光学发展与社会进步-现代光学

现代光学是基于激光的发展而建立起来的。激光的发明是光学发展史上的一个革命性的里程碑。

红宝石激光器的诞生使人类第一次得到自然界中不存在的光源——激光。由于激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能，很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的领域。现代科学技术的发展，又使激光进入了超快超强领域。激光器可以产生4fs(1fs=10-15s)的超短脉冲，如此短的时间标尺可以度量飞秒量级的物理变化。物质稳定存在是因为原子核有足够的束缚力将电子禁锢，以氢核对电子的作用为例，作用力大概为1016W/cm2。现在激光器产生激光的强度可以达到1021-22W/cm2，那么激光场强对于原子的作用力就不再是微扰量级，很容易将电子与原子核撕裂，可以探索亚原子量级的微观结构。

激光创造了极端的时间尺度和极端的场强，极大的扩展了光学的应用，将应用扩展到高分辨光学测量、高强度非线性光学、相对论非线性光学、超快动力学和强场物理等领域。利用飞秒激光探究分子的解离过程的研究获得了1999年诺贝尔化学奖，应用激光的超高时间分辨率的特性去探测分子的解离过程，对化学研究来说具有非常重要的意义。激光聚焦可以实现电场高达1012V/m，超强激光与等离子体相互作用，产生的加速电场可以比常规加速器高出千倍以上。此外，光也已经成为当代计量的新标尺，1983年第17届国际计量大会上确定：米是光在真空中传播1/299792458秒时间间隔所经路径的长度。

光是现代科技的重要驱动力，光学与信息、先进制造、能源、健康和国家安全密切相关，推动人类社会的发展。

1. 光与信息：光纤通信、光开光、光全息、CCD成像、光量子通信、立体电影、光纤胃镜，计算机等等，都能体现光与信息的关系。以互联网计算机为例，如果将光的作用去掉，依赖光纤通信的计算机信息传输和依赖光刻的芯片加工将不复存在，整个信息时代就消失了。光信息传播是以0、1信息先编码，传输后再解码来输出信号，那么光开关决定了信息的通过，有光通过为1，无光通过为0，光开光的响应速度决定了信息传输的快慢。现在新兴的自动驾驶的感知也是依赖光学，车辆的行驶路线、周边的物体避让和路况环境的确定等，都是通过光学信息的采集和处理来实现的，光和信息始终紧密地联系在一起。

2. 光与先进制造：光刻技术已经将波长越做越小，现在可做到几纳米的量级和精度，甚至可以制造纳米和微米尺度的微结构，广泛应用于生命科学和医疗等领域。激光打标、激光切割、3D打印等应用也无处不在。例如，现在百分之七十以上的汽车构造都是用激光焊接的技术完成，焊接效果几乎与原型一致，增加了车体的稳定性和安全性。

3. 光与能源：LED 光源由于其电压低，能耗低，安全性高，目前已经得到普及使用。激光分离铀同位素、激光聚变、太阳能的利用等能源领域都是光学重要的应用体现。

4. 光与健康：X光的发现深刻地影响了医学领域的发展，DNA双螺旋结构就是科学家应用X光解析出来，引发了医学领域颠覆性的变革。光学显微镜的出现，使得人们可以观测细胞、染色体等，随着观测精度进一步提高到百纳米量级，更可观测高分辨荧光蛋白的细微结构，对生物物理的发展起到了极大的推进作用。激光美容、激光眼部手术已经是成熟的技术，被广泛地应用在美容医疗领域。

5. 激光与国家安全：激光安检、激光武器、激光制导、激光测距、激光导航等，激光几乎是安全和国防等研究领域的必备利器。

从公元前墨子对光的描述，到1665年显微镜的发现，1704年牛顿光学的出版，1865年麦克斯韦方程的诞生，1905年光电效应的发现确定了光的量子特性，1960年激光的诞生，1965年光纤理论的提出，1973年第一代光纤技术的发展，1999年飞秒激光作为时间分辨对超快动力学的技术测量，这些都是光学发展史上的里程碑。21世纪是光的世纪，光以其不可替代的作用促进着科学及社会的进步。