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与光同行，ing无止境

托马斯•杨（Thomas Young，1773-1829，

英国医生、物理学家）

菲涅耳对波动光学进行了全方位研究，缔造了波动光学的理论基础，主要由于他的贡献，光的波动理论在19世纪取得完全的胜利。1818年，法国科学院进行了一次有奖征文竞赛，菲涅尔向科学院提交了论文，以严密的数学推理，圆满地解释了光的偏振，推出的结果与实验非常符合。但是竞赛委员会的成员包括毕奥、拉普拉斯、泊松都是坚定的微粒说者，盖·吕萨克则态度暧昧，只有阿拉果已经转向了波动说。于是，那个著名的亮斑"泊松亮斑"出现了。评奖委员之一的泊松根据菲涅尔的理论，得到圆屏的阴影中心应有亮点的结论，这个在当时被认为是不可能的。但很快，阿拉果用实验证实了“泊松亮斑”，轰动了法国科学院。在理论和事实面前，微粒说的观点开始动摇，很多人开始放弃微粒说，而加入到波动说的行列中。

菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel，1788-1827，法国物理学家和铁路工程师）

麦克斯韦最重要的科学成就是建立了电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，这是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。麦克斯韦预言了电磁波的存在，他计算了电磁波的传播速度，与当时光学测量的几乎一致。麦克斯韦得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系，所有先前已知的光学定律可以由麦克斯韦方程导出，许多先前未发现的事实和关系也可由方程导出。这是人类在认识光的本性方面的又一大进步。

麦克斯韦生前没有享受到他应得的荣誉，他科学思想和方法的重要意义直到20世纪科学革命来临时才充分体现出来。1879年11月5日，麦克斯韦因病在剑桥逝世，年仅48岁。那一年正好爱因斯坦出生。

麦克斯韦 (Rasmus Bartholin， 1625-1698，丹麦科学家)

量子光学时期（20 世纪初～20 世纪中叶）

1905年是物理学的“爱因斯坦奇迹年”，在瑞士专利局工作的26岁天才物理学家爱因斯坦，在不到1年的时间里完成了6篇具有划时代意义的论文，均发表在《物理学杂志》上，在现代物理学的3个不同领域作出了划时代的伟大贡献，创造了科学史也是人类历史上的奇迹。在第一篇《关于光的产生与转化的一个启发性观点》一文中，爱因斯坦借用普朗克能量量子的概念，提出光是量子化的。应用光量子理论，爱因斯坦成功地解释了光电效应，揭示了辐射的波粒二象性，至此，光到底是“粒子”还是“波动”的争论得到解决。

1916年，爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射，他指出，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。这为现代光学的发展奠定了理论基础。

爱因斯坦 （Albert Einstain，1879－1955，物理学家）

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，一般将1960年激光器发明后的光学划为现代光学。

激光(Laser， Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)是一种受激辐射放大的光，具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性高的特点。1960年5月15日，美国物理学西奥多·梅曼在美国休斯实验室点亮了世界上第一台激光器，这台红宝石激光器开启了全新的激光新纪元。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。

激光常常被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。经过60年的研究发展，与激光相关的产品、技术和服务已经遍布全球，形成了丰富和庞大的激光产业。激光已经被广泛运用到激光制造、通信、测量、信息处理、医疗、军事、农业、文化教育及娱乐等各个领域。

梅曼和他发明的红宝石激光器

（Theodore H。Maiman，1927－2007）

非线性光学涉及到介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。一束红光穿过一种特殊的透明材料，再把光强增大，红光居然奇迹般地变成了蓝紫色，这就是非线性光学的效应之一的倍频效应。非线性光学的神奇不止于此，它还有双光子吸收、光学参量放大、自聚焦、光克尔等等应用性极强的效应。

长期以来，我国依靠已有的基础，在非线性晶体材料的结构设计和晶体生长等方面保持着国际领先地位，特别是在紫外、深紫外非线性光学晶体的研究与应用方面处于国际领先地位。由我国科学家发明的具有自主知识产权的BBO、LBO、KBBF等高性能非线性晶体材料及器件享誉世界。

福晶科技生产的LBO晶体

激光光谱学是使用激光作为光源来进行的原子、分子的发射光谱、吸收光谱以及非线性效应所做研究的通称。

激光光谱学的作用，简单的说就是能够测量一切。例如：超灵敏光谱学，专注检测极低浓度的样品，有些甚至已达到单原子、单分子检测的水平；超快激光光谱学，能够研究物质在皮秒甚至飞秒时间尺度的动力学过程；超高分辨率光谱学，追求提高光谱的波长的分辨率；此外还有光梳光谱、相干光谱等方向。

2019年9月，来自英国剑桥大学的华人科研团队推出的世界上最小的光谱仪，由半导体纳米线组成，小体积、低成本的方案，有望让光谱检测走进大众生活。该研究工作于9月6日发表在《Science》上。

纳米线光谱仪示意图

随着技术的不断进步，激光脉冲宽度的极限不断被突破，激光脉冲的峰值功率不断被提高。超快激光技术能够在极短的时间内产生强大的能量，推动着高能物理、精密测量、化学、材料、信息、生物医学等基础与前沿交叉学科的开拓和发展。

2018年诺贝尔物理学奖授予法国科学家热拉尔·穆鲁以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰，他们发明的啁啾脉冲放大技术，是至今为止产生超高峰值功率激光脉冲的唯一手段，已经成为高强度激光的标准技术，应用于众多领域。

2018年诺贝尔物理学奖授予法国科学家热拉尔·穆鲁以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰

例如，近些年来飞秒激光成为科研和产业关注的焦点。飞秒激光具有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率，飞秒激光微加工过程热影响极小，几乎不对周边材料造成损害。与长脉冲激光（如纳秒）相比，飞秒脉冲激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的弊端，是一种真正的“冷”加工方式，被誉为“最快的刀”，随着飞秒激光器的生产工艺逐渐成熟，成本逐渐下降，未来有望广泛的应用，支撑消费电子、新能源、高端制造、生物医疗等产业的发展。

飞秒、皮秒、纳秒激光对玻璃钻孔的边缘圆整度

量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。现代量子光学是基于量子理论研究光的相干性和统计性，以及光和物质相互作用的量子性质的光学的一个分支。量子光学中关于腔量子电动力学、光子干涉、“鬼”成像、基于激光冷却的冷原子物理及原子光学、以纠缠态为核心的量子信息和量子计算等都是研究的热点方向。此外，用量子光学实验去检验量子基本理论的工作，是一些量子光学研究者特别青睐的研究。

中科院量子信息重点实验室郭光灿院士在中国科学技术大学物理学院的主旨演讲——《量子之问》（来源：中国科学技术大学物理学院官网）

原子光学是原子物理学与光物理学的交叉新领域，在这个新领域中，人们类似光学中处理光（光子）那样来处理原子。原子光学是比照光学来描述所研究的物理现象的，因此就有了诸如几何原子光学、波动原子光学、量子原子光学、非线性原子光学等新分支。

原子光学促进了激光冷却和捕陷中性原子技术的产生和发展，提供了一整套精确操控原子的方法，其中最直接的成果是实现了低至nK的极低温，实验实现了物理学家们几十年梦寐以求的原子的玻色－爱因斯坦凝聚（BEC），开创了超冷原子物理学。1997年的诺贝尔物理学奖颁发给了3位激光冷却研究领域的领军人物朱棣文、克劳德·科恩塔诺季和菲利普斯，以表彰他们发明了通过用激光冷却和俘获原子的方法。

1997年诺贝尔物理学奖颁发给了3位激光冷却研究领域的领军人物朱棣文、克劳德·科恩塔诺季和菲利普斯

伴随着微纳米加工技术的不断发展，科学家拥有了在纳米尺度上操纵光子的能力，衍生出了纳米光子学。纳米光子学主要研究在纳米尺度上光与物质的相互作用，并在纳米尺度对光的散射、透射、吸收、折射、量子态等进行调控。自1992年第一次近场光学的国际会议以来，超分辨率光学成像术以及光子晶体、超构材料、纳米等离子激元学、单光子源、光学微腔、光学天线等大量有独特光学性质的纳米结构材料和器件被研究。

纳米光子学应用前景广阔，比如光学超分辨成像、生物医学传感、固体照明、显示、光通信、半导体制造和太阳能电池等，其已成为国际研究热点。

光子晶体结构示意图（a）一维；（b）二维；（c）三维

光子学（Photonics）是一个20世纪70～80年代才逐渐兴起的科学领域。从物理学的角度看，光子学其实是光学的原理和方法的技术应用。“Photonics”这个术语出现在1970年，首先由荷兰科学家L.J.Poldervaart提出，当时他是指“研究以光子作为信息载体的科学”，几年后又补充“以光子作为能量载体的科学”。王大珩曾将其概括为：“光子学是与电子学平行的科学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的行为及其应用的科学”。因此，光子学不是独立于光学的新学科，光子学只是光学的原理和方法的技术应用。

光子学涵盖了从光的产生、检测、通信到信息处理等各个环节，结合很多不同的领域诞生了多种学科的门类，例如生物光子学、超快光子学、纳米光子学、微波光子学等。同时，光子学的技术在现代生活中的方方面面都发挥着关键作用，例如通信、云计算、生物医疗、自动驾驶、军事、农业以及工业等。

集成光路和集成电路的发展对比图

现代光学除了上面我们提到的分支学科外，还有很多值得注意的光学现象，例如“慢光和快光”现象、光的轨道角动量（OAM）、随机激光等等，现代光学的新方向和新现象层出不穷。