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)。如果宇宙中的個(gè)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——離我們近的太陽(yáng)系外的恒星，也已經(jīng)是來(lái)自4.22年之前的問(wèn)候。

惠更斯說(shuō)：“光，是波動(dòng)。”

牛頓說(shuō)：“光，是粒子。”

愛(ài)因斯坦說(shuō)：“光，是波動(dòng)，也是粒子。”

關(guān)于光，還有許許多多的未知我們不曾了解，但是認(rèn)識(shí)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(yáng)光是宇宙送給人類好的禮物。在地球上，因?yàn)橛辛斯?，所以有了生命，有了世間萬(wàn)物，有了文明。

在古代中國(guó)，人們就用烽火作為戰(zhàn)爭(zhēng)的信號(hào)，是以光作為媒介進(jìn)行通信的次嘗試。

烽火臺(tái)：古代中國(guó)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(diǎn)火

不知道你有沒(méi)有在荒島求生的電影中看到過(guò)這樣的場(chǎng)景：主人公掉落荒島，沒(méi)有打火機(jī)，也沒(méi)有火柴。于是拆掉手表上的玻璃，將陽(yáng)光匯聚在干木上點(diǎn)火。

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

在中國(guó)，戰(zhàn)國(guó)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(shū)》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(mén)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(jī)，大千世界通過(guò)一方小小的屏幕顯示在你眼前。打開(kāi)電視，觀看早間新聞，越來(lái)越大、越來(lái)越清晰的顯示屏讓你能夠享受更加身臨其境的視覺(jué)效果。走出家門(mén)，各式各樣的LED顯示屏充斥著大街小巷，信息以直觀的方式向你涌來(lái)。走入辦公室打開(kāi)電腦，更加符合人體力學(xué)的弧度屏幕讓你更加舒適地開(kāi)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(duì)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(duì)可穿戴式設(shè)備的應(yīng)用帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。未來(lái)柔性屏幕將隨著個(gè)人智能終端的不斷滲透而廣泛應(yīng)用，相信再過(guò)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(cè)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(qiáng)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(diǎn)。2017年啟動(dòng)的人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃（Human Cell Atlas，HCA）提出系統(tǒng)性描述人體每個(gè)細(xì)胞的類型、分子組成、定位和微環(huán)境，并通過(guò)這把鑰匙，加深對(duì)疾病診斷、監(jiān)測(cè)、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(dòng)的散射光譜，開(kāi)辟了分子結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)全新的領(lǐng)域，是一種無(wú)損傷探測(cè)技術(shù)。通過(guò)拉曼光譜識(shí)別的單細(xì)胞，可以通過(guò)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(lái)，進(jìn)而開(kāi)展深入研究。

拉曼光譜應(yīng)用于單細(xì)胞檢測(cè)

單細(xì)胞的拉曼圖譜可作為其“化學(xué)指紋”，蘊(yùn)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(jī)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(diǎn)等，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到發(fā)光二極管（LED）、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。

新型光學(xué)材料：鈣鈦礦LED（左）；量子點(diǎn)（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“納米牛”

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(qiáng)、催化效果增強(qiáng)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(gè)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(jiǎng)。

信息高速公路——光纖

光信號(hào)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(jiǎn)單快捷。20年前，跨國(guó)電話價(jià)格非常高昂，而且通話時(shí)有很大的延遲，給通話雙方帶來(lái)很大的不便。而今天，即使身在地球的兩端，也能隨時(shí)隨地進(jìn)行視頻通話。這些都是光纖通信帶來(lái)的巨大便利。

● 光與存儲(chǔ)技術(shù)

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

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

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

全息存儲(chǔ)（左）與全息顯示技術(shù)（右）

更加神奇的是，全息存儲(chǔ)器不需要任何移動(dòng)部件，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)都能以非接觸時(shí)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(cè)

光學(xué)方法是目前探測(cè)宇宙主要且有效的方法。

相信很多天文迷對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡都不陌生。它以2.8萬(wàn)公里的時(shí)速沿太空軌道運(yùn)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(guó)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廣的望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，之一，將肩負(fù)起高精度探測(cè)宇宙中黑洞和中子星的使命。

說(shuō)到探尋宇宙起源，火熱的詞莫過(guò)于“引力波”了。2016年2月，美國(guó)“LIGO”首次在地面直接探測(cè)到來(lái)自雙黑洞并合的引力波信號(hào)，并獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。中國(guó)的引力波研究也在如火如荼的進(jìn)行，空間引力波探測(cè)計(jì)劃——太極計(jì)劃，計(jì)劃在圍繞太陽(yáng)的軌道上發(fā)射三顆彼此相距300萬(wàn)公里的衛(wèi)星，通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星間距離的變化來(lái)測(cè)量引力波信號(hào)。如此高精度的測(cè)距，“光”無(wú)疑是精確的尺子，太極計(jì)劃就選擇通過(guò)光的干涉來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)星體距離的變化。

引力波探測(cè)光學(xué)方法的原理圖（上）與裝置示意圖（下）

文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所