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    光,改變世界!
    2018-10-26 趙晨
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      光的出現遠在人類出現之前,宇宙大爆炸后0.01秒后,光子就在寂靜的宇宙中出現。如果宇宙中的第一個光子現在仍然以光子的形式存在著,那么它已經150億歲了。 

        

      

      光子在宇宙大爆炸后0.01秒產生 

        

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

        

      惠更斯說:“光,是波動?!?/span> 

        

      牛頓說:“光,是粒子?!?/span> 

        

      愛因斯坦說:“光,是波動,也是粒子?!?/span> 

        

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

        

      光學·歷史悠久的學科 

        

      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爭的信號,是以光作為媒介進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。 

        

      隨著人類文明的發展,人類對于光學的認知不斷地系統化,完整化。 

        

      在中國,戰國后期的墨家在《墨經》中記載了小孔成像、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡成像的觀察研究,系統地總結為《光學八條》。古希臘的歐幾里得研究光學的反射現象,編纂了《反射光學》;阿拉伯學者阿勒·哈增編纂的《光學全書》討論了許多光學的現象;而反射定律和折射定律的建立,奠定了幾何光學的基礎,使光學成為了一門學科。 

        

      光學·就在我們身邊 

        

      今天,光和光學已經深入我們生活的方方面面。 

        

       光與顯示技術 

        

      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,更加符合人體力學的弧度屏幕讓你更加舒適地開始一天的辦公。 

        

      激光技術的發展讓顯示技術有了二維到三維的延伸,發展出全息顯示技術、VR顯示技術、AR顯示技術等多種三維顯示技術,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 

        

      柔性顯示技術因其低功耗、可彎曲的特性對可穿戴式設備的應用帶來深遠的影響。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 

        

      光學與生物學的交叉學科,是眾多科學學科中最具發展潛力的學科之一。 

        

      激光在疾病診斷、治療結石、眼部疾病、基因測序等方面有著豐富的發展成果和臨床應用。而激光的高強度,可控性和良好的方向性,可以與中醫中針灸治療法結合。 

        

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

        

      而光譜學的發展恰恰為單細胞的精準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鍵振動的散射光譜,開辟了分子結構研究的一個全新的領域,是一種無損傷探測技術。通過拉曼光譜識別的單細胞,可以通過單細胞精準分選的方法將其從復雜環境中分離出來,進而開展深入研究。 

        

      

        

      

      拉曼光譜應用于單細胞檢測 

        

      單細胞的拉曼圖譜可作為其“化學指紋”,蘊含著細胞的豐富化學生物信息。單細胞拉曼技術在疾病診斷、藥物代謝、病理機制研究等領域中具有巨大應用前景。 

        

       光與材料學 

        

      光與材料學的交叉形成了非常豐富的學科系統。從激光與物質的相互作用,到發光、吸光材料的制備,光學與材料學緊密聯系,密不可分。 

        

      新興的光學材料,如鈣鈦礦、量子點等,已經廣泛地應用到發光二極管(LED)、太陽能電池等領域。 

        

      

      新型光學材料: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部產生許多神奇的新性質: 

        

    飛秒激光加工的“納米?!?/span> 

        

      在金屬、半導體等材料表面,用飛秒激光進行加工,能夠在材料表面形成不同的微納結構,從而使材料獲得親水、疏水、發光性能增強、催化效果增強等一系列新的優良性質。 

        

       光與通信技術 

        

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

        

      

      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。 

        

      今天光纖通信已經是各種通信網的主要傳輸方式。光纖的使用也已經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 

        

      最早的光存儲技術可以追溯到光盤,光盤經歷了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,光盤漸漸淡出人們的視線,光存儲技術的發展和普及進入一段低谷時期。 

        

      但是全息存儲技術的產生和發展賦予了光存儲新的生命。 

        

      全息存儲技術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,理論上最高可以達到1000TB,相當于目前最大容量的硬盤的160多倍,相當于常用的32GB硬盤的32000倍。 

        

      

      全息存儲(左)與全息顯示技術(右) 

        

      更加神奇的是,全息存儲器不需要任何移動部件,數據的讀寫都能以非接觸時的操作完成,并且幾乎可以永久保存數據。 

        

       光與宇宙探測 

        

      光學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。 

        

      

      哈勃望遠鏡(左)及其拍攝的宇宙圖像(右) 

        

      中國人自己的空間望遠鏡——硬X射線調制望遠鏡衛星“慧眼”也在2017年發射升空,是世界上覆蓋能量范圍最廣的望遠鏡衛星,之一,將肩負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。20162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年諾貝爾物理學獎。中國的引力波研究也在如火如荼的進行,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射三顆彼此相距300萬公里的衛星,通過測量衛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。 

        

      

      引力波探測光學方法的原理圖(上)與裝置示意圖(下) 

        

      結語 

        

      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,在人類文明發展的漫長歷史中,對于光的探索和應用使得人類文明熠熠生輝。 

        

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

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