在国内,人们对光的研究主要包含光学和光学工程两个学科,前者是物理学的一个分支,后者是在光学基础上往应用走,也叫光子学。纳米光子学、生物光子学就是光学的应用。
光学在人类历史上科学技术的进步起到了很大的作用。比如,量子力学的诞生实际上是基于对光谱的观测,太阳的光谱里面为什么会有一些暗线?可以用量子的吸收、能级的跃迁来解释这些暗线,那么量子力学就由此诞生了;还有光电效应,这些都是量子力学的基础。
量子力学出现以后,对光学有很大的促进,科学就是这样,相互促进,螺旋式上升。量子力学对光学的促进主要体现在:一个是激光的出现;第二个就是半导体激光器。这是上世纪两项重要的发明,现在我们光通信实际上就是基于这两个发明,没有它们我们今天整个的信息社会就会完全不一样。
新技术诞生以后,又促进了科学的进一步发展,所以现在又到了光学研究出现了很多崭新的研究内容的时候。比如,纳米技术发展使得光学的研究往更深层次去发展;比如,因为有衍射极限,我们从前通过显微镜最小只能看到零点几个微米的事物;但纳米技术加入进来之后,“显微”可以突破现有极限,形成“显纳”技术。这就是2014年诺贝尔化学奖奖励的超分辨显微技术,一项很伟大的发明。
利用纳米技术突破衍射极限,让我们的光学研究进入到更小尺度。原来可以把光集中在微米量级,我们现在可以集中到纳米量级,我们的光学器件就可以做得更小,器件小的话能耗就可以小。也就是说,纳米光子学发展,也许会让信息以一种更新的形式存在,未来有很大的想象空间。
激光出现以后,我们可以把光变成脉冲的形式,它是一闪一闪的,而不是连续的。可以把频闪的时长做得特别短,做到10-15秒、10-16、甚至到10-17秒。这么短的脉冲相当于给了你一把很短的尺子,又会带动基础研究。1999年的诺贝尔化学奖颁给了“飞秒化学”,就是时长为10-15的脉冲激光研究分子动力学。有了飞秒的时间尺度,我们就可以看清分子的解离过程或者分子的组合过程。我们现在的眼部激光飞秒手术,是飞秒激光技术在生命医学中的应用。
而现在,科学家已经能推进到阿秒——10-18秒。在这个尺度下,就能看到更细的“景观”:飞秒可以看分子的变化过程,阿秒就可以看原子的变化过程。原子是中间有一个原子核,外面有电子绕着原子核在跑,跑一圈是120个阿秒左右,当我们有与这个相当或者比它短的脉冲的时候,就可以看到这个电子是怎么跑的。这方面,全球科学家都在努力。激光还有激动人心之处,在于现在人们可以改变光斑上每个点的振动方向,这一改变就会形成一个新的光场,这叫做光场偏振调控。这相当于是一个新的光源,又可以做很多事情。
所以,光学一直是物理学中相当活跃的分支,并且有广泛应用,在材料,信息存储与通讯领域都有广泛的应用前景。联合国教科文组织把2015年定为国际光与光基技术年,就是说光学不仅仅有基础的研究,还有应用,这两个是并重的。一部手机,其实里面包含了约40项光学技术。光学不仅对我们已有的研究和生活有重要的影响,也将对我们未来的美好生活起重要的作用。