陳斯紅 陳孫藝

摘 要：文章從四方面綜述了光的研究進展及其創(chuàng)新應(yīng)用，一是光的波粒二象基本屬性，光孤子、光的空間維度、光的能量及其溫熱性等二次屬性；二是光子的微觀掃描、光彈性透視、條紋投影近程檢測視場和光譜遙感遠程深空探測等檢測技術(shù)，光電探測和“光場相機”等成像技術(shù)；三是光的移動、霍爾效應(yīng)、旋轉(zhuǎn)、折彎與轉(zhuǎn)彎、光速的快慢調(diào)節(jié)及儲存、光的物理與化學過程、軟硬載體等各種運動特性；四是光的“黑夜近視”、非注意盲視和隱身斗篷等客觀特性。

關(guān)鍵詞：光學；性質(zhì)；光孤子；快慢光；條紋投影

引言

人類依靠光去認識世界。目前，光學已發(fā)展為近場光學、量子光學、應(yīng)用光學、光通信、光譜學、光子晶體、薄膜光學、激光物理與技術(shù)、激光材料加工、導(dǎo)波纖維光學、激光微納與超快制造、光學元件和材料、過程模擬與仿真等多個相關(guān)領(lǐng)域組成的學科，人類對光的特性研究還在不斷深入。

光的波粒二象性是眾所周知的常識，這種認識是基于在此之前，人們已經(jīng)認識到粒子的波動性和粒子的粒子性，而且這種認識被實驗證明，又經(jīng)過實踐的長期檢驗。但是人們沒有滿足于此，而是不斷地對光的其他特性進行研究。無窮無盡的探索取得了顯著成果，理論構(gòu)架就像人類的居所，從野樹窩、山洞到茅草屋，再到磚瓦房和高樓大廈。光的多彩世界隱藏著許多尚未知曉的特性。

1 光的基本屬性和二次屬性

如果把光的波粒性視作其基本屬性或一次屬性，則光的光電性、孤子性和壓彈性是其二次屬性。不同的光也許具有不同的壓彈性，也許就是光子之間的不同間距。

1.1 光的基本屬性

文獻[1]針對光成像的實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)提出了普羅大眾的疑問，也即在核心技術(shù)理論上，光的波粒二象性實質(zhì)是指其同時具有波動性和粒子性所融為一體的二重性，還是此時的波動性和彼時的粒子性所一分為二的二元性？并且進一步追問，如果是后者，其轉(zhuǎn)換是瞬間即現(xiàn)的還是有過程的？轉(zhuǎn)換過程有哪些影響因素？轉(zhuǎn)換的條件是如何的？能物理建模或數(shù)學建模嗎？還有云計算能從變幻莫測的極光模擬中提取出規(guī)律性嗎？

1.1.1 光子的波粒同時

是指光的波粒二象性是同時的，這就免去了波粒轉(zhuǎn)換的過程和能量損耗，符合自然界的“低能耗”原理。陌生的量子世界可以通過現(xiàn)實的景象加深認識，粒子性和波動性的關(guān)系類似于個體與整體的關(guān)系，單個的粒子表現(xiàn)出活潑靈動，在局部區(qū)域東奔西跑無頭緒，個體之間會發(fā)生碰撞而實現(xiàn)能量的傳遞；無數(shù)粒子的組成則表現(xiàn)出宏觀的波動性，成像而有方向，在向遠方傳遞的過程中掩蓋住其內(nèi)部無限活力的心。激光就是從物質(zhì)原子的不穩(wěn)定狀態(tài)中把光子誘發(fā)出來并形成隊列，隊列中的光子們光學特性一樣，步調(diào)極其一致，所以威力很大，可以切割加工或焊接金屬。

1.1.2 光的波動性

可以想象光的波粒二象性類似水的特性。水面整體表現(xiàn)出波動性，同時以分子的形式向空氣中蒸發(fā)。水下表現(xiàn)出暗流的波動和粒子的滲透特性，向底部的泥沙滲透，向泡在水中木頭樹葉滲透，遇到障礙物時可以輕便地繞過。這使其具備在宏觀世界繞障的能力。當光波在前進的道路上遇到障礙物時，個體與其他微粒發(fā)生碰撞，損失部分能量而改變了方向，因此可以繞過物體。可以推想，每一次繞障都會削弱波動的能量，多次繞障后整體的能力將明顯下降。

其實光的波動性具有非一般的特性，例如孤子又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖，或者說是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。有人把孤子定義為：孤子與其他同類孤立波相遇后，能維持其幅度、形狀和速度不變。

1.2 光的二次屬性

人們可以在認識光的基本屬性的基礎(chǔ)上挖掘其二次屬性開發(fā)應(yīng)用。

1.2.1 光孤子

是指經(jīng)過長距離傳輸而保持形狀不變的光脈沖，是由光纖中群速度色散和自相位調(diào)制兩種最基本的物理現(xiàn)象共同作用形成的。一束光脈沖包含許多不同的頻率成分，頻率不同，在介質(zhì)中的傳播速度也不同，因此，光脈沖在光纖中將發(fā)生色散，使得脈寬變寬。但當具有高強度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時，將產(chǎn)生克爾效應(yīng)，即介質(zhì)的折射率隨光強度而變化，由此導(dǎo)致在光脈沖中產(chǎn)生自相位調(diào)制，使脈沖前沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率降低，脈沖后沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率升高，于是脈沖前沿比其后沿傳播得慢，從而使脈寬變窄。當脈沖具有適當?shù)姆葧r，以上兩種作用可以恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩(wěn)定不變地在光纖中傳輸，即形成了光孤子，也稱為基階光孤子。若脈沖幅度繼續(xù)增大時，變窄效應(yīng)將超過變寬效應(yīng)，則形成高階光孤子，它在光纖中傳輸?shù)拿}沖形狀將發(fā)生連續(xù)變化，首先壓縮變窄，然后分裂，在特定距離處脈沖周期性地復(fù)原。

光孤子因在整個傳播過程中沒有任何變化而常用于通信：容量大，誤碼率低、抗干擾能力強，不用中繼站，從而免去了光電轉(zhuǎn)換、重新整形放大、檢查誤碼、電光轉(zhuǎn)換、再重新發(fā)送等復(fù)雜過程。

1.2.2 光的空間維度

從空間角度來說，光具有維度嗎？既然其具有傳播的方向性和反射能力，答案應(yīng)該是肯定的。但是一維光不是指一束光，一束光因其束徑大小而可以是三維的，即便是一束三維光，在無窮大空間背景上就可以被認為是一維的。二維光肯定是、但是不僅指一片光。蔣[2]曾經(jīng)研究光學薄膜的自動設(shè)計。薄膜的宏觀結(jié)構(gòu)就是二維的。三維光應(yīng)該是光的常態(tài)，無拘無束地發(fā)散。尚無法確定是否存在超三維的多維光，但是光的確存在維度轉(zhuǎn)換。

中國科技館中展示的日落蛾的翅膀鱗片既像西北高原的風馬旗，也像東南發(fā)達城市的霓虹燈光秀。據(jù)報道，圖1蝴蝶翅膀的色彩并不是顏色本身，而是依靠表面鱗片的空間排列方位和密度產(chǎn)生對同一種光的折射差異，才引起顏色的變化。2015年10月新京報記者黃穎報道，北京認定首批13個高校高精尖中心中，就有兩個與光有關(guān)，分別是首都師范大學成像技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、中央美術(shù)學院視覺藝術(shù)高精尖創(chuàng)新中心。成像技術(shù)與視覺藝術(shù)都離不開光的空間維度。

圖1 彩翅蝴蝶

2 光能及其創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 光的能量

光量子簡稱光子，雖然其屬于中性粒子，但是不同的光與某些材料組合具有不同的光電特性。

2.1.1 光子的能量

一個光子的能量正比于光波頻率（E=hv，其中h為普朗克常數(shù)，v為光波的頻率），在光的傳播中，光子的數(shù)量會由于發(fā)散或被吸收減少，因此光的總能量會減弱。

2.1.2 光電光伏性

雷雨季節(jié)常見天空閃電，這是自然界的電光轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化是可逆的，光也能激化出其他材料的動力。光子的光電性也稱為光伏性，指光電轉(zhuǎn)換性能，就是電子器件或產(chǎn)品受一定光照之后產(chǎn)生的光照電流和電壓。

多晶硅太陽能電池板是人們熟悉的光電轉(zhuǎn)化元件。通常每1MW光伏電站占地面積是30畝左右，農(nóng)業(yè)光伏項目由于陣列間距較大，每1MW電站占地面積約50畝，成本更高，而光伏水泵在農(nóng)業(yè)水利中的應(yīng)用更有潛力。真空管中的特殊石墨稀材料在日光的“推動”下可以移動，在其他包括太陽光在內(nèi)的各種光源照射下均可飛行，而光直接驅(qū)動飛行是科學界和航空界多年的夢想，而光源波長與這特殊石墨稀材料產(chǎn)生的驅(qū)動力成反比[3]。

2.1.3 光電協(xié)同性

可見光通信是利用半導(dǎo)體照明的光線實現(xiàn)“有光照就能上網(wǎng)”的新型高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，綠色低碳、可實現(xiàn)近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號泄露等弱點，快速構(gòu)建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

2.2 光的溫熱性

2.2.1 光的冷暖性

暖色與冷色本質(zhì)上是物理上熱光與冷光的美學表達，光在醫(yī)療上的應(yīng)用也有很多途徑，X光可進行特殊的成像，檢查人體疾病，LED媒體界面通過改變其光色、亮度及圖案，可對病患負面情緒起到緩解作用。并不是任何光照都能帶來溫度的升高和熱量的增加，冷光由于沒有紅外輻射，因此不能使被照射物體升溫。

2.2.2 光熱應(yīng)用

熱光與冷光屬于波段不同的兩種光源，光能與熱能是兩種不同的能量形式，目前，光熱利用設(shè)備已包括太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)等，太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，其中的發(fā)電方式是光-熱-電轉(zhuǎn)換，先將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為蒸汽工質(zhì)，再由蒸汽驅(qū)動氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，與光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的原理不同。

2.2.3 光熱逆應(yīng)用

毫無疑問，光是一種物理現(xiàn)象，也是客觀存在的物質(zhì)。光子具有動能，因為光子具有重量和速度。光具有壓力，總輻射量，光通量以及色坐標，所以光的創(chuàng)新應(yīng)用多姿多彩。荷蘭一家公司推出一款高科技圍巾，其特別之處在于，圍巾可隨著佩帶者的心情、周圍的光線和溫度的變化等因素變換顏色。研發(fā)人員在纖維中織入微型熱敏感應(yīng)器，可以感應(yīng)外界的變化。同時微妙的紡織手法使薄薄的圍巾分成好幾層，每一層都會有不同的顏色，在感應(yīng)到外界的變化時，它便會自動改變構(gòu)成模式，顯示出不同的顏色[4]。

3 光的檢測與成像技術(shù)

3.1 光的檢測

3.1.1 光子的微觀掃描

是指光的粒子性使其具備在微觀世界穿越的能力。正如文獻[5]所言，微觀世界多了去的電子總有一小撮不安分的想跑到山那頭去看風景，如果用原子尺度的針尖去接近材料表面，在無須觸碰到表面原子的情況下，就可以通過隧穿過來的電流大小得知材料表面電子密度的大小，應(yīng)用這種技術(shù)原理的神器稱之為“掃描隧道電子顯微鏡”，具有“看到”原子的火眼金睛，在檢測金屬斷口的元素成分等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。可以推想，能成功穿越的粒子在前行中得到其他粒子的能量支援。自從掃描隧道顯微鏡問世后，世界上就產(chǎn)生一門以0.1至100納米這樣尺度研究對象的前沿學科，這就是“納米技術(shù)”。

3.1.2 光彈性透視

是應(yīng)用光學原理研究彈性力學問題的一種實驗應(yīng)力分析方法。在偏振光場中，各向同性的光彈性模型在載荷作用下會產(chǎn)生暫時雙折射效應(yīng)，其主折射率和主應(yīng)力有關(guān)。一束自然光通過起偏鏡后，會產(chǎn)生平面偏振光。它垂直透射一個受載荷的平面模型時，沿著模型的一點的兩個主應(yīng)力方向分解成兩束速度不同的平面偏振光，通過模型后產(chǎn)生一個相對光程差。主應(yīng)力與光程差間的關(guān)系式是著名的應(yīng)力-光學定律，它是光彈性法的理論基礎(chǔ)。將具有雙折射效應(yīng)的透明塑料制成的結(jié)構(gòu)模型置于偏振光場中，當給模型加上載荷時，即可看到模型上產(chǎn)生的干涉條紋圖。測量這些干涉條紋，通過計算，就能確定結(jié)構(gòu)模型在受載情況下的應(yīng)力狀態(tài)，特別是應(yīng)力集中的區(qū)域和三維內(nèi)部應(yīng)力問題，從而對實際結(jié)構(gòu)進行安全的強度設(shè)計，在承壓設(shè)備的應(yīng)力分析中具有重要作用。對于斷裂力學、 巖石力學、生物力學、粘彈性理論、復(fù)合材料力學等，也可用光彈性法驗證其所提出的新理論、新假設(shè)的合理性和有效性，為發(fā)展新理論提供科學依據(jù)。

3.1.3 近程與檢測視場

物體三維形貌可提供豐富直觀的信息，在逆向工程及快速成型的過程中，要考慮包括逆向工程中的數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)以及快速成型的原理、分類、特點等，以及RE和RP的集成。以光學測量技術(shù)為主的數(shù)據(jù)采集方式及其原理可提高測量精度[6]。

近年來，隨著數(shù)字投影設(shè)備、圖像傳感器及圖像處理設(shè)備的發(fā)展，基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量技術(shù)得到廣泛研究與應(yīng)用，提供了物面形貌全場、大量程的測量手段。文獻[7]提出了一種三維形貌精密測量系統(tǒng)，其利用條紋對比度高、強度呈正弦分布的無衍射柵型結(jié)構(gòu)光作為投影光源，并借助機器視覺相關(guān)技術(shù)，根據(jù)攝像機針孔成像幾何模型和投影光平面方程間的幾何關(guān)系直接獲得物體表面的空間坐標，實現(xiàn)物體三維形貌精密測量。

精確的光學測量一般需要在熱穩(wěn)態(tài)下進行，難道非熱穩(wěn)態(tài)下發(fā)生的變化無規(guī)律可循嗎？

3.1.4 遠程與深空探測

與前面提到的原子探針分析物質(zhì)成分的方法不同，光譜探測也是分析物質(zhì)成分的主要方法之一，系統(tǒng)定標是光譜儀研制及推廣應(yīng)用的必要條件。自從成像光譜儀于二十世紀80年代開始在多光譜遙感成像技術(shù)的基礎(chǔ)上誕生以來，研究人員就開始了光譜定標、輻射定標、系統(tǒng)評價等方面的研究。新型分光器件—聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF）首先用作航天光譜探測的分光器件，被認為是20世紀90年代光譜儀最突出的進展，也常被稱作第五代分光技術(shù)。針對深空光譜探測應(yīng)用，我國正在開展AOTF紅外成像光譜儀的研制，其系統(tǒng)評價及數(shù)據(jù)應(yīng)用需要解決其精細定標問題，地面檢測及驗證其在空間惡劣環(huán)境中的特性，迫切需要開展深空探測AOTF紅外成像光譜儀的系統(tǒng)定標技術(shù)研究[8]。

3.2 光的成像

3.2.1 光電探測

由于系統(tǒng)制作過程中存在的圖案結(jié)構(gòu)、沉積、刻蝕、材料增長、摻雜方法的本質(zhì)上的平面特性，使用已經(jīng)確定的光電學技術(shù)極難實現(xiàn)半球形成像系統(tǒng)[9]。電子蛙眼則是仿生學家根據(jù)蛙眼視網(wǎng)膜由四層五類功能不同的神經(jīng)細胞而組成的結(jié)構(gòu)原理而設(shè)計的，在馬路上監(jiān)測交通和環(huán)境的視頻系統(tǒng)是眾所周知的應(yīng)用之一，如果將電子蛙眼和雷達結(jié)合，則可以像真蛙眼一樣板，敏銳迅速地分辯真假導(dǎo)彈，跟蹤飛行中的真目標。光電特性在制備柔性成像系統(tǒng)中的最新應(yīng)用越發(fā)深刻，Ko等[10]將柔性電子結(jié)構(gòu)的概念應(yīng)用到成像系統(tǒng)中，提出了一種制造曲線光電子器件和電子眼成像系統(tǒng)的方法。這種思想是以可以承受大水平的壓縮和拉伸應(yīng)變（達到50%或者更多）的不尋常設(shè)計，在平的二維表面創(chuàng)建光電子系統(tǒng)。這個平面布局可以轉(zhuǎn)換成半球形曲線形狀，最后把彈性體上的陣列轉(zhuǎn)印到玻璃透鏡基底上。這種結(jié)構(gòu)在制作過程中，半球表面上成像陣列發(fā)生微小的變化，硅像素中的最大應(yīng)變?yōu)?.01%，這比斷裂應(yīng)變（1%）低很多，金屬弧形交聯(lián)導(dǎo)體中的應(yīng)變?yōu)?.3%，也遠低于其斷裂應(yīng)變。

圖2 家蠅雙眼

圖2是中國科技館中展示的家蠅頭部放大，其復(fù)眼的球面更加微妙，而組成復(fù)眼的無數(shù)個單體也類似球面。應(yīng)用這種技術(shù)原理的半球形電子眼數(shù)碼相機，其仿生成像系統(tǒng)是在半球形表面使用光電探測器陣列，類似于人眼中的視網(wǎng)膜[11]。

3.2.2 光場的動靜態(tài)轉(zhuǎn)換

美國斯坦福大學電腦科學系新加坡籍博士生吳義仁（RenNG譯音），與幾名研究員創(chuàng)制出手提“光場相機”，這種相機在低光及影像高速移動的情況下，仍能準確對焦拍出清晰照片。2011年12月出版的美國《大眾科學》雜志介紹了2011年100個最佳創(chuàng)新產(chǎn)品，名列榜首的就是先拍照后對焦的“光場相機”。

據(jù)報道，“光場相機”機身和一般數(shù)碼相機差不多，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)大有不同，其中位于主鏡頭及感光器之間有一個布滿9萬個微型鏡片的顯微鏡陣列，每個小鏡陣列接收由主鏡頸而來的光線后，傳送到感光器前，析出聚焦光線及將光線資料轉(zhuǎn)換，以數(shù)碼方式記下。相機內(nèi)置軟件操作“已擴大光場”，追蹤每條光線在不同距離的影像上的落點，經(jīng)數(shù)碼重新對焦后，便能拍出完美照片。而且，“光場相機”一反傳統(tǒng)，減低鏡頭孔徑大小及景深，以小鏡陣列控制額外光線，展露每個影像的景深，再將微小的次影像投射到感光器上，所有聚焦影像周圍的朦朧光圈變?yōu)椤扒逦?，保持舊有相機的大孔徑所帶來的增加光度、減少拍照時間及起粒的情況，不用犧牲景深及影像清晰度。

4 光的客觀性特性研發(fā)應(yīng)用

4.1 光的各種運動

4.1.1 光的霍爾效應(yīng)

約132年前，美國物理學家霍爾（Edwin Hall，1855-1938）發(fā)現(xiàn)，當電流通過磁場中的導(dǎo)體時，在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩側(cè)會出現(xiàn)電勢差。這一現(xiàn)象后來被稱為霍爾效應(yīng)（Hall effect），本質(zhì)上，它是運動的載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用而產(chǎn)生橫向運動的結(jié)果。經(jīng)典霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)之后的一百多年，反?；魻栃?yīng)、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分數(shù)量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)和軌道霍爾效應(yīng)等又相繼被發(fā)現(xiàn)，它們構(gòu)成了一個霍爾效應(yīng)家族。

中性粒子是否也有類似的霍爾效應(yīng)呢？2004年，日本AIST的

Onoda等人[12]從理論上明確提出，光子在介質(zhì)分界面上反射或折射時同樣存在類似于電子SHE的光自旋霍爾效應(yīng)。2008年，美國Illinois大學Hosten和Kwiat[13]利用弱測量方法，首次從實驗上證實了這一現(xiàn)象。與電子SHE引發(fā)科學界對研制新的電子元器件的設(shè)想一樣，光子作為當今時代信息和能量的重要載體，人們完全有理由期待SHEL的研究將導(dǎo)致新型光子學器件的產(chǎn)生，并可能衍生出一門類似于自旋電子學的新學科——自旋光子學[14，15]。

4.1.2 光的旋轉(zhuǎn)

光的旋轉(zhuǎn)有別于光子的自旋?？臻g光束在均勻三維實體材料中的傳輸研究表明，當橢圓光束在單軸晶體里線性傳輸時，如果橢圓光束的主軸不在單軸晶體的主平面上，橢圓光束在傳輸時就會在橫截面上旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)效應(yīng)源自于材料的線性各向異性[16]。

平時所見的光路轉(zhuǎn)彎與上述旋轉(zhuǎn)有本質(zhì)區(qū)別。2015年11月，CCTV2財經(jīng)頻道周六晚由黃西主持的一檔稱為“是真的嗎”的欄目，展示了光在溶液中的折彎現(xiàn)象。這是由于傳播介質(zhì)的密度變化，導(dǎo)致折射率變化，光線因此發(fā)生折射。陽光燦爛的早晨可見樹林中一道道漂亮的光路，這是由于云、霧、煙塵等自然界膠體形成的丁達爾現(xiàn)象，本質(zhì)是光波環(huán)繞微粒而向其四周放射的光，稱為散射或乳光。

4.1.3 光速的快慢調(diào)節(jié)

人們熟悉光的速度，但是不是十分了解光的快慢即光波在媒介中傳播時群速度加快或者減慢的物理現(xiàn)象。光纖中光的快慢是可控的，在全光通信、光學傳感、光纖非線性效應(yīng)增強等方面存在巨大的應(yīng)用潛力。文獻[17]針對基于相干布居數(shù)振蕩和受激布里淵散射效應(yīng)的快慢光傳輸進行了深入地研究，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一種基于受激布里淵散射快光的新型折射率傳感應(yīng)用。調(diào)制頻率以及信號光波長對快慢光延遲量或提前量有影響，利用布里淵環(huán)形振蕩腔可獲得自加快快光，從而實現(xiàn)單束光基于SBS效應(yīng)的快光傳輸。

高速傳輸一直是可見光通信領(lǐng)域研究的焦點課題之一，解放軍信息工程大學于宏毅研發(fā)團隊采用光學和電學相協(xié)同的處理方法，突破了可見光空間通道互干擾高效抑制等關(guān)鍵技術(shù)，進入集成化、微型化設(shè)計與實現(xiàn)階段。2015年12月的新聞報道，經(jīng)工業(yè)和信息化部測試認證，我國可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究取得重大突破，解放軍信息工程大學專家利用LED燈光線可完成水下等特殊條件的信息高速傳輸，速度達到50G比特每秒，相當于0.2秒即可完成一部高清電影的下載。

4.1.4 光的儲存

傳統(tǒng)意義上，光盤的光存儲技術(shù)是采用激光照射介質(zhì)，激光與介質(zhì)相互作用，導(dǎo)致介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化而將信息存儲下來的。讀出信息是用激光掃描介質(zhì)，識別出存儲單元性質(zhì)的變化。在實際操作中，通常都是以二進制數(shù)據(jù)形式存儲信息的。這種技術(shù)原理早已通過條形碼的簡潔形式附屬在食品、衣服、書籍等隨處可見大眾日用品上，也創(chuàng)新地應(yīng)用到二維碼標識上， 看起來混亂不解的二維碼實際就是諸多黑白方塊組合成的大方塊，而黑白方塊實際就是瘦身高挑的黑白條形碼變矮后的新花樣。光學字符識別（OCR）技術(shù)的原理完全不同，本質(zhì)上利用光學設(shè)備去捕獲圖像，然后對其中的文本進行檢測和文字識別。

其實，快慢光在不同領(lǐng)域中都可有許多創(chuàng)新的應(yīng)用，慢光趨于極限也就相當于光存儲，這完全顛覆傳統(tǒng)概念，還原了存儲的本義。

4.2 光的相對狀態(tài)

光的相對性是多角度的，也是統(tǒng)一的。

4.2.1 光的強弱

前面的討論主要基于人們普遍認識的可見光，不可見光則是相對于可見光的另一部分，兩部分是連續(xù)的。兩部分交界處是否具有若明若暗或若隱若現(xiàn)的特殊功能呢？正如聽力差異一樣，這與人眼視力個性差異有關(guān)，所謂可見光只是根據(jù)大部分人的可視范圍定義，一旦超過視力的可視范圍，光即不可見，不存在若隱若現(xiàn)部分。

以相對性表現(xiàn)的光與影、亮與暗，其實都是強弱不同的光，這就是統(tǒng)一。如果把暖色與冷色理解為等效于光強的一種某種極端的相對性，則可以把光子個體的瘋狂與光束整體的靜態(tài)理解為反向極端的相對性。光依靠物質(zhì)的反射使人們得以目視，在連空氣也沒有的真空中，光還存在嗎？答案是肯定的，正如光通過宇宙真空中，從太陽傳播到地球。因此，光也表現(xiàn)出空無與存在的矛盾統(tǒng)一。

目前，CCTV3綜藝頻道周日晚由撒貝寧主持的一檔稱為“挑戰(zhàn)不可能”的欄目，有挑戰(zhàn)者從百多米遠就能看清小轎車的車牌字符，這是光的另一種相對性。既然不同的動物對光彩的識別存在差異，則說明觀察的主體與被觀察的客體之間存在不同的應(yīng)激關(guān)系，這是主體適應(yīng)客體的結(jié)果，還是客體適應(yīng)主體的結(jié)果，或者是相互適應(yīng)的結(jié)果？哪些因素影響了適應(yīng)的選擇？

4.2.2 光的物理與化學過程

赤橙黃綠青藍紫充分表現(xiàn)了光的相對成分。紐約康奈爾大學生物學的安德森對“偽裝高手”變色龍的“善變”技能進行了解釋：基于神經(jīng)學調(diào)控機制，表皮的三層色素細胞之間在神經(jīng)刺激下實現(xiàn)色素交融變換，變化多姿多彩。這與蛙眼的原理相似，帶有變色的可逆性和反復(fù)性，物理作用為主。

在夜空中觀賞到絢麗多彩的煙花是劇烈氧化反應(yīng)的結(jié)果，熒光是兩種光的視覺之差且已被應(yīng)用于生物實驗以便于觀察，熒火蟲等常見動物的發(fā)光就是依賴于生物體內(nèi)熒光酶素的氧化，也是一種化學反應(yīng)的緩慢表演。同樣以化學作用變色但是影響因素有別的是圖3所示香港海洋公園展出的彩色水母，表現(xiàn)的并不是其原色，而是為了達到觀賞效果被人為投射的光，水母發(fā)光是因為名為?？值牡鞍踪|(zhì)遇到鈣離子就能發(fā)出較強的藍色光來。

圖3 水母

4.2.3 光的軟硬載體

在夜空中觀賞到的流星雨也是兩種光的視覺之差。流星體跟地球大氣層摩擦發(fā)出光和熱而被我們看到，其中包括其高速運動打掉空氣里面原子中的電子而形成的空氣等離子區(qū)，但是在大約在一秒鐘量級的時間內(nèi)，自由電子再次與原子結(jié)合并釋放出能量，這才是流星尾巴發(fā)光的能量來源?？諝獬蔀楣猱a(chǎn)生過程的軟載體。

夜光云是深曙暮期間出現(xiàn)于地球高緯度地區(qū)高空的一種發(fā)光而透明的波狀云，距地面的高度一般在80km左右，常呈淡藍色或銀灰色，是夜光云中的冰晶粒散射太陽光的結(jié)果，這類冰晶顆粒的半徑一般為0.05至0.5微米，成為光產(chǎn)生的硬載體。

4.3 光的忽視與“消失”

4.3.1 “黑夜近視”是人眼休息的一種忽視

這件事起源于1789年，當時英國皇家格林威治天文臺負責人Lord Maskelyne報道說，雖然他白天有正常視力，不需要戴眼鏡，可是一到晚上便變成了近視。直到上世紀60年代激光發(fā)明之后，人們發(fā)現(xiàn)激光散斑雖然可以看見，但不會是眼睛焦點調(diào)節(jié)的刺激。賓州州立大學心理系Leibowitz教授的實驗室團隊構(gòu)建了一種利用激光散斑測量人眼調(diào)節(jié)的儀器，這是一種靠主觀感覺的測量裝置，在1975-1979年間或早些時候，他們發(fā)現(xiàn)每一位受試者的黑夜近視與他自已的在空視場（例如飛行員在天上時，飛機外面是沒有視覺線索的藍天）下的近視、與使用某些光學儀器時的近視（當光學儀器的有很大景深時，使用者便不需要作焦點調(diào)節(jié)）有高度的相關(guān)性。根據(jù)這樣的觀察結(jié)果，他們認定人眼在這三種情況下，焦點調(diào)節(jié)系統(tǒng)都會處在一種休息的狀態(tài)，而且此時眼的焦點不是在無窮遠。這就從實驗上證明德國科學家Herbert Schober在1954年提出的理論的正確性：眼睛沒有接收到視覺信號時，眼的焦點調(diào)節(jié)的機制處在一種休息狀態(tài)，它的焦點并不是在無窮遠。修正了亥姆霍 （Helmholtz）的經(jīng)典理論，而且還認識到，黑夜、空視場、小孔徑光學儀器、以及任何降低視覺分辨的條件，如不清晰的光學介質(zhì)（像大霧），它們對于焦點調(diào)節(jié)的作用與機制是相同的[2]。

4.3.2 非注意盲視則是人眼緊張的一種忽視

這是心理學上的一種現(xiàn)象，指當一個人全神貫注于某一個問題時，往往會忽視另一個顯而易見，或平時會很引人注目的地方。微信網(wǎng)絡(luò)上流行“10幅讓人大腦崩潰的圖”，其中螺旋狀的圖片并不是真的螺旋狀，實際是同心圓；若干條縱向和橫向的灰色線條圍成的諸多正方格內(nèi)填以黑色，則線條相交的各點中有一些看起來是白色的，有一些看起來似乎是黑色的，但是不管你再怎么努力，都無法直接看到黑色的圓點。斗牛特別對紅色敏感，不同動物對同一光彩的識別差異也是一種與觀察主體有關(guān)的現(xiàn)象。

視角判斷要依賴背景，包括印象背景。圖4不是雨傘，而是中國科技館中展示的昆蟲卵。

4.3.3 隱身斗篷是一種“光的消失”

這是一種反檢測技術(shù)，基于超材料的光學斗篷一直使用材料特性的體積分布來慢慢彎曲光束，以此達到遮蓋隱匿區(qū)域的目的。然而，這些材料塊頭較大，很難增加尺度；另一方面，這種典型的斗篷會帶來反射光不必要的相位偏移，使得隱身斗篷可以檢測到。為提高隱身水平，Xingjie Ni等[18]通過實驗驗證了一種包裹在物體外面的超薄隱身皮膚斗篷，通過在730nm波長處完整還原反射光的相位，可以隱藏任意三維形狀的物體。這種皮膚斗篷由相位偏差分布的超材料組成，變更光的傳播路線實現(xiàn)隱身效果。 與塊狀斗篷的體積指數(shù)變化不同，Ni等研究的設(shè)備只有80nm厚，并且有隱藏宏觀尺度物體的潛能。

4.3.4 顏色也可以是光消失后的反應(yīng)

香港海洋公園展出一種全世界最大的蟹，可在300米的深海生活達100年之久，其鮮紅的外甲只是保護衣，因為在深海里根本看不見顏色。黑洞無法直接觀測，它強勁的引力場使進入其臨界點內(nèi)的物質(zhì)和輻射都無法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光也逃逸不出。

5 結(jié)束語

向日葵忠心耿耿盯著太陽，森林的藤蔓向上攀延是爭取光照權(quán)利。植物雖然沒有眼睛，也能感受光的存在及其強度，并加以利用。礦藏在光照下會加速演變，看似靜物卻含情。

人類對光的認識和應(yīng)用歷史悠久，但是仍在不斷探索和深化。除了百聞不如一見，虔誠的宗教信徒即便閉著雙眼也可在眉間感受天堂多彩的暖光。如果黑暗也是反面的光，那么光也分正光和負光嗎？視覺錯覺中也還有很多未解之迷。按照人類無窮探索的天性，基因工程應(yīng)用于海底動植物的改良，也許能把海底變成一個明亮的世界。問題在于，光的多少特性，才能滿足人類的欲望。

參考文獻

[1]陳斯紅，陳孫藝.光學的創(chuàng)新與實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學解讀[J].中國科技縱橫，2015（12）：209-210+212.

[2]蔣百川.基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究[J].科學網(wǎng)電子雜志.

[3]新華社.光動力飛行成為可能[N].羊城晚報，2015-6-21.

[4]CC.心情不好 圍巾會變色[N].羊城晚報，2015-11-24.

[5]羅會仟.量子世界的牽手穿越[J].科學網(wǎng)電子雜志.

[6]袁平.逆向工程技術(shù)的研究與工程應(yīng)用[D].昆明理工大學，2002.

[7]干江紅.基于無衍射光投影的三維形貌精密測量及應(yīng)用[D].華中科技大學， 2012.

[8]徐睿.光譜儀系統(tǒng)定標技術(shù)研究[D].中國科學技術(shù)大學，2013.

[9]Kim DH， Lu NS， Ghaari R， et al. Materials for mul-tifunctional balloon catheters with capabilities in cardiac electrophysiological mapping and ablation therapy[J]. Nature Material，2011，10（4）：316-323.

[10]Ko HC，Stoykovich MP，Song JZ，et al.A hemispherical electronic eye camera based on compressible silicon opto-electronics[J].Nature，2008，454： 748-753.

[11]Shin G，Jung I，Malyarchuk V，et al.Micromechanics and advanced designs for curved photodetect or arrays in hemi-spherical electronic-eye cameras[J].Small，2010，6（7）：851-856.

[12]Onoda M，Murakami S，Nagaosa N. Phys[J].Rev. Lett.，2004，94： 083901.

[13]Hosten O，Kwiat P G.Science[J].2008，319：787.

[14]Bliokh K Y，Niv A，Kleiner V，Hasman E.Nature Photonics[J].2008， 2：748.

[15]Nori F.Nature Photonics[J].2008，2：716.

[16]梁果，郭旗.具有線性各向異性的飽和非線性材料中的旋轉(zhuǎn)呼吸子[J].量子電子學報，2014，31（1）：121-122.

[17]陳佳利.光纖中可控快慢光的研究及應(yīng)用[D].華南理工大學，2014.

[18]中國微米納米技術(shù)學會.超薄可見光隱形皮膚斗篷[J].新科技快訊，2015，348（10）：1310-1314.

作者簡介：陳斯紅（1992，12-），女，廣東化州，在讀研究生，研究方向：電子物理。