李師群（清華大學(xué)物理系，北京 100084）

特約稿件之2015國際光年專欄

光學(xué)千年（五）
——國際光年概觀光學(xué)千年發(fā)展

李師群
（清華大學(xué)物理系，北京 100084）

2013年12月20日聯(lián)合國第六十八屆會(huì)議決定將2015年設(shè)定為光和光基技術(shù)國際年，簡稱2015國際光年.本文圍繞國際光年舉辦周年紀(jì)念的光科學(xué)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(xué)千年的發(fā)展進(jìn)行回顧.文中除盡可能全面地列出光學(xué)發(fā)展道路上的重要事件外，還力圖從物理學(xué)的視角給光學(xué)一個(gè)概貌式的觀察.本文包括4個(gè)部分：（1）國際光年周年紀(jì)念的千年中的光學(xué)重要成就；（2）光學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展和光子學(xué)；（3）光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用；（4）結(jié)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(xué)；非線性光學(xué)；激光光譜學(xué)；超快（超強(qiáng)）光學(xué)；量子光學(xué)；原子光學(xué)；納米光學(xué)；光子學(xué)

（續(xù)上期）

2.9一些新光學(xué)現(xiàn)象

光學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展中還有一些尚沒有形成一個(gè)明確的分支學(xué)科的研究內(nèi)容，我們這里選擇幾個(gè)作為光學(xué)的新現(xiàn)象略作陳述.

首先是電磁感應(yīng)透明（electromagnetically induced transparency，EIT）和所謂“慢光和快光”（“slow and fast light”）現(xiàn)象.EIT是1990年S.E. Harris等人［112］提出的一種3能級原子系統(tǒng)中用一個(gè)較強(qiáng)的光場（耦合場）相干耦合原子的一個(gè)躍遷，使原子的另一個(gè)躍遷頻率的光（探測場）不會(huì)被吸收，原子介質(zhì)對該頻率顯得透明的現(xiàn)象.這是原子的內(nèi)態(tài)量子相干導(dǎo)致的現(xiàn)象.實(shí)際在Harris等明確提出EIT現(xiàn)象之前的10多年時(shí)間里，使用兩個(gè)相干光場與原子相互作用產(chǎn)生量子相干現(xiàn)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(dāng)原子初態(tài)和兩個(gè)激光場的頻率、強(qiáng)度為特定值時(shí)，使得原子不會(huì)處在最上的能態(tài)（a能級），只可能“布居陷俘”在下面兩個(gè)能態(tài)的現(xiàn)象，其物理實(shí)質(zhì)是a-e躍遷和a-g躍遷間相消干涉的結(jié)果，系統(tǒng)處于的態(tài)稱“暗態(tài)”（dark state）.之后的1988、1989年間，蘇聯(lián)科學(xué)家已產(chǎn)生與Harris相似的有關(guān)EIT的認(rèn)識［114］.1991年Harris研究組發(fā)表了EIT首次觀察到的實(shí)驗(yàn)報(bào)道［115］，在鍶（Sr）原子本該有強(qiáng)烈吸收的共振線因耦合場的存在而顯示一個(gè)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(tǒng)中、甚至固體介質(zhì)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(zhì)在特殊頻區(qū)的光學(xué)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(gè)頻區(qū)傳播的新途徑，或因非線性增強(qiáng)而加強(qiáng)了新光場的產(chǎn)生.

與EIT密切相關(guān)的一些新奇物理現(xiàn)象隨后得到了研究，其中最有影響的恐怕要數(shù)所謂“慢光”（“slow light”）和“停止光”（“stopped light”）［116］了.利用EIT產(chǎn)生的這種效應(yīng)實(shí)際是慢光脈沖在介質(zhì)中傳播的群速度，物理上是因?yàn)樵贓IT透明峰區(qū)介質(zhì)體現(xiàn)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(jìn)一步控制耦合光的研究使光脈沖甚至在介質(zhì)中“stopped”（最初文獻(xiàn)中用語）［118］，物理上可以看成“光脈沖暫時(shí)轉(zhuǎn)換至物質(zhì)的自由度，之后再轉(zhuǎn)化回光場”［116］.這對光信息的存儲當(dāng)然很有價(jià)值.應(yīng)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(shè)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(shí)現(xiàn)［116］.

EIT還推動(dòng)了另一新奇物理現(xiàn)象“少光子非線性”（few-photon nonlinearity）的研究.在通常的原子介質(zhì)中，共振效應(yīng)雖然可以顯著增強(qiáng)介質(zhì)的非線性極化率，但共振時(shí)強(qiáng)烈的吸收使非線性過程實(shí)際無法進(jìn)行.EIT介質(zhì)恰好可以在共振線消去吸收，又因?yàn)榱孔酉喔傻拿舾行裕沟眉幢阍诤苋醯墓鈭鲋腥员憩F(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性.一系列EIT增強(qiáng)非線性實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)象，不得不簡單提一下“快光”（“fastlight”）現(xiàn)象，這是一個(gè)頗有趣味和探索性的課題.目前已有若干個(gè)光在某些介質(zhì)中傳輸?shù)娜核俣却笥谡婵罩泄馑俚膶?shí)驗(yàn)報(bào)道［116］，文獻(xiàn)上常稱superluminal現(xiàn)象（國內(nèi)常用詞“超光速”）.從前面對“慢光”的討論可推測，若介質(zhì)在一定頻區(qū)可實(shí)現(xiàn)反常色散并保持一定透明度，就有可能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)光群速超過真空中的光速，甚至也可成為負(fù)值.情況正是這樣，已在增益輔助反常色散介質(zhì)［120］中、電磁感應(yīng)吸收（EIA）介質(zhì)中、光子隧道效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中觀察到這類“快光”現(xiàn)象，這些文獻(xiàn)都強(qiáng)調(diào)他們的觀測并不違背因果律（causality）［116］.

顯示EIT現(xiàn)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(zhuǎn)向討論另一個(gè)光學(xué)新現(xiàn)象，光的軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM），這是一個(gè)在1992年才提出的課題.在此之前，人們已經(jīng)知道光波具有光壓和偏振，分別對應(yīng)量子論里光子具有動(dòng)量和自旋角動(dòng)量.1992年，L.Allen等人指出［121］，一個(gè)光束若具有exp（-ilφ）形式的軸向相位時(shí)（φ是光束橫截平面上的方位角，l是正負(fù)整數(shù)），會(huì)具有一種與偏振態(tài)無關(guān)的另一種角動(dòng)量，即所謂軌道角動(dòng)量.這樣的光束具有螺旋狀波陣面（通常不具有軌道角動(dòng)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(dòng)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(qiáng)為零，形成“光學(xué)渦旋”（“optical vortex”）.這里的整數(shù)l給出了方位角φ轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)軸向相位變化2π的次數(shù)，也是表征光學(xué)渦旋的“拓?fù)浜伞保ā皌opological charge”）.這個(gè)軌道角動(dòng)量對應(yīng)了束中每個(gè)光子具有角動(dòng)量L=l?，這是不同于自旋內(nèi)稟角動(dòng)量的新的角動(dòng)量.文獻(xiàn)［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(gè)光學(xué)系統(tǒng)從激光技術(shù)中很普遍的高階厄米-高斯光束（Hermit-Gaussian beam）轉(zhuǎn)換過來.其實(shí)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(fā)出來，不如用厄米-高斯光束來轉(zhuǎn)換方便一些.承擔(dān)轉(zhuǎn)換任務(wù)的光學(xué)系統(tǒng)可以是柱透鏡對（pair of cylindrical lenses），或者計(jì)算全息（computed hologram）器件等［122］.這種轉(zhuǎn)換有點(diǎn)類似用一塊1/4波片將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光.

具有OAM的光束的波陣面（左），橫截面光強(qiáng)（右上）和相位（右下）

產(chǎn)生和操控不同軌道角動(dòng)量的光束的可能性在光學(xué)中開創(chuàng)了令人振奮的新的機(jī)會(huì).光子軌道角動(dòng)量加入到原有的光子能量（頻率或波長）、動(dòng)量（傳播波矢）、自旋角動(dòng)量（偏振態(tài)）隊(duì)伍中，是光子的新的可觀測的物理量，新的獨(dú)立的自由度.事實(shí)上，1995年實(shí)驗(yàn)上將光束的軌道角動(dòng)量傳遞給物質(zhì)微粒，觀察到了物質(zhì)微粒被驅(qū)使發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)［123］，其作用仿佛“光學(xué)扳手”.這可以看成是光子具有軌道角動(dòng)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(shí)光子具有自旋角動(dòng)量的著名實(shí)驗(yàn)［124］.從物理上看，光（光子）的所有物理量，都可以在與物質(zhì)相互作用時(shí)體現(xiàn)出效應(yīng).例如，在與原子相互作用時(shí)，自旋角動(dòng)量會(huì)因光子的偏振態(tài)的變化傳遞到原子的內(nèi)部自由度，而軌道角動(dòng)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(chǎn)生量子渦旋.

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

用柱透鏡對將厄米-高斯光束轉(zhuǎn)換成拉蓋爾-高斯光束（取自文獻(xiàn)［122］）

我們再討論一種光學(xué)新現(xiàn)象：隨機(jī)激光（ran-dom laser），也就是無序介質(zhì)中的激光（lasing in disordered media）［126］.這方面的認(rèn)識最初始于20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)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(lián)Markushev等人在摻釹激光晶體粉末中觀察到激光，認(rèn)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(jì)90年代初Lawandy等人報(bào)道了含有微顆粒（TiO2）的激光染料溶液（Rh 640）中的受激發(fā)射，激起了許多擴(kuò)散媒質(zhì)中光放大的實(shí)驗(yàn)和理論研究，“隨機(jī)激光”這個(gè)術(shù)語開始出現(xiàn).它的含義是由于隨機(jī)散射機(jī)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(gè)意義上說，隨機(jī)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(zhì)中，光在逃離增益介質(zhì)前會(huì)被散射許多次.散射增加了光在增益介質(zhì)內(nèi)的停留時(shí)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(zhì)中，因?yàn)樯⑸渥陨硪部赏瓿蛇@件事.由于強(qiáng)烈的光散射通常發(fā)生在高度無序的介質(zhì)中，單詞“隨機(jī)”就使用來描述基于這種性質(zhì)運(yùn)作的激光器.

無序增益介質(zhì)中多重散射的示意圖（有些光散射可能形成一個(gè)閉環(huán)）

從物理上看，隨機(jī)激光是一種基于無序引起光散射的反饋機(jī)制的非傳統(tǒng)激光，其諧振腔不是由反射鏡而是由無序的增益介質(zhì)中的多重散射構(gòu)成.依據(jù)散射提供的反饋是強(qiáng)度反饋還是振幅反饋，隨機(jī)激光器分為兩類：非相干反饋隨機(jī)激光器和相干反饋隨機(jī)激光器.非相干反饋隨機(jī)激光器已經(jīng)在聚合物、液晶甚至生物組織中實(shí)現(xiàn)；相干反饋隨機(jī)激光器也已在半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、有機(jī)膜及納米纖維、有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)。

華裔女科學(xué)家曹慧（Cao Hui）在相干反饋隨機(jī)激光器研究方面作出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn).她最早報(bào)道在高度無序半導(dǎo)體（ZnO）納米結(jié)構(gòu)中相干反饋類型的激光過程［128、129］，與以前的強(qiáng)度反饋的隨機(jī)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(jī)激光.她的研究組在2000年前后進(jìn)行了一系列深入細(xì)致的研究，包括激光閾值測定、激光光譜、發(fā)射模式、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、光子統(tǒng)計(jì)、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(jī)激光器（microrandom laser）研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

無序介質(zhì)中的受激輻射過程有深刻的物理意義和豐富的物理現(xiàn)象，這同光子的局域化密切相關(guān).在技術(shù)應(yīng)用方面，隨機(jī)激光器可以作為光子器件和在線路中的有源元件，一個(gè)微隨機(jī)激光器就是一個(gè)微米尺度的微縮光源.另外，基于光散射反饋機(jī)制的隨機(jī)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(qū).隨機(jī)激光的多方向輸出使得它適合于在顯示器中使用.在醫(yī)療領(lǐng)域，隨機(jī)激光器可用于腫瘤的檢測和光動(dòng)力治療，微隨機(jī)激光器還可用于提供生物和醫(yī)學(xué)研究的光學(xué)標(biāo)簽.

關(guān)于隨機(jī)激光研究更詳細(xì)的內(nèi)容可進(jìn)一步參看綜述文獻(xiàn)［130］.

Zn O納米顆粒在光泵浦下的發(fā)射譜（上：低于閾值，下：高于閾值）

3　光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用

由于光學(xué)顯著的基礎(chǔ)性和實(shí)用性，基于光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用已充斥到人類各種活動(dòng)的方方面面，特別是激光的出現(xiàn)極大地改變了人類的科學(xué)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)，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(xué)的技術(shù)應(yīng)用.

首先必須要提到的是望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡，一個(gè)目標(biāo)是宇宙之大，一個(gè)追求的是細(xì)微之末.形形色色的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的誕生不斷考驗(yàn)著人類的智慧.

望遠(yuǎn)鏡是17世紀(jì)初荷蘭人李普希（H.Lippershey）用磨制的玻璃透鏡發(fā)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(shè)計(jì)制造，1609年獨(dú)立制成了一臺望遠(yuǎn)鏡，因此他是最初制造出望遠(yuǎn)鏡的人之一，并最早（1610年）用來進(jìn)行天文觀測.在這時(shí)期涉足這類折射式望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)制造的還有開普勒，他在1611年進(jìn)行了雙凸透鏡的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，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(yuǎn)鏡.反射式望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)思想最早由英國人格里高利（J.Gregory）1663年提出，但第一個(gè)具體設(shè)計(jì)并制造出反射式望遠(yuǎn)鏡的卻是偉大的牛頓（1668年）.之后，大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡基本上沿著反射式的方向發(fā)展，克服了種種技術(shù)困難，口徑越做越大.目前運(yùn)轉(zhuǎn)的最大的是10m的Keck望遠(yuǎn)鏡，更大的30m的TMT望遠(yuǎn)鏡正在建造中.另外，在太空工作的著名的哈勃（Hubble）望遠(yuǎn)鏡已運(yùn)轉(zhuǎn)了20多年.

建設(shè)中的TMT天文望遠(yuǎn)鏡

顯微鏡的發(fā)展史也始于17世紀(jì)的荷蘭.大約在1595年，詹森父子（Hans Jansen&Zacharias-Jansen）發(fā)現(xiàn)將幾個(gè)鏡片裝在管中，可以看到近處的物體顯著放大，這是光學(xué)復(fù)式顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的先驅(qū).1609年，伽利略聽到這些早期的實(shí)驗(yàn)，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(xì)胞”（cell）這個(gè)詞就是胡克在這些觀察報(bào)道中提出而被后世沿用至今的.400多年來，光學(xué)顯微鏡技術(shù)的發(fā)展已有很多里程碑式的飛躍（NATURE Milestones inLight Microscopy），已發(fā)展出熒光顯微鏡、相襯顯微鏡、偏振顯微鏡、掃描近場光學(xué)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(fā)射損耗顯微鏡（STED）等［131］.當(dāng)然，非光學(xué)的顯微鏡，如電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡也長足發(fā)展起來.

在太空中工作的哈勃望遠(yuǎn)鏡

現(xiàn)代共焦顯微鏡

光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用已遍布各個(gè)領(lǐng)域，其中極有顯示度的是琳瑯滿目的、各式各樣的光學(xué)儀器，如成像儀器、光譜儀器、干涉儀器、光學(xué)計(jì)量儀器、光學(xué)檢測儀器、光學(xué)試驗(yàn)儀器等.本文不擬對所有類型的光學(xué)儀器展開討論，僅羅列少數(shù)幾類的一些名目.例如成像儀器中有各式各樣的照相機(jī)，特別現(xiàn)今使用最廣的光學(xué)數(shù)碼相機(jī)，以及全息照相機(jī)、立體照相機(jī)、光場照相機(jī)等；還有各式攝像機(jī)，以及虛擬成像儀、相關(guān)成像儀、計(jì)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(gè)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(qiáng)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(yù)言［132］.LIGO有兩個(gè)觀測點(diǎn)，一個(gè)位于華盛頓州的漢福德（Hanford），一個(gè)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(dāng)引力波到達(dá)時(shí)，干涉儀的兩臂的光程會(huì)有少許的不同，引起干涉條紋的變化，測量精度可達(dá)到千分之一個(gè)質(zhì)子半徑的這種匪夷所思的精度.這是干涉儀用于科學(xué)研究的極好范例.

光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用最深廣的要算激光的應(yīng)用了.在科學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)域，激光幾乎應(yīng)用到所有的學(xué)科，包括化學(xué)、生物、材料、信息、能源、考古…….在其他領(lǐng)域，如工業(yè)、通訊、醫(yī)學(xué)、軍事、農(nóng)業(yè)、航空航天、文化……，激光的應(yīng)用也處處可見.在這里我們僅舉幾個(gè)這些技術(shù)應(yīng)用中的實(shí)例［133］.

激光在工業(yè)方面的應(yīng)用.首先是激光機(jī)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(qiáng)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(qiáng)化）等.還有激光成形、激光3D打印、激光化學(xué)工業(yè)制造、激光照排，激光工業(yè)顯微技術(shù)，激光光刻技術(shù)…….

激光在醫(yī)療方面的應(yīng)用.光學(xué)用于醫(yī)學(xué)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(yī)學(xué)［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(jī)、角膜曲率計(jì)、激光矯正視力，視網(wǎng)膜脫落激光凝固術(shù)、體內(nèi)內(nèi)窺鏡、醫(yī)用激光手術(shù)刀（對組織進(jìn)行切割和分離，氣化和融解，燒灼和止血，凝固和封閉）、醫(yī)用激光照射儀（對組織進(jìn)行離焦照射，對穴位進(jìn)行照射，激光針灸）、激光動(dòng)力學(xué)治療癌癥、激光整容和美容等.想詳盡一點(diǎn)了解激光在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用的讀者可參看文獻(xiàn)［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(shù)

激光在軍事方面的應(yīng)用.這是激光應(yīng)用有廣闊空間的一個(gè)領(lǐng)域，也是大國戰(zhàn)略角力中的重點(diǎn)領(lǐng)域.在高能激光武器，激光致盲武器、激光制導(dǎo)，激光雷達(dá)，激光預(yù)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(shù)的發(fā)展年年飛躍、日新月異.這方面的內(nèi)容讀者可參看文獻(xiàn)［133］、［135］.可以預(yù)計(jì)，21世紀(jì)一定會(huì)是激光全面應(yīng)用于軍事的世紀(jì).

高能激光武器

激光的技術(shù)應(yīng)用太過廣泛，難于在本文全面闡述.實(shí)際上還有一些重要的應(yīng)用［133］，如激光測距、激光通信、激光熱核聚變點(diǎn)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(dá)

4　結(jié)語

我們已經(jīng)圍繞國際光年紀(jì)念的光科學(xué)歷史上的一系列里程碑式的重要成就，對光學(xué)千年的發(fā)展作了一次回顧；還力圖從物理學(xué)的視角給光學(xué)、特別是現(xiàn)代光學(xué)一個(gè)概貌式的觀察.在結(jié)束本文時(shí)，我們對光學(xué)作一個(gè)總的概括.

光學(xué)是人類對光的認(rèn)識.

光學(xué)研究光的本性，光的產(chǎn)生、傳播、探測，以及光和物質(zhì)的相互作用.

光學(xué)的顯著特點(diǎn)是它在科學(xué)上的基礎(chǔ)性及在應(yīng)用上的廣泛性.

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

說光學(xué)的歷史悠久，實(shí)際光存在的歷史更要遙遠(yuǎn)漫長得多.按現(xiàn)代宇宙學(xué)，現(xiàn)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(zhì).在人類出現(xiàn)在地球上后，原始人一定會(huì)對光有最強(qiáng)烈的感受.日光、月光、星光、閃電光一定會(huì)激發(fā)遠(yuǎn)祖?zhèn)儺a(chǎn)生人類所特有的最初的思考和感情.追隨對光的認(rèn)識在人類文明史上的發(fā)展歷程，我們會(huì)看到一個(gè)特別的現(xiàn)象，那就是宗教和科學(xué)都同樣鐘情于光.我們在圣經(jīng)的《創(chuàng)世紀(jì)》中看到這樣的文字：“太初，神創(chuàng)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(xué)巨人都致力過光的研究.可以說，沒有哪一個(gè)物理學(xué)的分支，得到過這樣多位大師的青睞.

相對于光學(xué)的悠久歷史，光學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展卻是面貌日新.一般將1960年激光器發(fā)明后的新階段的光學(xué)劃為現(xiàn)代光學(xué).激光的出現(xiàn)極大地改變了人類的科學(xué)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng).現(xiàn)今，你很容易在人類的這些活動(dòng)中找到激光的應(yīng)用.激光出現(xiàn)后光學(xué)迅速地發(fā)展出了許多新的分支，如激光物理、激光光譜學(xué)，非線性光學(xué)，超快（超強(qiáng)）光學(xué)、量子光學(xué)、原子光學(xué)、納米光學(xué)…….這些現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展除了大大豐富了人們對光的認(rèn)識外，還給整個(gè)科學(xué)技術(shù)帶來了福音.例如，20世紀(jì)80年代，鎖模激光技術(shù)的發(fā)展使人類的時(shí)間分辨本領(lǐng)進(jìn)入到飛秒（10-15s）量級；激光冷卻原子的技術(shù)發(fā)展使人類在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生了納開（10-9K）量級的極低溫；量子光學(xué)和非線性光學(xué)的結(jié)合使人類有能力利用光的壓縮態(tài)做出低于量子噪音極限的精密測量…….現(xiàn)代光學(xué)如何造福于人類，還可從2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者高琨開拓的光纖傳輸清楚的顯示，光纖光通信對當(dāng)今社會(huì)的信息化所起的巨大作用實(shí)在是太明白不過了.

總而言之，人類對光的認(rèn)識源遠(yuǎn)流長，光學(xué)是人類文明的知識寶庫中極為燦爛的一部分；現(xiàn)代光學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中最為活躍的分支之一，也是影響人類社會(huì)最為深刻的分支之一.

我們應(yīng)該讓我們的民眾清楚地認(rèn)識到光科學(xué)的發(fā)展及其對人類文明進(jìn)步所起到的巨大作用，以及對人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)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(xué)和光子學(xué)物理的科研和教學(xué)工作，研究方向是玻色-愛因斯坦凝聚、納米光子學(xué). lishq@tsinghua.edu.cn