播,信息的传播前所未有的迅速和广泛,世界也仿佛在光纤的连接下逐渐变小。 

    

  今天光纤通信已经是各种通信网的主要传输方式。光纤的使用也已经从陆地延伸到大西洋和太平洋海底,全球通信变得非常简单快捷。20年前,跨国电话价格非常高昂,而且通话时有很大的延迟,给通话双方带来很大的不便。而今天,即使身在地球的两端,也能随时随地进行视频通话。这些都是光纤通信带来的巨大便利。 

    

   光与存储技术 

    

  最早的光存储技术可以追溯到光盘,光盘经历了WORM光盘、磁光盘(MO)、CD光盘、DVD光盘等时期。随着更加便于使用和携带的U盘的出现,光盘渐渐淡出人们的视线,光存储技术的发展和普及进入一段低谷时期。 

    

  但是全息存储技术的产生和发展赋予了光存储新的生命。 

    

  全息存储技术用激光在晶体中形成一系列可以存储信息的光栅,具有很高的存储密度,理论上最高可以达到1000TB,相当于目前最大容量的硬盘的160多倍,相当于常用的32GB硬盘的32000倍。 

    

  

  全息存储(左)与全息显示技术(右) 

    

  更加神奇的是,全息存储器不需要任何移动部件,数据的读写都能以非接触时的操作完成,并且几乎可以永久保存数据。 

    

   光与宇宙探测 

    

  光学方法是目前探测宇宙最主要且最有效的方法。 

    

  相信很多天文迷对哈勃望远镜都不陌生。它以2.8万公里的时速沿太空轨道运行,像是人类在太空的巨大眼睛,静静地凝望寂静的宇宙。 

    

  

  哈勃望远镜(左)及其拍摄的宇宙图像(右) 

    

  中国人自己的空间望远镜——硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”也在2017年发射升空,是世界上覆盖能量范围最广的望远镜卫星,之一,将肩负起高精度探测宇宙中黑洞和中子星的使命。 

    

  说到探寻宇宙起源,最火热的词莫过于“引力波”了。20162月,美国“LIGO”首次在地面直接探测到来自双黑洞并合的引力波信号,并获得了2017年诺贝尔物理学奖。中国的引力波研究也在如火如荼的进行,空间引力波探测计划——太极计划,计划在围绕太阳的轨道上发射三颗彼此相距300万公里的卫星,通过测量卫星间距离的变化来测量引力波信号。如此高精度的测距,“光”无疑是最精确的尺子,太极计划就选择通过光的干涉来测量两个星体距离的变化。 

    

  

  引力波探测光学方法的原理图(上)与装置示意图(下) 

    

  结语 

    

  天地玄黄,宇宙洪荒。日月盈昃,辰宿列张。 

    

  光是宇宙赠与人类最好的礼物,在人类文明发展的漫长历史中,对于光的探索和应用使得人类文明熠熠生辉。 

    

  从历史走向未来,人类发展光学的脚步不曾停歇,光学改变世界的璀璨永不熄灭。 

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