鲁达 报考季，中国科学院院士、北京大学龚旗煌院士最近做了《光学发展与社会进步》科普演讲，题为“愿最聪明的年轻人被这个领域的科学和工程事业吸引”。
以下为原文转载：
“为什么要讲光”？
从科学上来说，光对科学的进步起着重大的促进作用。获得诺贝尔大奖的“引力波”的测量，实际上是用光学的麦克尔森干涉仪的办法做的。干涉仪的应用很多，但原理都是光学干涉。2014年的诺贝尔奖，现在叫半导体照明也是和光直接联系到一起的。2014年的另外一个奖，化学的诺贝尔奖授予了几个光学的工作人员。我们知道显微镜的分辨率是微米量级，他们用一些办法把显微镜的分辨率推进到了纳米量级，所以叫显纳技术。第一个诺贝尔化学奖是给谁？伦琴，他发明了X光。这个X光的发现对我们今天的生命有至关重要的影响。基本上过两、三年就有一个光学奖出现。光学的整个贡献与它在诺贝尔奖里面拿的份额是很相当的。
上个世纪七十年代到八十年代末，光学的发展是一个比较慢的历程。主要是原子分子里面的线性光学或者晶体里面的非线性光学，后来就是有机材料非线性光学。到了九十年代末和本世纪开始，光学又活跃起来了。其中一个是光学跟原子、分子的结合。科学的交叉已经出现，原子、分子和光学在历史上曾非常紧密地结合在一起，现在又走到了一起。原子、分子和光学的结合以及纳米技术的发展给光学提供了很多新的发展。
光学到底有多重要？
我就给大家举两个例子。联合国教科文组织在20年前就有国际物理年。“物理点亮世界”——实际上也是靠光来点亮的。2015年100个学会提出把2015年定为“国际光年”。联合国教科文组织把2015年定为“国际光年”，紧接着又确定了5月16日是“国际光日”，和五一劳动节一样，每年都有一个光学的节日了。为什么是5月16日很清楚，学过光学的都知道，1960年5月16日发明了红宝石激光。
“国际光年”讲了这么一个理念——“光与光基技术年”，不仅仅是科学，而且是技术。光科学及其应用带来了直接改善人类生活的革命性技术，而这经常不为大家所熟知。这里提出了四点，都是非常重要的理念。
第一，光在人类活动中发挥着核心作用。在最基本的层面，没有光合作用人类就没法生存，光是生命本身的起源。光的许多应用通过医学、通讯、娱乐和文化彻底改变了社会。
第二，以光为基础的工业是主要的经济驱动力。光基技术通过提供信息，促进可持续发展和提高社会健康和福祉直接影响人类的需求。大家手机上拿着手机，如果没有光的作用，手机也不能用。光纤是一个很重要的传输手段
第三，以光为基础的技术越来越多地为全球挑战提供解决方案。包括现在的太阳能利用等等，特别是能源、教育、农业和公共卫生等领域。利用光基技术改善发展中国家的生活质量，是实现可持续发展目标的关键。这个是站在政治角度的讲光对发展中国家发展的作用。
最后，光成为二十一世纪科学与工程交叉的关键学科。这很清楚地指出了科学与技术的交叉。全世界都已经充分认识到光学研究的重要性以及光基技术应用于全球发展的重要性。
同样重要的是，最聪明的年轻人继续被这个领域的科学和工程事业所吸引。我希望很多物理学的年轻聪明的脑子，也会被光学所吸引。
光学确确实实无处不在。太阳能的利用，蓝光的发光，激光的焊接和切割，电影的放映，光纤通讯，X光的应用、光合作用，还有显微镜等等。
最简单的大家手里都拿着手机，手机里面有三十多项光学技术的应用。比如说光学玻璃、激光切割。现在玻璃拿着一点都不割手就是激光切割的办法。每个手机上的打标都是激光打标，显示用的是LED的液晶显示。如果是液晶还有导光板，有背光照明；彩色时候是偏振片还有滤光片，变清晰的增透膜；照相用的镜头、成像的CCD；芯片的制造是用光刻技术，信息传输是通过光纤网——从北京传到上海去；蓝牙通过无线红外通讯；光学传感、投影等等。
光的认知过程
光的过去简单可以分成两个阶段。一个是17世纪之前，一个是17世纪之后。17世纪之前是直观体验，17世纪之后是科学认知。中国人在直观体验上、在感性上是很有创造力的，但是17世纪以后中国科学的发展和世界有了距离。
光的科学就是光学。光的本性、光的产生、光的传播、光与物质相互作用，通过相互作用来调控光，这就是光的科学研究内容。光的工程或者光基技术及其应用其实就是光子学。
公元前400年左右，墨子就描述了光的直线传播。他写的“景，光之人”， 是说“景”是光照在人身上成了一个像。这实际上就是最早的小孔成像的技术。“煦若射”， 指的是光线发射出去是类似于射箭，就是直线传播。墨子时代用文字描述光是直线传播的，而且光是可以通过小孔成像的，这与欧几里德在公元前300年的工作是大致相当的。那个时候我们是用很美的词句描述的。但是欧洲是用数学的角度表述了光学现象，所以真正的“科学”诞生在欧洲。欧几里德写了《反射光学》，也写了《光学》，都是从数学的角度。我们的祖先还有一些科学的体验。比如说聚焦，把冰削成球状的，对着太阳的影的地方——我们现在讲的焦点的地方，堆上艾草是可以生火的。这实际上是最早的光的聚焦，太阳能的利用。它们是在西汉时代出现的。
公元500年左右，唐朝的时候就说光有颜色。光的颜色是光本身照到雨滴上产生的，不是雨滴的颜色。我们很早提出这个概念，但没有从数学角度进行描述。真正的数学和科学角度的描述是到了17世纪，所以真正的光学是在欧洲诞生的。按照历史先是几何光学，后面是波动光学，再后面是量子光学，这是光学真正进入科学以后的路径。
几何光学就是如直线传播、光的反射，光的折射。波动光学就是光是一种电磁波，量子光学指的是光具有波粒二象性，有叠加态，有不确定性等等。比如皮影就是几何光学的实际应用，而且是光的透射和折射的过程。几何光学中最重要的定律是折射定律，也就是入射角和反射角是和它的折射率有关的。光学的研究实际上什么？就是研究折射率。有折射率就决定光线的传播和相互作用。光学研究的基础就是折射率，这是光学的根本。正是因为折射定律的出现和应用，最后奠定了光纤通信的使用。光的折射在人类生活中也经常被发现，比如海市蜃楼的现象，透镜几何成像；比如显微镜，显微镜之后的照相机；还有望远镜、天文望远镜和一些非常大的光学仪器。
另外，我们知道光的波长概念的最早提出者是牛顿。牛顿做了一个三棱镜。三棱镜一照太阳光，就分出光五颜六色来。这实际上就是三棱镜分光的基本原理。这就是最早的波长的概念。牛顿提出三棱镜分光，提出了光有波长。但是牛顿却认为光是微粒。到了1690年，惠更斯就认为光是波动不是颗粒。到了在19世纪——1801年的时候，杨氏干涉做了非常好的实验，证明了光的波动性。但是这个实验出来后光是波动还是不被人们认可，一直在争论当中。在19世纪初叶争论还是非常大。法国科学院当时是欧洲的科学中心，法国科学院出了很多题目，有一个题目叫泊松亮斑。这个泊松是个数学家，他是数学的角度来证明。光线即使被黑屏挡了，在黑屏对应的中央的地方，应该是一个亮斑，从数学上能验证这一点。但泊松亮斑不能证明光不是波动。泊松亮斑是谁来解决的？菲涅耳，他当时非常年轻，就20几岁。他想得非常聪明，他就把屏做得非常小，小到什么程度，做到和波长相当。最后实验发现在屏的后面确实出现了干涉，而且在中央是一个真正的亮斑。这个亮斑是泊松用来反驳波动光学提出的，但是最后又被菲涅耳所证明了。所以这个亮斑还是被命名泊松亮斑。这是个非常好的证明，更进一步证明了光的波动性。这个后来就叫菲涅耳原理，实际就是光的波动性原理。
光学发展与量子力学
光的波动性被人们认可以后，另外一边电磁学的发展非常快。电磁学的发展大家知道是麦克斯韦。麦克斯韦方程是现代电磁学的基础。两边对起来就发现，光完全满足麦克斯的方程，光的所有性质都可以用麦克斯方程解释。所以就推断出来了，光也是一种电磁波。这样就把光和电磁波整个并在一起。
大家可以看出来，电磁波可以非常远。无线电波一直到Ω射线都是电磁波，实际上光只是在电磁波里面非常小的一部分，而且可见光更短，只有在400纳米—100纳米之间。实际上电磁波也是光的扩充，现在很多到了毫米波、微波其实都是光的拓展。波动光的应用就出现了光谱议、干涉仪、传感器，滤波器等。有光的波动性就有干涉技术的出现，就可以做一些很高的增透膜。镀上一些增透膜，让光不会反射；或者镀上一些高反膜让光全部反射，这些都是由波动技术来的。所以出现了很多光学器件。
19世纪末，经典物理大厦已经建成了。汤姆森就发表新年祝辞，说只剩两种黑云。其中一种非常紧密地影响着光学的发展。波动理论的一个困惑是可以算出一个黑体的辐射可以无限大增强。如果用电磁理论来算，辐射无限增加。这确实是黑云。紫外灾难到底怎么来解释？为了解释这个，数学家普朗克说光具有量子化，是一份一份的量，不是连续能量的。他给出了一个普朗克常数。他用能量的量子化很好地解释了刚才那个紫外灾难。光是一个一个粒子的概念就有了。但是普朗克到死都不承认光是有光子的。他提出了量子化但他不承认这是光子。光子的概念实际上是另外一个伟大的物理学家——爱因斯坦提出的。他提出光是光量子，是一份一份能量。爱因斯坦证明光的粒子论是光电效应，他也因此获得了诺贝尔奖。他获得了两次诺贝尔奖，这是他的其中一次。
当时有光谱仪了，知道波长的概念，眼睛看都是连续的，实际上去测一下，里面总有几根谱线。做了很多次实验发现这些线全部存在，这个叫做太阳中的黑线。这个黑线到底是什么样的？后来夫琅禾费就在1814年发现了这些黑线。1861年，本生和基尔霍夫就把这些黑线归结为吸收线。就是说在太阳光传播到我们地球的过程中，有一些元素把光给吸收了。这要怎么解释它？20世纪初物理学发展得非常快，玻尔就提出了原子构造，提出了量子不连续性，解释了太阳黑线，奠定了量子力学的诞生。
从量子力学的建立大家可以看出来，光学做了很大的贡献。光子概念的提出，光电效应的发现，紫外灾难的解释，还有光谱暗线的解释，以及能级概念的提出等等。在20世纪初叶，也就这么几个科学家，把整个量子物理学架构给奠定了——普朗克、居里夫人、麦克斯韦、爱因斯坦、朗之万等等。不到40人奠定了量子力学的基础。量子力学诞生以后，反过来又促进了光学的巨大发展。
激光
今天光学在做什么？实际上更多的发展基于激光。从60年代激光的发现以后，整个光学又起了很大的变化。1960年5月16日发现了激光。人类得到的第一束，自然界里面没有的光源——激光。
激光到底有什么特色？它的单色性非常好，也就是说它非常纯，纯到你在自然界找不到任何一个这么纯的。激光很容易做到10的负十三次方，它的纯度提高了5个量级。一般光源的方向性是四面八方的，激光却有非常好的单向性，发散角度达到10的负3弧度。它还有很好的相干性，因为它有很好的波长的单一性，所以就有很好的相干性。
这是激光的三要素。实际上现在的科技发展，又带来一个新的超强超快激光。激光本身能产生多短的脉宽呢？有了飞秒这么短的尺子以后，你就可以看这么短的时间里面的物理的变化。90年代以后为什么光学又活跃起来，这是其中一个原因。它给了新的尺子来度量物理学的变化过程，时间上的变化过程。
还有一个就是可以把强度做得很高。可以做到10的21－22次方每平方厘米。这个什么概念？物质都是非常稳定存在的，有原子核把电子给禁锢在那儿振动，它不会跑。这是非常强的，有足够强的力才能把电子抓得那么紧。它是多强？比如氢核对电子作用力大概是10的16次方每平方厘米。大家可以看到光可以做到10的21－22次方每平方厘米。这样大家可以想象，以前光和物质相互作用都是个微量，光不够强不会有大的变化。现在倒过来了，它已经比原子核对电子强很多很多。最简单是可以把电子和原子给撕裂了。现在也就创造了一个非常极端的场强和一个极端的时间尺度。所以光学的应用是很多的。
激光诞生有很多的应用。比如说它会给一个非常高分辨的光学测量，因为它是窄线宽。它有高强度非线性光学，有超快动力学，还有强场光物理，做一些粒子加速、打靶等等；有精确的波长可控，可以做一个激光冷却，把原子分子能量给降低下来；光梳技术，可以把光变成跟梳子一样的，可以度量任何的时间变化；通过非线性光学效应可以获得多个颜色光束。还有分子的解离过程，一个分子到底怎么分解开，这对化学来说非常重要。所以1999年化学的诺贝尔奖，就是用飞秒激光看出了分子的解离过程。还有激光加速，因为有很强的梯度，所以加速的距离很短，加速度很大；还有冷却过程等等。大家知道米的定义，最早是在巴黎的计量院里面有个尺子，那个是最准确的，叫铂铱米尺，是1889年做的。现在米的定义是用光的速度来定义的，就是光传播一米的时间。所以现在光对计量起了关键的影响。
光——现代科技的重要驱动力
光与信息的关系、光跟先进制造的关系、光与能源的关系、光与健康的关系、光与国家安全的关系等等，这些都光学在促进人类的发展。
光与信息的关系，比如光纤通信大家天天在用。其最关键的元件就是光开关，还有光学全息技术、立体电影、光量子通信等等。如果把光去掉的话，互联网和计算机就不存在了。第一，信息传输没了；第二，芯片制作没了。这两个没了的话，整个信息时代就没了。当然还有很多东西，软件什么的，但如果没有光纤通信再快也没用。所以一个光刻，一个光纤，这两个对当代科学非常重要。现在说的自动驾驶，为什么能自动驾驶？实际上感知用的都是光学，但不一定是可见光，有的是电磁波，有的是微波。你要去感觉四面八方有没有人，有没有物体，车怎么走。感知用的是光学的基本办法。所以光是与信息紧密结合在一起的。
再讲光纤通信。为什么光的折射率非常重要？从一个折射率高的介质到一个折射率低的介质，如果内射角足够大的话，光是不会传播到折射率低的介质里去的，它会在折射率高的介质里面来回折。这么折就可以在光纤里面传播了，这就是现代光纤传播的基本原理。
光纤技术我多提一点。就在高琨说光可以用光纤来做传输的时候，实际上已经用了。胃镜就用光纤弄到胃里头，把图像取出来。高琨唯一的重要用是什么？大家都认为光纤不可能，因为光纤有杂质，光的传播一旦损耗能量就转化掉了。高琨觉得可以把光纤做得非常纯，把损耗降得很低。他就到公司跟人家合作，把光纤拉出来，这是他最大的贡献。这如果按照以前的来说，物理贡献并没有很大。2009年的时候，当时物理学给了两个特别重要的奖励，一个就是高琨的光纤应用，一个就是现在大家手里拿的都有关系的——CCD，就是照相机后面的成像技术。所以这几年大家可以看出来，诺贝尔奖并不只是科学上的创新，而是应用上的创新同样在考虑。就跟化学奖授予显纳成像一样。它从物理上来说并没有什么大的突破，但是技术上有很大的突破。这也是人类社会发展到对技术有了更大的需求的情况下出现的。所以诺贝尔奖也改变了它的导向。
我们中国也不晚，给大家一个概念，我们中国在1976年就铺了中国的第一根光纤。光纤的应用是光学的重要工程。我们现在大家都知道编码，“0101”信息传输到那边，那边“0101”再解码就出信号。“0101”的传输怎么传输？就用一个电光开关，有光过去就是1，没光就是0，所以这个传输的快慢就是取决于开关的快慢，现在用的是电光开关。就是用刚才讲的非线性光学，这个能用电来控制光的传播，这个叫电光效应，再下一步，如果我们再往前推进就是全光开关。大家知道越高阶效应越难，所以全光开关还在研究之中。还有一个很重要的是光学全息。全息发明就有了三维显示。还有大家看的立体电影。还有现在的量子隐形传态。量子传输用的是什么？用的是光，实际上是用光来做量子信息的载体。
光与先进制造，现在很多已经开始了。光刻是微电子里面最常用的。要刻得很小，大家知道有衍射极限，就是要把这个波长越做越小，紫外、极紫外等等。现在能刻到10个纳米、8个纳米级别。还有激光的打标、切割，3D打印等等，甚至可以加工一些纳米、微米尺度的微结构出来。
还有用得最广的是激光焊接。现在70%以上的汽车焊接都是激光焊接。确实，激光焊接以后中间的结构，就是一般电焊的地方是最容易断开的地方，就跟原来的东西结合得完全一样。所以现在很多汽车都用这个来做。结果就安全多了。
能源也很重要。一代一代的，很多代的光源，现在基本上LED的光会慢慢替代日光灯。新型的飞机上用的都是LED。它的好处一个是电压很低，安全；第二个是它的能耗也很低。
还有就是激光分离同位素。美国在做，中国也在努力往前推，就是激光聚变。美国国家点火工程大概是个失败的例子，但是我觉得对科学上是很重要的。在2016年，美国计划把两个48路，就是96路激光聚焦到一个靶上。他们算出来这个靶上的激光就可以发生聚变。从2014年开始这个实验，我们想去参观就绝对不让我们去了。你可以申请，但是每次都是不批准你，也不说理由，就是你去不了。它宣称要在2016年5月点火成功，最后发现没点火成功。现在反而又开放了。算下来因为这是个高度非线性，打上去是非常大的等离子体。等离子体就是激光的相互作用。那么高密度的等离子体的相互作用，当时分析得不清楚。所以当时设计出96路，认为这个能量是足够的。后面点火不成功，至少差两个量级。相差两个量级对美国国会来说是不可能的。这个系统做好了也不可能拆，再建两个量级必须重新建一个，美国国家的点火工程到现在就基本上停止了。这个系统怎么办？就开始慢慢做等离子体物理的研究。这个基础研究对国际科研是开放的，我们要是去也会让我们参观的。但点火工程成功的话，是绝对不会让中国科学家去的。这是一个非常失败的例子，但是也说明科学技术不是那么容易的。美国那么多科学家设计出来这个系统，2016年5月是信心百倍要点火成功，最后是失败的。这是一个能源上的应用。如果点火成功的话，人造太阳就出来了。还有太阳能的利用，现在很多都在用。新疆现在是太阳能、风能和煤三个混合起来发电，非常有效。这里太阳能占了1/3左右，所以是非常重要的。
健康不用说了，第一个是X光的发现，刚才讲的伦琴。伦琴发现X光以后，在医学上有很大的应用。现在的探测是很灵敏的，可以用来做很多探测。更重要的是DNA的双螺旋结构是用X光来解析出来的。显微镜对人类的推进作用就更大。刚才讲的17世纪就出了显微镜，之后又发明了干涉显微镜，能够把活体细胞和染色体看出来。接着又发明出相位差显微镜，纳米高分辨成像用数学和物理的办法，实际上是个技术上的发展，可以分辨到百纳米的量级，甚至比百纳米还高一点。这样就可以把里面小的细微结构，比如高分辨荧光蛋白成像看出来，纤维结构也可以看出来。这个实际上还是一个间接的，不是真正眼睛看的，是用间接成像技术看出来的。这对生物物理的人来说是个很大的推进。
还有一个就是激光美容，这个市场非常大。还有激光手术，眼科手术刀，现在都是非常时髦的，连做角膜的切除、白内障的手术都用这个技术。那年我在长春发现，所有的出租车上都写了“选飞秒，更安全”。实际上这是一个美国做的用飞秒把角膜切除了，翻开，然后再盖回去。另外光与国家安全比如安检、红外夜视、激光武器、激光导航、制导、测距，这些都是大家天天在用的技术。
21世纪是光的世纪
实际上光学这几年有很大的进展，未来会做什么呢？一个是现代我们可以得到非常极端的条件。比如一些光场的操控方式发生了根本的改变。首先可以产生非常短的脉冲，刚才讲可以到4个飞秒。第二个重要性是我可以把位相进行控制。这个非常重要。这两个都是5飞秒的光脉冲，但是你具体看一下它的场强分布，完全不一样。而且现在这个是可控的，我可以让它产生这样，也可以让它产生那样。所以现在可以精密控制光场的特性。一个是超短控制，一个可以控制位相，甚至可以把光场进行各种模式的操控，不同波长对应不同的空间位置，不同的频率位置都可以在时间上进行调控，所以就增加了很多新的操控量。物理学研究就是变量越多就越有意思。现在就是变量一下变得很多了。同时在空间上也可以变量。光有一个聚焦，衍射极限，现在可以突破衍射极限。我可以用一些纳米结构，比如可以把光纤拉得非常非常细，几十纳米的，又可以在纳米尺度下观测，现在光斑、光点都是纳米量级。同时可以做出很多纳米结构来，把光约束到纳米尺度下。最简单的叫做表面等离激元物理。镀一个非常很好的金属膜，比如金膜银膜，在金膜上刻一个非常细的槽，光照射以后产生表面等离激元，都是在槽里头传播，就可以限制到纳米量级、十个纳米量级里传播。现在新的纳米技术是这样的，在空间上可以对光进行调控，所以带来了全新的光学。
空间小尺度光学出现就可以做近场光学研究，表面等离激元的研究，人工纳/微光子材料与结构研究，微/纳光电子器件研究等等。所以，纳米光学的发展或者介观光学的发展，我们可以说激光的发明带来了光信息科学技术，介观光学的发展可以给光信息技术带来新的时代。因为作用区域更小，尺寸更小了。
时间小尺度光学，刚才讲可以有飞秒激光。飞秒激光和物质相互作用可以产生阿秒激光，现在最短的阿秒激光可以达到46个阿秒。阿秒是10的负18次方秒，更短的尺子出来了。阿秒脉冲可以干什么？一个电子绕着原子转一圈的时间是多少？大概是150阿秒。所以如果脉冲到了40几个阿秒的话，那我就会看到电子的运动过程。我的尺子比它短就可以看。飞秒出现可以看到分子整个变化过程，阿秒的出现就可以看到原子的变化过程，所以这是一个非常有意义的新的领域。现在我们的问题是阿秒脉冲的能量太低了，所以很多高阶的非线性和一些高阶效应还没办法来研究。还有光频率梳可以给出一个非常好的尺子来，间隔都是严格的间隔。还有利用超快技术到生命领域、到材料领域的研究，还有生物大分子四维成像，超快化学动力学、飞秒医学等等，这些都是非常前沿的光学领域。
光的多维度调控，以前大家知道光斑都是圆。现在用一些调控，可以把光斑变成径向偏振、横向偏振，或者螺旋偏振，都是可以人为控制的。以前我们讲的偏振都很简单，线偏振、圆偏振、椭圆偏振。现在的偏振非常怪。我把光脉冲可以展开不同的脉冲形状，可以变成时间上很多个脉冲形状来做。
另外频域调控方面，用麦克斯韦干涉仪来测引力波的。还有时域调控方面，用阿秒技术来看电子的运动过程。空域调控的应用，这个就是刚才讲的纳/微成像技术。这个技术物理上没有什么大的创新，是个技术创新。原来最好的共焦显微镜看不清楚的，用STED就把空间的微缝隙结构都看出来了。大家还用不同的螺旋，更多的偏振可以看出来。用不同的偏振量来做传输，所以光的传输量可以增强，这个很容易想象的。
还有现在的微电子芯片。大家都说中国的计算机运行速度是最大的——“太湖之光”等等。实际上你把很多个计算机并联起来，你并的越多肯定算得越多。但是并起来的代价就是你的能量损耗越来越大，机器之间的并联是用电来并联的，这里面损耗非常大。现在提出用光来并联。用光来进行机器之间的交互，这个技术现在已经验证了。就是用微纳光学，刚才说的纳米光学技术，在微电子芯片里面加上一些光芯片来实现，这是光的数据传输。这个实际上就是给未来的计算和未来的信息处理提供新的办法。这个也可用来看和控制化学里面的反应过程。还有用光合作用和飞秒光的频域和时域的控制，可以把光合作用里面的一些过程非常详细地研究出来，研究清楚就可以反过来人造一些光合作用。
这些就是光学研究的前沿的内容，也就是未来光学的发展方向！
（内容来源：《光学界》微信公众号）
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