光學千年（五）
——國際光年概觀光學千年發展

李師群（清華大學物理系，北京 100084）

特約稿件之2015國際光年專欄

光學千年（五）
——國際光年概觀光學千年發展

李師群
（清華大學物理系，北京 100084）

2013年12月20日聯合國第六十八屆會議決定將2015年設定為光和光基技術國際年，簡稱2015國際光年.本文圍繞國際光年舉辦周年紀念的光科學歷史上的一系列里程碑式的重要成就，在國際光年之際對光學千年的發展進行回顧.文中除盡可能全面地列出光學發展道路上的重要事件外，還力圖從物理學的視角給光學一個概貌式的觀察.本文包括4個部分：（1）國際光年周年紀念的千年中的光學重要成就；（2）光學的現代發展和光子學；（3）光學的技術應用；（4）結語.

國際光年；海賽姆；菲涅爾；麥克斯韋；愛因斯坦；彭齊亞斯；威爾遜；高錕；激光；激光物理學；非線性光學；激光光譜學；超快（超強）光學；量子光學；原子光學；納米光學；光子學

（續上期）

2.9一些新光學現象

光學的現代發展中還有一些尚沒有形成一個明確的分支學科的研究內容，我們這里選擇幾個作為光學的新現象略作陳述.

首先是電磁感應透明（electromagnetically induced transparency，EIT）和所謂“慢光和快光”（“slow and fast light”）現象.EIT是1990年S.E. Harris等人［112］提出的一種3能級原子系統中用一個較強的光場（耦合場）相干耦合原子的一個躍遷，使原子的另一個躍遷頻率的光（探測場）不會被吸收，原子介質對該頻率顯得透明的現象.這是原子的內態量子相干導致的現象.實際在Harris等明確提出EIT現象之前的10多年時間里，使用兩個相干光場與原子相互作用產生量子相干現象已有較深入的研究［113］，其中最重要的是1976年的相干布居陷俘（coherent population trapping，CPT）.這是在上述這類3能級原子模型中當原子初態和兩個激光場的頻率、強度為特定值時，使得原子不會處在最上的能態（a能級），只可能“布居陷俘”在下面兩個能態的現象，其物理實質是a-e躍遷和a-g躍遷間相消干涉的結果，系統處于的態稱“暗態”（dark state）.之后的1988、1989年間，蘇聯科學家已產生與Harris相似的有關EIT的認識［114］.1991年Harris研究組發表了EIT首次觀察到的實驗報道［115］，在鍶（Sr）原子本該有強烈吸收的共振線因耦合場的存在而顯示一個很好的透明峰.從此，研究EIT的熱潮掀起，至今已在不同形式的3能級或多能級原子系統中、甚至固體介質中觀察到不同頻段的EIT.EIT提供了一種新的方法來改變物質在特殊頻區的光學特性，如吸收、折射或群速度等，因此也就有了一種改變光場在這個頻區傳播的新途徑，或因非線性增強而加強了新光場的產生.

與EIT密切相關的一些新奇物理現象隨后得到了研究，其中最有影響的恐怕要數所謂“慢光”（“slow light”）和“停止光”（“stopped light”）［116］了.利用EIT產生的這種效應實際是慢光脈沖在介質中傳播的群速度，物理上是因為在EIT透明峰區介質體現巨大梯度的正色散，從而群速度降至極低.在這方面研究中最有影響的可能是Hau等人在超冷原子氣體中得到17m/s的光群速［117］；進一步控制耦合光的研究使光脈沖甚至在介質中“stopped”（最初文獻中用語）［118］，物理上可以看成“光脈沖暫時轉換至物質的自由度，之后再轉化回光場”［116］.這對光信息的存儲當然很有價值.應該指出的是，雖然上述非常極致的研究都是在超冷原子體系中做的，但在設法克服了熱原子體系譜線的多普勒增寬的影響后，這類研究也都在熱原子體系中得到了實現［116］.

EIT還推動了另一新奇物理現象“少光子非線性”（few-photon nonlinearity）的研究.在通常的原子介質中，共振效應雖然可以顯著增強介質的非線性極化率，但共振時強烈的吸收使非線性過程實際無法進行.EIT介質恰好可以在共振線消去吸收，又因為量子相干的敏感性，使得即便在很弱的光場中仍表現出強烈的非線性.一系列EIT增強非線性實驗成功實現，弱光非線性、甚至少光子非線性、單光子非線性研究也隨之開展［119］.

談過了“慢光”現象，不得不簡單提一下“快光”（“fastlight”）現象，這是一個頗有趣味和探索性的課題.目前已有若干個光在某些介質中傳輸的群速度大于真空中光速的實驗報道［116］，文獻上常稱superluminal現象（國內常用詞“超光速”）.從前面對“慢光”的討論可推測，若介質在一定頻區可實現反常色散并保持一定透明度，就有可能在這種介質中實現光群速超過真空中的光速，甚至也可成為負值.情況正是這樣，已在增益輔助反常色散介質［120］中、電磁感應吸收（EIA）介質中、光子隧道效應實驗中觀察到這類“快光”現象，這些文獻都強調他們的觀測并不違背因果律（causality）［116］.

顯示EIT現象的3能級原子施加激光場示意圖（a-e躍遷加耦合場，a-g躍遷加探測場）

接著我們轉向討論另一個光學新現象，光的軌道角動量（orbital angular momentum，OAM），這是一個在1992年才提出的課題.在此之前，人們已經知道光波具有光壓和偏振，分別對應量子論里光子具有動量和自旋角動量.1992年，L.Allen等人指出［121］，一個光束若具有exp（-ilφ）形式的軸向相位時（φ是光束橫截平面上的方位角，l是正負整數），會具有一種與偏振態無關的另一種角動量，即所謂軌道角動量.這樣的光束具有螺旋狀波陣面（通常不具有軌道角動量的光束（l=0）波陣面是平面），坡印亭矢量沿著繞光束軸的螺旋線（通常不具有軌道角動量的光束坡印亭矢量平行光束軸），在光束橫截平面上軸上光強為零，形成“光學渦旋”（“optical vortex”）.這里的整數l給出了方位角φ轉動一周時軸向相位變化2π的次數，也是表征光學渦旋的“拓撲荷”（“topological charge”）.這個軌道角動量對應了束中每個光子具有角動量L=l?，這是不同于自旋內稟角動量的新的角動量.文獻［121］還指出，已知的高階拉蓋爾-高斯光束（Lagueree-Gaussian beam）就是這樣的光束，它可以方便地用一個光學系統從激光技術中很普遍的高階厄米-高斯光束（Hermit-Gaussian beam）轉換過來.其實拉蓋爾-高斯光束也是激光諧振腔中的本征模，但通常不容易激發出來，不如用厄米-高斯光束來轉換方便一些.承擔轉換任務的光學系統可以是柱透鏡對（pair of cylindrical lenses），或者計算全息（computed hologram）器件等［122］.這種轉換有點類似用一塊1/4波片將線偏振光轉換成圓偏振光.

具有OAM的光束的波陣面（左），橫截面光強（右上）和相位（右下）

產生和操控不同軌道角動量的光束的可能性在光學中開創了令人振奮的新的機會.光子軌道角動量加入到原有的光子能量（頻率或波長）、動量（傳播波矢）、自旋角動量（偏振態）隊伍中，是光子的新的可觀測的物理量，新的獨立的自由度.事實上，1995年實驗上將光束的軌道角動量傳遞給物質微粒，觀察到了物質微粒被驅使發生了轉動［123］，其作用仿佛“光學扳手”.這可以看成是光子具有軌道角動量的首次觀測，其重要意義堪比80年前將線偏振光用波片變換為圓偏振光，檢測波片顯示的反沖扭矩，從而證實光子具有自旋角動量的著名實驗［124］.從物理上看，光（光子）的所有物理量，都可以在與物質相互作用時體現出效應.例如，在與原子相互作用時，自旋角動量會因光子的偏振態的變化傳遞到原子的內部自由度，而軌道角動量則傳遞給原子的外部自由度［113］，后者已用來在超冷原子氣體中產生量子渦旋.

光的軌道角動量研究既有基礎研究意義也有應用研究價值.軌道角動量是人類新認識的光子的一個獨立自由度.比較光子的自旋角動量僅能取2個值，只能承載二維空間的信息，光子軌道角動量能取多值（不同的l），能承載高維空間的信息，是實現高維量子體系的理想模型.因此，光子軌道角動量受到了量子信息領域研究者的青睞，軌道角動量在量子糾纏態操控、旋轉多普勒效應測量方面進展迅速.2015年我國學者在單光子多自由度量子隱形傳態方面的杰出工作即是一例［125］，他們工作中就應用了軌道角動量這個自由度.軌道角動量還可應用于微觀世界的微操控，包括生物研究中的微機械、微納尺度下的激光囚禁操控、微馬達等.

用柱透鏡對將厄米-高斯光束轉換成拉蓋爾-高斯光束（取自文獻［122］）

我們再討論一種光學新現象：隨機激光（ran-dom laser），也就是無序介質中的激光（lasing in disordered media）［126］.這方面的認識最初始于20世紀60年代，蘇聯Letokhov等人提出了使用散射體散射反饋的非諧振腔反饋激光［127］.10多年后的80年代又是蘇聯Markushev等人在摻釹激光晶體粉末中觀察到激光，認為是尺寸比光波長大得多的晶體粉末顆粒起到了激光諧振腔的作用，粉末激光（powder laser）的研究于是興起.20世紀90年代初Lawandy等人報道了含有微顆粒（TiO2）的激光染料溶液（Rh 640）中的受激發射，激起了許多擴散媒質中光放大的實驗和理論研究，“隨機激光”這個術語開始出現.它的含義是由于隨機散射機制形成反饋的激光，這與通常激光器用鏡片反射提供的反饋很是不同，從這個意義上說，隨機激光器是無反射鏡的激光器.

在一塊包含若干散射體的增益介質中，光在逃離增益介質前會被散射許多次.散射增加了光在增益介質內的停留時間，或路徑長度，提高了光的放大.我們不再需要反射鏡來將光局限在增益介質中，因為散射自身也可完成這件事.由于強烈的光散射通常發生在高度無序的介質中，單詞“隨機”就使用來描述基于這種性質運作的激光器.

無序增益介質中多重散射的示意圖（有些光散射可能形成一個閉環）

從物理上看，隨機激光是一種基于無序引起光散射的反饋機制的非傳統激光，其諧振腔不是由反射鏡而是由無序的增益介質中的多重散射構成.依據散射提供的反饋是強度反饋還是振幅反饋，隨機激光器分為兩類：非相干反饋隨機激光器和相干反饋隨機激光器.非相干反饋隨機激光器已經在聚合物、液晶甚至生物組織中實現；相干反饋隨機激光器也已在半導體納米結構、有機膜及納米纖維、有機/無機復合材料中實現。

華裔女科學家曹慧（Cao Hui）在相干反饋隨機激光器研究方面作出了開創性的貢獻.她最早報道在高度無序半導體（ZnO）納米結構中相干反饋類型的激光過程［128、129］，與以前的強度反饋的隨機激光不同，這里的反饋是振幅的反饋，因此是共振或相干的反饋，被稱為相干隨機激光.她的研究組在2000年前后進行了一系列深入細致的研究，包括激光閾值測定、激光光譜、發射模式、動態響應、光子統計、散斑圖案、理論模型等，為局域激光在微米尺度空間中的所謂微隨機激光器（microrandom laser）研究奠定了理論和實驗基礎.

無序介質中的受激輻射過程有深刻的物理意義和豐富的物理現象，這同光子的局域化密切相關.在技術應用方面，隨機激光器可以作為光子器件和在線路中的有源元件，一個微隨機激光器就是一個微米尺度的微縮光源.另外，基于光散射反饋機制的隨機激光具有在那些沒有有效反射元件的光譜域制造激光器的前景，如X射線和γ射線區.隨機激光的多方向輸出使得它適合于在顯示器中使用.在醫療領域，隨機激光器可用于腫瘤的檢測和光動力治療，微隨機激光器還可用于提供生物和醫學研究的光學標簽.

關于隨機激光研究更詳細的內容可進一步參看綜述文獻［130］.

Zn O納米顆粒在光泵浦下的發射譜（上：低于閾值，下：高于閾值）

3　光學的技術應用

由于光學顯著的基礎性和實用性，基于光學的技術應用已充斥到人類各種活動的方方面面，特別是激光的出現極大地改變了人類的科學活動和社會活動，光已成為我們生活中最重要的元素之一.

我們扼要地羅列一些重要的光學的技術應用.

首先必須要提到的是望遠鏡和顯微鏡，一個目標是宇宙之大，一個追求的是細微之末.形形色色的望遠鏡和顯微鏡的誕生不斷考驗著人類的智慧.

望遠鏡是17世紀初荷蘭人李普希（H.Lippershey）用磨制的玻璃透鏡發明的，他于1608年申請了專利.消息傳到意大利，伽利略立即自己設計制造，1609年獨立制成了一臺望遠鏡，因此他是最初制造出望遠鏡的人之一，并最早（1610年）用來進行天文觀測.在這時期涉足這類折射式望遠鏡設計制造的還有開普勒，他在1611年進行了雙凸透鏡的望遠鏡設計，可惜沒有去制作.后來（1665年）還有惠更斯制成用于天文觀察的幾米長的折射式望遠鏡.反射式望遠鏡的設計思想最早由英國人格里高利（J.Gregory）1663年提出，但第一個具體設計并制造出反射式望遠鏡的卻是偉大的牛頓（1668年）.之后，大型光學望遠鏡基本上沿著反射式的方向發展，克服了種種技術困難，口徑越做越大.目前運轉的最大的是10m的Keck望遠鏡，更大的30m的TMT望遠鏡正在建造中.另外，在太空工作的著名的哈勃（Hubble）望遠鏡已運轉了20多年.

建設中的TMT天文望遠鏡

顯微鏡的發展史也始于17世紀的荷蘭.大約在1595年，詹森父子（Hans Jansen&Zacharias-Jansen）發現將幾個鏡片裝在管中，可以看到近處的物體顯著放大，這是光學復式顯微鏡和望遠鏡的先驅.1609年，伽利略聽到這些早期的實驗，也制成了自己的顯微鏡.稍后一些年，列文虎克（VanLeeuwenhoek（1632—1723））和胡克（Robert Hooke（1638—1703））都制成了更好的顯微鏡，并用于觀察微生物.“細胞”（cell）這個詞就是胡克在這些觀察報道中提出而被后世沿用至今的.400多年來，光學顯微鏡技術的發展已有很多里程碑式的飛躍（NATURE Milestones inLight Microscopy），已發展出熒光顯微鏡、相襯顯微鏡、偏振顯微鏡、掃描近場光學顯微鏡、共焦顯微鏡、雙光子顯微鏡、單分子顯微鏡，以及最近的光激活定位顯微鏡（PALM）和受激發射損耗顯微鏡（STED）等［131］.當然，非光學的顯微鏡，如電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡也長足發展起來.

在太空中工作的哈勃望遠鏡

現代共焦顯微鏡

光學的技術應用已遍布各個領域，其中極有顯示度的是琳瑯滿目的、各式各樣的光學儀器，如成像儀器、光譜儀器、干涉儀器、光學計量儀器、光學檢測儀器、光學試驗儀器等.本文不擬對所有類型的光學儀器展開討論，僅羅列少數幾類的一些名目.例如成像儀器中有各式各樣的照相機，特別現今使用最廣的光學數碼相機，以及全息照相機、立體照相機、光場照相機等；還有各式攝像機，以及虛擬成像儀、相關成像儀、計算光譜成像儀等.光譜儀器有各種譜段（紅外、可見、紫外……）的各種分光元件（棱鏡、光柵……）的光譜儀、單色儀，以及拉曼譜儀、色譜儀等.干涉儀器是一個更大的家族，形形色色的干涉儀中有邁克耳孫干涉儀、法布里-珀羅干涉儀、馬赫-曾德爾干涉儀、沙克拉克干涉儀、強度干涉儀、瑞利干涉儀、斐索干涉儀、雅滿干涉儀、傅利葉變換干涉儀、賈民干涉儀、陸末-格爾克干涉儀、泰曼-格林干涉儀、科斯特干涉儀、相移干涉儀、相干掃描干涉儀、全息干涉儀、光子多普勒速度干涉儀等.特別值得一提的是，2016 年2月11日美國科研人員宣布，他們在激光干涉引力波天文臺（LIGO）于2015年9月首次直接探測到了引力波，印證了愛因斯坦100年前的預言［132］.LIGO有兩個觀測點，一個位于華盛頓州的漢福德（Hanford），一個位于路易斯安那州的利文斯頓（Livinston），每處都有一臺兩臂的臂長都是4 km長的邁克耳孫干涉儀.當引力波到達時，干涉儀的兩臂的光程會有少許的不同，引起干涉條紋的變化，測量精度可達到千分之一個質子半徑的這種匪夷所思的精度.這是干涉儀用于科學研究的極好范例.

光學的技術應用最深廣的要算激光的應用了.在科學的各個分支領域，激光幾乎應用到所有的學科，包括化學、生物、材料、信息、能源、考古…….在其他領域，如工業、通訊、醫學、軍事、農業、航空航天、文化……，激光的應用也處處可見.在這里我們僅舉幾個這些技術應用中的實例［133］.

激光在工業方面的應用.首先是激光機械加工，如激光打孔、激光切割、激光焊接、激光清洗、激光表面強化（激光淬火、退火，激光熔凝、激光熔敷、激光合金化、激光非晶化、激光沖擊表面強化）等.還有激光成形、激光3D打印、激光化學工業制造、激光照排，激光工業顯微技術，激光光刻技術…….

激光在醫療方面的應用.光學用于醫學由來已久，典型的例子是顯微鏡.激光一問世后1961年就有人探索將其用于醫學［133］.到目前為止，激光已廣泛用于臨床各科，如激光眼科治療、眼底照相機、角膜曲率計、激光矯正視力，視網膜脫落激光凝固術、體內內窺鏡、醫用激光手術刀（對組織進行切割和分離，氣化和融解，燒灼和止血，凝固和封閉）、醫用激光照射儀（對組織進行離焦照射，對穴位進行照射，激光針灸）、激光動力學治療癌癥、激光整容和美容等.想詳盡一點了解激光在醫學方面的應用的讀者可參看文獻［134］.

激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitation-Wave Observatory）

激光焊接

飛秒激光用于手術

激光在軍事方面的應用.這是激光應用有廣闊空間的一個領域，也是大國戰略角力中的重點領域.在高能激光武器，激光致盲武器、激光制導，激光雷達，激光預警，激光遙感、激光通信，激光陀螺，潛望鏡、水下蘭綠激光通信等方面，技術的發展年年飛躍、日新月異.這方面的內容讀者可參看文獻［133］、［135］.可以預計，21世紀一定會是激光全面應用于軍事的世紀.

高能激光武器

激光的技術應用太過廣泛，難于在本文全面闡述.實際上還有一些重要的應用［133］，如激光測距、激光通信、激光熱核聚變點火、激光分離同位素、激光加速粒子、激光顯示、激光存儲等等，不再一一羅列.

激光雷達

4　結語

我們已經圍繞國際光年紀念的光科學歷史上的一系列里程碑式的重要成就，對光學千年的發展作了一次回顧；還力圖從物理學的視角給光學、特別是現代光學一個概貌式的觀察.在結束本文時，我們對光學作一個總的概括.

光學是人類對光的認識.

光學研究光的本性，光的產生、傳播、探測，以及光和物質的相互作用.

光學的顯著特點是它在科學上的基礎性及在應用上的廣泛性.

光學是一門古老的科學，它的歷史差不多和力學一樣悠久.近代光學又是一門年青的、朝氣蓬勃的科學，它首先由于20世紀初能量量子的發現而經歷了一場徹底的革命，接著又由于1960年激光的出現而展現出迷人的新姿.

說光學的歷史悠久，實際光存在的歷史更要遙遠漫長得多.按現代宇宙學，現今的宇宙起源于原初的大爆炸，因此光輻射的存在要早于原子、分子、凝聚體等物質.在人類出現在地球上后，原始人一定會對光有最強烈的感受.日光、月光、星光、閃電光一定會激發遠祖們產生人類所特有的最初的思考和感情.追隨對光的認識在人類文明史上的發展歷程，我們會看到一個特別的現象，那就是宗教和科學都同樣鐘情于光.我們在圣經的《創世紀》中看到這樣的文字：“太初，神創造了天地.……神說：‘要有光！’就有了光.……”另一方面，我們也看到歷史上伽利略、牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦4位科學巨人都致力過光的研究.可以說，沒有哪一個物理學的分支，得到過這樣多位大師的青睞.

相對于光學的悠久歷史，光學的現代發展卻是面貌日新.一般將1960年激光器發明后的新階段的光學劃為現代光學.激光的出現極大地改變了人類的科學活動和社會活動.現今，你很容易在人類的這些活動中找到激光的應用.激光出現后光學迅速地發展出了許多新的分支，如激光物理、激光光譜學，非線性光學，超快（超強）光學、量子光學、原子光學、納米光學…….這些現代光學的發展除了大大豐富了人們對光的認識外，還給整個科學技術帶來了福音.例如，20世紀80年代，鎖模激光技術的發展使人類的時間分辨本領進入到飛秒（10-15s）量級；激光冷卻原子的技術發展使人類在實驗室中產生了納開（10-9K）量級的極低溫；量子光學和非線性光學的結合使人類有能力利用光的壓縮態做出低于量子噪音極限的精密測量…….現代光學如何造福于人類，還可從2009年度諾貝爾物理學獎獲得者高琨開拓的光纖傳輸清楚的顯示，光纖光通信對當今社會的信息化所起的巨大作用實在是太明白不過了.

總而言之，人類對光的認識源遠流長，光學是人類文明的知識寶庫中極為燦爛的一部分；現代光學是現代科學發展中最為活躍的分支之一，也是影響人類社會最為深刻的分支之一.

我們應該讓我們的民眾清楚地認識到光科學的發展及其對人類文明進步所起到的巨大作用，以及對人類社會的持續發展的重要意義.

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OPTICS IN THELAST MILLENNIUM

Li Shiqun
（Department of Phycics，Tsinghua University，Beijing 100084）

On 20 December 2013，the UN General Assembly 68th Session proclaimed 2015 as the International Year ofLight andLight-based Technologies（IYL 2015）.Based on the anniversaries of a series of important milestones in the history of the science of light which held in International Year ofLight，this paper makes a survey of light science in the last millennium. Apart from providing a comprehensive list of important events，this paper also gives an overview of optics from a physics perspective of observation.Three main aspects included in this paper are：1.The anniversaries of a series of important milestones in the history of the science of light；2.Modern development of optical science and photonics；3.Applications of optics.

International Year ofLight；Haytham；Fresnel；Maxwell；Einstein；Penzias；Wilson；Kuen Kao；laser；laser physics；nonlinear optics；laser spectroscopy；ultrafast（super）optics；quantum optics；atomic optics；nano optics；photonics

2016-03-10

李師群，男，教授，主要從事量子光學和光子學物理的科研和教學工作，研究方向是玻色-愛因斯坦凝聚、納米光子學. lishq@tsinghua.edu.cn