李師群

(清華大學(xué)物理系，北京 100084)

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2015國際光年專欄

光學(xué)千年(四)
——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)一個概貌式的觀察.本文包括3個部分:(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.

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)

2.6 原子光學(xué)

原子光學(xué)(Atom Optics)是原子物理學(xué)與光物理學(xué)的交叉新領(lǐng)域，在這個新領(lǐng)域中,人們類似光學(xué)中處理光(光子)那樣來處理原子.原子光學(xué)這個新分支的形成只有30年左右的時間，相關(guān)文獻(xiàn)不像量子光學(xué)那樣浩瀚，目前直接標(biāo)名 “Atom Optics”的英文專著只見有文獻(xiàn)[76]，而直接標(biāo)名“原子光學(xué)”的中文專著也只見有文獻(xiàn)[77].想了解比本文詳盡點(diǎn)的基礎(chǔ)內(nèi)容的讀者可參考文獻(xiàn)[78].

從物質(zhì)粒子與光子在波粒二象性方面的對稱地位,我們很容易理解出現(xiàn)相應(yīng)的物質(zhì)粒子光學(xué)的必然性.實(shí)際上,電子光學(xué)已經(jīng)存在了相當(dāng)一段時間了(由于發(fā)展電子顯微鏡技術(shù)的需要),類似的研究還有離子光學(xué)、中子光學(xué)等.原子的“類光學(xué)”現(xiàn)象的研究最早應(yīng)該追溯到1929年斯特恩(O.Stern,1888—1969)等人所作的原子在金屬表面的反射和衍射實(shí)驗(yàn)[79],之后還有人研究過原子的偏轉(zhuǎn)、聚焦等問題.但是,由于技術(shù)控制中性的原子相對比較困難,而且在激光冷卻技術(shù)產(chǎn)生之前,原子的熱運(yùn)動速度都比較高,相應(yīng)的德布羅意波長非常短(室溫下,原子的λde～0.1nm),在一般空間尺度下波動性的體現(xiàn)很不明顯,所以那時能夠觀察的原子光學(xué)現(xiàn)象不多,難以形成一個學(xué)科.激光冷卻中性原子的技術(shù)出現(xiàn)之后,人們獲得了容易在一般空間尺度下觀察到原子波動性的原子源(～1mK時,原子的λde～100nm),另一方面人們也能方便地利用激光場控制原子的運(yùn)動,因此很快形成了被稱為原子光學(xué)的新領(lǐng)域.今天,原子的反射、折射、偏轉(zhuǎn)、聚焦、分束、干涉、衍射,原子波受激放大、原子波混頻等一系列過程都已經(jīng)過系統(tǒng)研究；已能設(shè)計和制造原子反射鏡、原子透鏡、原子分束器、原子光柵、原子波導(dǎo)、原子諧振腔、原子芯片(atom chip)等原子光學(xué)元件,而且一些特殊的原子光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置如原子阱(atomic trap )、原子干涉儀(atomic interferometer )、原子“ 噴泉”(atomic fountain)、原子激射器(atom laser)都有了較系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，原子光學(xué)已形成一個逐漸系統(tǒng)化并仍在發(fā)展著的學(xué)科[77].

在原子光學(xué)的發(fā)展過程中，人們是在掌握了操縱控制原子的方法和技術(shù)后，才利用這些方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)原子的“類光學(xué)”現(xiàn)象和過程從而進(jìn)行研究的.所以我們先了解一下這些操縱控制原子的方法和技術(shù)的原理.從物理上看，原子光學(xué)中主要利用3類與原子的相互作用來操縱、控制原子.

第一類是靜磁場、靜電場與原子的相互作用.原來原子雖然是電中性的，卻常有磁矩，因此在非均勻靜磁場中會受到力的作用；另外原子在靜電場中會感應(yīng)出相應(yīng)的電偶極矩,在非均勻靜電場中也會受到力的作用.設(shè)計出合適空間分布的靜電場或靜磁場,就能利用這類相互作用去控制原子.實(shí)際應(yīng)用中,靜磁場—原子相互作用應(yīng)用較多,例如磁原子阱、磁原子波導(dǎo)以及原子芯片等,是原子光學(xué)中重要的操控原子的手段.

第二類是光場與原子相互作用，這是原子光學(xué)中最為重要的一類相互作用.這一相互作用的理論和實(shí)驗(yàn)研究促進(jìn)了影響巨大的激光冷卻和捕陷中性原子技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，為我們提供了一整套精確操控原子的方法.最直接的成果是使人類實(shí)現(xiàn)了低至～ nK 的極低溫，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)家們幾十年夢寐以求的原子的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)，開創(chuàng)了超冷原子物理學(xué)這個新的研究分支.激光冷卻和捕陷中性原子技術(shù)另一個重要的貢獻(xiàn)就是它促進(jìn)了原子光學(xué)學(xué)科的興起和發(fā)展.3位激光冷卻研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物 Steven Chu、Claude Cohen-Tannoudji、William D.Phillips 因此榮獲1997年度的諾貝爾物理學(xué)獎.關(guān)于激光冷卻和囚禁原子技術(shù)的介紹近20年來已有很多評述文章，本文不再專門討論.想系統(tǒng)了解的讀者可參閱學(xué)術(shù)專著[80]、[81].

StevenChuClaudeCohen-TannoudjiWilliamD.Phillips

我們稍具體了解一下光場與原子的相互作用.把光場看成是高頻振蕩的電磁場,原子在這樣的場中的受力主要有兩類:一類被稱為散射力,或自發(fā)輻射力；另一類被稱之為偶極梯度力,或感應(yīng)輻射力.自發(fā)輻射力的方向與光波的波矢相同,因此可用來減速原子(光波波矢對著原子運(yùn)動的方向)，其大小具有共振性質(zhì)，并有飽和現(xiàn)象；偶極梯度力的方向取決于光強(qiáng)梯度和失諧，紅失諧時,力指向光強(qiáng)處；藍(lán)失諧時,力指向光弱處，其大小不具有飽和性質(zhì),且共振時為零.利用光場—原子相互作用,就可設(shè)計不同空間分布的光場來操控原子的運(yùn)動.實(shí)際應(yīng)用中,激光冷卻原子、光學(xué)粘膠、光阱、原子噴泉、衰逝光場原子阱、原子被光場的衍射和分束、原子在空芯光纖中的導(dǎo)引、空心光束導(dǎo)引……,都是基于這類相互作用實(shí)現(xiàn)的.

第三類是空間物質(zhì)結(jié)構(gòu)與原子相互作用.這是最初的原子“類光學(xué)”現(xiàn)象顯示(1929年斯特恩的原子在金屬表面的反射和衍射實(shí)驗(yàn))所依據(jù)的相互作用.特征尺度與原子的物質(zhì)波(德布羅意波)波長數(shù)量級相近的空間物質(zhì)結(jié)構(gòu),例如周期性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)(物質(zhì)“光柵”，常稱“機(jī)械光柵”(mechanical grating)),當(dāng)原子入射時會使原子的運(yùn)動按波衍射的規(guī)律變化.對于超冷原子,λde～100nm，現(xiàn)代的納米技術(shù)已能方便地制備這樣特征尺度的空間物質(zhì)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中用于原子干涉儀；人們還發(fā)展出了原子全息術(shù)(atom holography).需要說明的是，對這類相互作用基本是一種唯象的表達(dá)，原子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用深層次的描述是復(fù)雜的，會牽涉原子在物質(zhì)表面的受力和表面結(jié)構(gòu)的種種影響等.

下面我們轉(zhuǎn)入原子光學(xué)研究內(nèi)容的討論.如前所述，原子光學(xué)是比照光學(xué)來描述所研究的物理現(xiàn)象的，因此就有了諸如幾何原子光學(xué)、波動原子光學(xué)、量子原子光學(xué)、非線性原子光學(xué)、相干原子光學(xué)、暗束原子光學(xué)、光晶格原子光學(xué)、集成原子光學(xué)、單原子光學(xué)、應(yīng)用原子光學(xué)等等新分支和新術(shù)語[77].我們這里只對幾個主要的內(nèi)容作扼要的了解.

(1)幾何原子光學(xué)和波動原子光學(xué).在幾何原子光學(xué)現(xiàn)象研究中,原子整體的運(yùn)動可以看成是經(jīng)典粒子的運(yùn)動,而不必計及原子運(yùn)動的波動性,因此只須分析清楚原子的受力情況,將原子質(zhì)心運(yùn)動用經(jīng)典力學(xué)的方程描述即可.原子反射,原子束偏轉(zhuǎn)、準(zhǔn)直、聚焦,原子漏斗(atomic funnel)、多普勒冷卻,一般的原子阱等,都屬于這類研究.在波動原子光學(xué)研究中,必須計及原子整體運(yùn)動的波動性,即德布羅意波動性,類似波動光學(xué)那樣來分析原子物質(zhì)波的行為.原子衍射、原子干涉、原子光柵、原子波導(dǎo)、原子全息等都屬于這類研究.波動原子光學(xué)研究中原子干涉儀具有極重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究意義和實(shí)際應(yīng)用前景，一直是原子光學(xué)中的重要研究方向[77].

(2)量子原子光學(xué).如果原子整體的質(zhì)心運(yùn)動的量子性狀不再能忽略,必須考慮原子平動動能態(tài)的量子化時,這樣的物理過程就是量子原子光學(xué)的研究對象.一般超冷原子系統(tǒng)的德布羅意波長大于相應(yīng)共振躍遷的光波長時,實(shí)驗(yàn)就進(jìn)入了這樣的分類區(qū).這樣的例子有玻色-愛因斯坦凝聚(BEC),費(fèi)米原子量子簡并、原子物質(zhì)波放大,原子激射器(atom laser)等.類似量子光學(xué)發(fā)展中首先建立起光的量子相干理論，在量子原子光學(xué)中也首先關(guān)注到原子物質(zhì)波的相干性，特別是1995年原子的BEC實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)[82]以后.

BEC是指處于簡并量子態(tài)的玻色系統(tǒng)，通常是用激光冷卻、蒸發(fā)冷卻等技術(shù)使玻色原子系統(tǒng)的溫度低到某個臨界溫度以下，宏觀數(shù)量的玻色原子就“凝聚”到最低的量子態(tài)形成BEC.BEC形成時原子的德布羅意波長將大于原子之間的距離.目前國際上已有眾多實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了多種原子體系的BEC,包括我國的好幾個實(shí)驗(yàn)室[77].BEC是物理學(xué)中的一大進(jìn)展，因此2001年最初實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)BEC的 Eric A.Cornell、Wolfgang Ketterle、Carl E.Wieman 榮獲諾貝爾物理學(xué)獎.BEC研究的重要性很多物理學(xué)家都有評述，其中德國物理學(xué)家漢斯(2005年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者)的評價十分貼切，他說:“It is like a door that has opened to a new world !” 費(fèi)米原子系統(tǒng)的情況與玻色原子不同，隨著溫度降低，由于泡利不相容原理費(fèi)米原子不會宏觀占據(jù)在一個態(tài)上去，量子簡并是指每態(tài)允許一個粒子直到費(fèi)米能級.近年來已在好幾個費(fèi)米原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了量子簡并[77].原子激射器(atom laser)是類比光激射器(激光器)取名的,激光器發(fā)射的是相干的光波,而原子激射器發(fā)射的是相干的物質(zhì)波，原子激射器也可以說是一個相干原子束發(fā)生器(coherent atomic beam generator),相干性是其基本特征.實(shí)際中將BEC原子從原子阱中釋放出來即形成了一個原子激射器.

EricA.CornellWolfgangKetterleCarlE.Wieman

量子原子光學(xué)中除關(guān)注原子物質(zhì)波的相干性外，還對原子整體運(yùn)動的若干特殊量子態(tài)進(jìn)行研究，例如原子糾纏態(tài)、原子自旋壓縮態(tài)、原子EPR態(tài)等等.量子原子光學(xué)還對BEC的光散射、BEC中超流—Mott絕緣態(tài)量子相變等現(xiàn)象進(jìn)行了研究[77].

(3)非線性原子光學(xué).非線性原子光學(xué)研究的是原子物質(zhì)波中的非線性效應(yīng)，這類研究也是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的，特別是原子激射器出現(xiàn)以后.由于原子物質(zhì)波的非線性效應(yīng)本質(zhì)上起源于原子之間的相互作用，而這類相互作用是非線性的,故產(chǎn)生出非線性原子光學(xué).相比起來，那些原子間的相互作用可以忽略、每個原子都是獨(dú)立地與外場相互作用的過程的研究，也就被歸劃為線性原子光學(xué).

已得到較系統(tǒng)研究的非線性原子光學(xué)現(xiàn)象有原子物質(zhì)波孤子、原子物質(zhì)波四波混頻、原子物質(zhì)波超流、渦旋(vortex)、原子物質(zhì)波超輻射等[77].

(4)介觀原子光學(xué).介觀原子光學(xué)是在介觀尺度上研究對原子的精微操控并將其用于建造一些介觀原子器件的分支學(xué)科,因此又有人稱之為空間微結(jié)構(gòu)原子光學(xué).介觀原子光學(xué)最重要的成就是原子芯片(atom chip)的成功設(shè)計和制造.所謂原子芯片,就是應(yīng)用集成在基片上的微器件,來操縱被控制在非常貼近基片的中性原子的新型器件.這些被集成的微器件是一些微電流結(jié)構(gòu)(線度在10μm 左右)、微帶電結(jié)構(gòu)、微小光路等,它們形成微型原子阱、原子波導(dǎo)、原子分束器、原子干涉儀、原子微團(tuán)陣列…….所有這些微器件集成在幾個平方毫米的面積內(nèi),工作在超高真空的氣室中,已可用來進(jìn)行一些初步的量子信息處理工作.這里信息的載體是中性的超冷原子,不再是傳統(tǒng)集成電路中的電子、集成光路中的光子,因此也有人稱這個分支領(lǐng)域?yàn)榧稍庸鈱W(xué).由于超冷原子的新的特性,在信息的存儲方面顯示一些獨(dú)特之處,因此原子芯片技術(shù)也許將會成為一種新技術(shù)的發(fā)展之路的起點(diǎn).從物理上看,原子芯片是介觀的物質(zhì)波集成器件,因此它也是原子的量子器件.原子芯片技術(shù)的發(fā)展需要量子物理、量子統(tǒng)計的基礎(chǔ)性指導(dǎo),當(dāng)然這也必然會將很多新現(xiàn)象、新問題提供到基礎(chǔ)理論面前,反過來促進(jìn)、推動量子物理學(xué)的發(fā)展.

2.7 納米光學(xué)

納米光學(xué)(nano-optics)是一個新的光學(xué)分支.在納米光學(xué)中人們研究光在超越衍射極限限制的納米尺度空間中的行為，以及納米級物質(zhì)與光的相互作用.納米光學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展是由迅速發(fā)展的納米科學(xué)技術(shù)所推動的.人類進(jìn)入了越來越小的空間尺度，新的物理效應(yīng)可能被發(fā)現(xiàn)，還可能催生出新的先進(jìn)技術(shù)，納米光學(xué)應(yīng)運(yùn)而生.納米光學(xué)的中心任務(wù)之一是將光學(xué)的理論和技術(shù)擴(kuò)展到納米尺度；納米光學(xué)也打開了新的對納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究之門，人們已成功地制備出不同的人工納米結(jié)構(gòu)，它需要合適的手段在這樣的尺度去表征、操控.納米光學(xué)是一個新的光學(xué)領(lǐng)域，雖然每年的研究文章不少，但系統(tǒng)、基礎(chǔ)性的專著或教科書卻還少，想系統(tǒng)了解納米光學(xué)內(nèi)容的讀者可閱讀文獻(xiàn)[83].

納米光學(xué)的最初起步是發(fā)展突破衍射極限限制的高分辨率光學(xué)成像方法.兩個主要的研究方向開辟了新的道路，一是所謂近場光學(xué)(near-field optics)和近場光學(xué)顯微鏡的研究,另一個是共焦顯微鏡(confocal microscopy)和非線性光學(xué)顯微鏡的研究.

近場光學(xué)是納米光學(xué)發(fā)展的先聲，近場光學(xué)顯微鏡最先突破光的衍射極限限制.近場光學(xué)研究亞波長(subwavelength)尺度內(nèi)局域的、非傳播的非均勻場及其與物質(zhì)的相互作用[84].在此之前，這類局域在輻射源或物質(zhì)表面近旁波長范圍內(nèi)的所謂光學(xué)近場沒有受到足夠的重視，近場光學(xué)顯微鏡原理的提出和發(fā)展打開了新的局面.

回顧一下近場光學(xué)顯微鏡原理的提出是十分有趣的，它涉及一個極少人知道的以色列人辛格(E.H.Synge,1890—1957)和幾乎沒有人不知道的偉大的愛因斯坦.1928年春 Synge寫信給愛因斯坦，提出了一個大膽的突破光的衍射極限限制的成像方案[84].在他附有草圖的方案里，他建議使用從一個尺度很小于波長的微小金粒子散射的光作為光源，貼近觀察物，以實(shí)現(xiàn)分辨率突破光的衍射極限成像.信中辛格指出:“通過該方法目前顯微鏡分辨能力的理論限制看來可以完全除去，一切取決于技術(shù)的精細(xì)”[84].愛因斯坦10天內(nèi)就給予了回復(fù)，信中肯定辛格的思路基本正確，但懷疑由于全內(nèi)反射造成背景很亮實(shí)際上不可能實(shí)施；愛因斯坦建議使用貼近觀察物的不透明屏，通過屏上微孔的光作為光源.辛格5天后回信說:“如你的建議一樣，我原來也有這樣的想法……一個更好的辦法可能是，如果可以構(gòu)建一個如金字塔的石英玻璃小錐，它有10-6cm量級的尖點(diǎn)，在外鍍上合適的金屬，然后去除尖點(diǎn)上的金屬使其剛剛露出來……”.辛格這里提出的辦法幾乎成了后來制造近場光學(xué)顯微鏡中孔徑探測的最標(biāo)準(zhǔn)的方法.5天后愛因斯坦回信建議辛格在科學(xué)期刊上發(fā)表他的想法，同時強(qiáng)調(diào)相關(guān)的技術(shù)實(shí)際執(zhí)行的困難.來自權(quán)威學(xué)者的鼓勵起了決定性的推動，催生了第一篇近場光學(xué)顯微鏡原理論文的問世[85].但直到50多年后，辛格的愿望才終于被人實(shí)現(xiàn)，1982年Dieter Pohl及其同事記錄了超越衍射極限分辨率的第一次光頻區(qū)掃描成像[86].在這之前，實(shí)際已有人完成了聲波頻段(1956年)和電磁微波頻段(1972年)的超越衍射極限分辨率的實(shí)驗(yàn)演示[84].辛格還有許多其他的想法也富有遠(yuǎn)見，1932年他曾建議選用壓電石英晶體快速和精確地掃描樣本，這個主意也在50年后出現(xiàn)的掃描隧道顯微鏡(STM)技術(shù)中成為關(guān)鍵的一環(huán).歷史證明，最初辛格提出的近場光學(xué)顯微鏡原理是可行的.現(xiàn)在，各種掃描近場光學(xué)顯微鏡已成為一類重要的儀器應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域中.

另一個突破衍射極限限制的高分辨率光學(xué)成像的研究方向發(fā)展得更是風(fēng)風(fēng)火火.基于共焦成像原理(即觀察物點(diǎn)和探測器窗孔分別處于物鏡兩側(cè)的焦點(diǎn)上)的各類非線性光學(xué)顯微鏡(特別是熒光顯微鏡、多光子顯微鏡)、定位顯微鏡(localization microscopy)都實(shí)現(xiàn)了突破衍射極限的高分辨率成像，甚至達(dá)到納米量級的空間分辨率.2014年諾貝爾化學(xué)獎獎勵的光激活定位顯微術(shù)(photoactive localization microscopy——PALM)和受激發(fā)射損耗術(shù)(stimulated emission depletion——STED)就是對這個方向研究的肯定.人們終于發(fā)展出分辨能力達(dá)到納米量級的超分辨熒光技術(shù)，可算得實(shí)現(xiàn)了“顯納鏡”[87].雖然這次是化學(xué)獎，獲獎的3位領(lǐng)軍人物 E.Betzig,S.Hell,W.E.Moerner卻都是物理學(xué)博士.有關(guān)這次諾貝爾獎的更詳細(xì)的介紹，除文獻(xiàn)[87]外，讀者還可參閱文獻(xiàn)[88].談到這個方向的研究，我們不得不提到哈佛大學(xué)的中國學(xué)者莊小威同時期發(fā)展的隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微術(shù)(stochastic optical reconstruction microscopy——STORM)，該方法與光激活定位顯微術(shù)基本思想非常相似，也達(dá)到同樣高的分辨能力，應(yīng)是諾貝爾獎量級的研究工作.

EricBetzigStefanHellWilliamE.Moerner

回顧納米光學(xué)產(chǎn)生的背景和早期的研究領(lǐng)域我們看到，是納米科學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展給光學(xué)科學(xué)家提供了新的研究空間，提出了新的研究需求，推動了納米光學(xué)的產(chǎn)生；是人類對精細(xì)空間分辨率的持久追求，驅(qū)動學(xué)者們探求突破衍射極限限制的高分辨率光學(xué)成像方法，描繪出了納米光學(xué)最初的美麗圖畫.

自1992年第一次近場光學(xué)的國際會議以來，逐步形成了以近場光學(xué)為先聲的納米光學(xué).大量有獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)材料和器件，如光子晶體(photonic crystals)、超構(gòu)材料(metamaterials)、單光子源、光學(xué)微腔、光學(xué)天線(optical antennas)等被研究，結(jié)合超分辨的探測、表征技術(shù)，裝點(diǎn)著這個豐富多彩、日新月異的研究領(lǐng)域.

我們先從物理學(xué)的角度審視一下這個新領(lǐng)域.首先是納米尺度空間中的光是否遵循我們熟知的物理基本定律.考察描述光的基本定律(電磁的、量子的)的適用范圍，納米尺度是沒有問題的，因此用已有物理定律描述納米尺度的光學(xué)有完全的物理意義.一般情況下我們用電磁方程來描述納米尺度空間中的光(盡管這時空間的尺度已遠(yuǎn)小于光的波長)，只在光與很小的對象(分子、量子點(diǎn)……)相互作用時采用量子的描述，因此納米光學(xué)的理論架構(gòu)最常見的是半經(jīng)典理論的形式.由于納米光學(xué)中光場最普遍的情況是光學(xué)近場，相應(yīng)波矢有純虛的分量，因此是局域的、非傳播的非均勻場(只要波矢是復(fù)數(shù)矢量，對應(yīng)的波就是非均勻波，非均勻平面電磁波的等相面與等幅面不相重合).納米光學(xué)中起著中心作用的光學(xué)近場是所謂隱失場(evanescent field),它對理解局域在亞波長空間中的光場很重要，在與物質(zhì)相互作用時隱失場有可能轉(zhuǎn)化成可傳播的輻射[83].納米尺度范圍內(nèi)光與物質(zhì)的相互作用是納米光學(xué)的核心，這類相互作用常依賴于多種因素，例如納米結(jié)構(gòu)材料的原子組成、材料結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸、輻射場的頻率和強(qiáng)度等.由于納米結(jié)構(gòu)材料的復(fù)雜性，人們常不得不用唯象的經(jīng)典理論來處理[83].

有了這樣一些基本的物理認(rèn)識，下面我們扼要巡視一下除了前面已提到的超分辨率光學(xué)成像術(shù)這一大塊之外，納米光學(xué)的其他一些主要研究內(nèi)容.

首先是光子晶體的研究.光子晶體(photonic crystal)是一種周期性(周期在波長量級)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，即介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ是空間的周期函數(shù)的光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料.光子晶體的研究不全在納米尺度范圍，但大量最有意義的研究都屬于納米光學(xué)領(lǐng)域.光子晶體的概念是1987年由E.Yablonovitch和S.John各自獨(dú)立提出的[89].倆人后來一起同意使用術(shù)語“photonicbandgap”(光子帶隙)材料和“photoniccrystal”(光子晶體)來稱呼他們建議的材料[90].這樣的稱呼有明確的物理類比含義:首先是光在周期性的電介質(zhì)中傳播有如普通晶體中的電子在原子點(diǎn)陣的周期勢場中的運(yùn)動；其次理論分析顯示在周期性的電介質(zhì)中光的傳播會有一些頻率被禁止，有如普通晶體中的電子的能帶會有“badgap”一樣.

光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖 (a)一維；(b)二維；(c)三維

20世紀(jì)90年代是光子晶體研究的黃金時代，各種各樣的周期電介質(zhì)結(jié)構(gòu),也就是光子晶體被提出，包括一維、二維、三維的，各種形狀電介質(zhì)組成的，各種點(diǎn)群結(jié)構(gòu)的(如面心立方、體心立方……)，各種電磁波段( 微波、遠(yuǎn)紅外、紅外、可見光、紫外)的等；同時相應(yīng)光子能帶都被計算出；還研究了由于周期性破缺導(dǎo)致的“摻雜”“缺陷”，以及光子晶體環(huán)境中的微觀物理過程(如光的局域化、原子自發(fā)輻射抑制等)等.另一方面，人們努力尋找可能的設(shè)計方案和技術(shù)手段去制作不同電磁波段的光子晶體材料，發(fā)展了各種光子晶體的制備技術(shù)，包括最初的微波區(qū)光子晶體的直接打孔法[91]，到后來的微電子工藝中的電子束直寫技術(shù)和半導(dǎo)體干法刻蝕技術(shù)、化學(xué)自組裝與反填充技術(shù)、半導(dǎo)體納米制備技術(shù)等，各種光子晶體被制備出來；進(jìn)一步大量光子晶體的應(yīng)用被研發(fā)，光子晶體波導(dǎo)、光子晶體光纖、光子晶體超透鏡、光子晶體微腔、光子晶體激光器等被研制出[92]…….這段期間光子晶體的理論實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用方面的研究均取得了很大進(jìn)展，所以1999年著名的美國《Science》期刊將光子晶體研究評為當(dāng)年的10大科技進(jìn)展之一.科技界這么高度的重視光子晶體研究是有道理的，只要想想天然的晶體實(shí)際很難改變什么，而光子晶體我們可以隨意設(shè)計它的各種參數(shù)，從而達(dá)到用于控制光的目的，我們就不會奇怪了.

各種橫斷面的光子晶體光纖

光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)(supercontinuum)光

光子晶體研究是一個很廣博的領(lǐng)域，我們不可能在本文中歷數(shù)該領(lǐng)域的方方面面，這里只對光子晶體光纖的研究略作展開，以通過一個方面的事例給讀者以較為具體的認(rèn)識.光子晶體光纖是1995年左右出現(xiàn)的.將周期性結(jié)構(gòu)做到光纖的芯里去，使光纖的橫斷面呈現(xiàn)周期結(jié)構(gòu)，這樣的光纖就是光子晶體光纖(沿光纖軸線方向引入折射率周期調(diào)制叫光纖布拉格光柵(fiberBragggrating),不是這里說的光子晶體光纖).光在光子晶體光纖中的橫向局限有兩種情況，一種像普通光纖那樣主要靠芯的折射率與包層的折射率不同來局限，設(shè)計的周期性結(jié)構(gòu)是形成更低的有效包層折射率；另一種是靠設(shè)計的周期性結(jié)構(gòu)形成“光子帶隙”來橫向局限光[93].兩種光子晶體光纖橫斷面周期結(jié)構(gòu)很不同，一般前一種實(shí)心部分較大，后一種空心部分較大，有不同的光學(xué)特性，因此應(yīng)用方向不同.例如，前一種光子晶體光纖中非線性光學(xué)效應(yīng)可以很強(qiáng)，常用于將飛秒(fs)超短光脈沖的頻譜展寬，甚至形成含可見光主要頻譜的所謂超連續(xù)(supercontinuum)光，用于光頻梳中.后一種比較合適用于高功率光的傳輸、光纖激光器和放大器、光纖傳感器等.

接著我們扼要了解一下所謂超構(gòu)材料(Metamaterials)的研究，這是最近十多年才發(fā)展起來的一個很新的研究方向.Metamaterials是指人工構(gòu)建的、具有天然材料不具備的特性和功能的電磁結(jié)構(gòu)材料.它可以是非周期結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)單元(“人造原子”)的尺寸小于電磁波長.Metamaterials的提出(1999年)受所謂左手材料(left-handedmaterials)研究的啟示，同時左手材料也是metamaterials研究中的重要一種.原來，1968年蘇聯(lián)科學(xué)家V.G.Veselago(1929—)提出一種假想的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為負(fù)數(shù)的介質(zhì)，理論上在這種介質(zhì)中電場、磁場以及波矢三者成左手螺旋關(guān)系，不象通常介質(zhì)中那樣成右手螺旋關(guān)系，因此稱這種假想的介質(zhì)為左手材料(也叫負(fù)折射率材料).左手材料中電磁波的傳播有諸多特殊狀況，例如相速與能流方向相反、負(fù)折射(即折射線與入射線在界面法線的同側(cè))、逆多普勒效應(yīng)、逆切倫可夫輻射等[94].至今，未在自然界發(fā)現(xiàn)這種ε和μ都為負(fù)數(shù)的物質(zhì).在Veselago的文章沉寂30多年后，1996年起英國人J.B.Pendry(1943—)等提出可用開口金屬環(huán)陣列、平行的金屬桿陣列在微波頻段分別得到負(fù)的等效磁導(dǎo)率和負(fù)的等效介電常數(shù).2001年首次在用類似上述兩種結(jié)構(gòu)的周期陣列人工構(gòu)建的組合材料中，觀察到了微波頻段的負(fù)折射現(xiàn)象[95]，左手材料研究迅速成為科學(xué)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，各類人工左手材料被設(shè)計、構(gòu)建出來并演示，2003年被美國著名的《Science》雜志評為當(dāng)年的10大科技進(jìn)展之一.

首次顯示負(fù)折射的微波頻段左手材料(開口金屬環(huán)尺寸3～4mm)

光學(xué)頻段左手材料的掃描電鏡圖

微波頻段 metamaterial cloak(取自文獻(xiàn)[96])

光學(xué)頻段 metamaterial

左手材料的研究啟發(fā)人們探索新的人工微結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計，使得相應(yīng)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率(εeff,μeff)不同于自然界的物質(zhì)，因此能具有天然物質(zhì)所沒有的電磁性質(zhì)，得到天然物質(zhì)所沒有的控制其中傳播的電磁波的功能.這就是metamaterials研究的目標(biāo).在這些努力中，給人印象最深的就是所謂電磁隱身(electromagneticcloak)了.2006年，D.R.Smith等人報道了他們的微波頻段二維隱身實(shí)驗(yàn)[96].他們利用各向異性的金屬開口諧振環(huán)(SRRs)陣列設(shè)計構(gòu)建成一個“隱身衣”，當(dāng)將一個銅圓柱體放在其中時，微波通過象自由空間一樣，基本感受不到銅圓柱體的存在，而一旦拿去“隱身衣”，微波照射清楚地顯示出銅圓柱體的存在.美國著名的《Science》雜志將這個神奇的metamaterialcloak研究評為當(dāng)年的10大科技進(jìn)展之一.

在探索如何設(shè)計具有天然物質(zhì)所沒有的電磁性質(zhì)和功能的metamaterial的道路上，一個很有意義的突破是英國人Pendry等人提出的變換光學(xué)(transformayionoptics)[97].變換光學(xué)的基本思想基于麥克斯韋方程組對坐標(biāo)變換的協(xié)變性，坐標(biāo)空間變換時，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率也將按協(xié)變性規(guī)律成為空間函數(shù).按要設(shè)計的材料的幾何特點(diǎn)選定一個合適的坐標(biāo)變換，由原來的普通空間轉(zhuǎn)換到變換空間，因此可計算出一套介電函數(shù)和磁導(dǎo)率函數(shù)，建構(gòu)等效具有這種電磁性質(zhì)函數(shù)的人工微結(jié)構(gòu)(所謂物理空間)，就得到了所需的metamaterial.前述微波“隱身衣”實(shí)驗(yàn)的成功就是對變換光學(xué)方法的支持.

基于變換光學(xué)設(shè)計“隱身衣”的示意圖(取自文獻(xiàn)[97])

Metamaterials研究除了設(shè)計方法的探索外，很重要的一部分研究是所設(shè)計出的人工微結(jié)構(gòu)的制備和建構(gòu)，特別是光學(xué)頻段的metamaterials.就像光子晶體的情況一樣，metamaterials(左手材料是其中一類)的研究不全在納米尺度范圍，但大量最有意義的研究都屬于納米光學(xué)領(lǐng)域.光學(xué)頻段的metamaterials的制備手段一維、二維的主要是電子束刻蝕(electronbeamlithography)，規(guī)模大的用干涉光刻法(interferencelithography)，三維的要進(jìn)行多個刻蝕好的功能層的堆積.由于納米技術(shù)的進(jìn)步，很多新的技術(shù)不斷應(yīng)用來制備這類納米微結(jié)構(gòu)，有進(jìn)一步興趣的讀者可參閱文獻(xiàn)[98].

第三個我們要了解的納米光學(xué)的研究內(nèi)容是納米等離子激元學(xué)(nanoplasmonics).在這個領(lǐng)域里研究金屬納米顆粒和納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)取決于金屬晶格環(huán)境中電子的振蕩.納米等離子激元學(xué)的重要性可以從兩個因素看出，一是由于納米尺度物質(zhì)的存在導(dǎo)致光場的局域和增強(qiáng)，二是金屬納米顆粒的本征振蕩的頻率正好處于從紫外到紅外的光學(xué)頻區(qū)[99](見下圖，取自文獻(xiàn)[99]).

金屬由于有豐富的自由電子，很早就有人關(guān)注其電磁性質(zhì)(例如1900年P(guān).Drude(1863—1906)的自由電子模型得到金屬的介電函數(shù))，但對納米光學(xué)最有意義的進(jìn)步還是1956年D.Pines提出“plasmon”(等離子激元)后開始的.他基于當(dāng)時的快電子穿過金屬片能量損失的實(shí)驗(yàn)，理論上用金屬內(nèi)的自由電子的集體振蕩(即plasmon)來說明.緊接著R.Ritchie在1957年進(jìn)一步分析快電子穿過金屬片能量損失的實(shí)驗(yàn)后，指出除了金屬體內(nèi)的自由電子集體振蕩模式，還存在金屬表面的電子集體振蕩模式[100]；3年后的1960年C.J.Powell等人用實(shí)驗(yàn)清楚顯示了金屬表面的電子集體振蕩的存在[101]，同時E.A.Stern等人理論上正式用“surfaceplasmon”(SP)來描述這種電子集體振蕩[102]，表面等離子激元的研究序幕開啟.但SP的研究高潮是在1968年由A.Ott和E.Kretschmann提出新的全反射棱鏡光學(xué)激發(fā)技術(shù)[103]后才掀起的，這種光學(xué)的激發(fā)技術(shù)當(dāng)然遠(yuǎn)比原來的快電子穿過技術(shù)方便.很快，1970年金屬納米顆粒奇特的光學(xué)性質(zhì)用SP得到說明[104]；稍后，基于SP的表面增強(qiáng)拉曼散射(surfaceenhancedRamanscattering-SERS)1974年被觀察到[105]；同年，認(rèn)識到電子集體振蕩與電磁場耦合的重要性，S.L.Cunningham等人提出了表面等離子極化激元(surfaceplasmonpolariton-SPP)來表示這種耦合[106].后面的發(fā)展開始出現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用和新現(xiàn)象的揭示，例如1991年基于表面等離子共振(SPR)的生物傳感器，1997年納米尺度金屬光波導(dǎo)，1998年金屬膜上亞波長微孔陣列的反常透射，2001年的金屬薄膜完美透鏡(perfectlens),2009年的納米激光器(nanolaser)等.這些進(jìn)展在1999—2001年間引出了一個新的分支學(xué)科——等離子激元學(xué)(plasmonics).有關(guān)這些進(jìn)展的介紹，除文獻(xiàn)[99]外，還可參考文獻(xiàn)[107].

金屬納米顆粒的的透射電鏡像(上)及散射光譜(下)

我們有必要對上述發(fā)展簡史中提到的物理概念和術(shù)語略作說明.首先是plasmon，即等離子激元,原本指金屬中自由電子密度集體振蕩的量子，但通常也就用來表示自由電子密度的集體振蕩[83]；這種集體振蕩可在金屬體內(nèi)(bulkplasmons，振蕩頻率即是等離子頻率)，也可在金屬表面，后者即為重要的表面等離子激元(surfaceplasmons(SP)，振蕩頻率小于等離子頻率).若金屬的尺度小到納米量級(即納米顆粒),這兩類等離子激元的明確界限將消失[107]，而表現(xiàn)為金屬納米顆粒的SP，具有由顆粒的大小、形狀、金屬種類、周圍環(huán)境決定的共振頻率(見左上方的圖).SP會有光學(xué)近場增強(qiáng)效應(yīng)，金屬表面的局域電磁場振幅大大加強(qiáng)，不論是一般平面表面，還是納米顆?；蚱渌{米結(jié)構(gòu)的表面[107].金屬中的自由電子密度集體振蕩與表面附近的電磁波相互耦合一起被稱為表面等離極化激元(SPP).文獻(xiàn)中常最關(guān)注金屬表面附近SPP的電磁波,它被局限在金屬表面并沿著表面?zhèn)鞑?，而在垂直于界面的方向上，金屬外、?nèi)的場強(qiáng)均呈指數(shù)衰減(衰減指數(shù)不同，金屬內(nèi)衰減很快)，屬于隱失波，因此SPP波是非均勻電磁波，而且在界面附近發(fā)生局域場強(qiáng)增強(qiáng)，導(dǎo)致SPP對表面環(huán)境非常敏感.

金屬和電介質(zhì)界面處SPP示意圖

金屬/電介質(zhì)界面納米尺度空間、金屬納米顆?；蝾w粒陣列、納米金屬線(條帶)及其組合、金屬膜上納米孔陣列、金屬納米槽波導(dǎo)、其他金屬納米結(jié)構(gòu)等是這個領(lǐng)域主要的研究對象，都會涉及SP、SPP和SPR，衍生出各種納米光學(xué)現(xiàn)象和應(yīng)用.近年來，由于這些應(yīng)用的潛在價值，基于SP、SPP和SPR的納米光學(xué)研究得到了廣泛的關(guān)注，不論是在基礎(chǔ)研究層面，還是在技術(shù)應(yīng)用層面.

我們略舉幾例以作說明.首先是關(guān)于金屬納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)的深入研究.前面已提到，金屬納米顆粒因其尺度遠(yuǎn)小于波長，外加電磁場可穿透其內(nèi)部，自由電子產(chǎn)生位移振蕩形成SP.這種振蕩具有強(qiáng)烈依賴顆粒的大小、形狀、金屬種類、周圍環(huán)境的共振頻率，因此含有不同金屬納米顆粒的材料(玻璃、膠體等)會顯示豐富多彩的顏色.著名的RomanLicurgusCup(公元4世紀(jì)羅馬人制造，現(xiàn)存大英博物館)就是一例.這個杯用白光照射時看到的是綠色，當(dāng)光源從杯中照射時，透射光卻變成紅色.原來這杯的玻璃中含有大約70nm大 小 的 金 屬 微 晶，其 中 金和銀的比例約為14∶1，正是這些金屬納米顆粒的存在使得Licurgus杯具有這種神奇迷人的色彩顯示[108].當(dāng)然金屬納米顆粒的SPP研究決不只其光學(xué)性質(zhì)，其共振特性和表面場增強(qiáng)效應(yīng)、金屬納米顆粒非線性、金屬納米顆粒陣列等都展開了研究.

Licurgus杯散射光成綠色(左)透射光成紅色(右)

另一個例子是SPR在生物傳感方面的應(yīng)用.統(tǒng)計表明，所有與SP相關(guān)的文獻(xiàn)中，大約一半都涉及SP用于生物探測[107].SPR裝置的核心是鍍金屬膜的全反射棱鏡，被檢測的樣品放在金屬膜外的介質(zhì)中(生物樣品常在載液中流過).激光以超過臨界角的角度在棱鏡內(nèi)射到金屬膜，激發(fā)SPP電磁表面波，它被強(qiáng)烈局域在金屬表面近旁，沿著界面?zhèn)鞑デ掖怪庇诮缑娣较蛑笖?shù)衰減.光電探測器接收反射光，對確定波長在特定入射角度時反射光有一個劇烈下降，SPR現(xiàn)象發(fā)生，這是由于光能量轉(zhuǎn)移給SPP,最后被金屬吸收導(dǎo)致的.表面波對金屬表面外介質(zhì)的折射率的變化極為敏感，這樣的變化可能導(dǎo)致入射光的共振波長的偏移，反射光強(qiáng)度的改變，或者入射光共振角的改變.這種改變的幅度定量地與金屬表面外介質(zhì)折射率改變的幅度有關(guān)，因此介質(zhì)中樣品的不同可以靈敏地檢測出來.SPR可用于不同類型樣品的檢測，樣品可以是氣態(tài)，液態(tài)或固態(tài)的，已在化學(xué)和生物領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.

表面等離子共振(SPR)原理示意圖

我們再簡要討論一下金屬表面的局域電磁場增強(qiáng)效應(yīng)及其應(yīng)用.金屬表面場增強(qiáng)是由金屬界面的電磁場界面關(guān)系就可得出的[83]，因此這個增強(qiáng)是與金屬的表面等離子激元緊密相關(guān)的，不論對平的金屬表面，還是金屬納米顆?；蚱渌饘偌{米結(jié)構(gòu)的表面都是這樣.人們很快想到這種增強(qiáng)可以用來提高金屬表面處附著的分子和電磁場相互作用的程度，其中最突出的例子是表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS).SERS是一種表面敏感技術(shù)，吸附在化學(xué)粗糙金屬表面的分子拉曼散射的增強(qiáng)因子可以達(dá)到1014，這使得該技術(shù)可足夠靈敏地檢測出單個分子.目前在解釋SERS時,仍然沒有一個滿意的完整闡明這個效應(yīng)的所有根源的理論.可以肯定的是，對拉曼信號巨大增強(qiáng)最大貢獻(xiàn)的是粗糙金屬表面(10～100nm粗糙度)電場的增強(qiáng).基本的分析指出，拉曼增強(qiáng)因子正比于電場增強(qiáng)因子的4次方[109].已經(jīng)明確，除了這類被叫做電磁增強(qiáng)的因素外，一般認(rèn)為還有一種被稱為化學(xué)增強(qiáng)的因素，是由于分子靠近金屬環(huán)境有變，因此拉曼截面變化所致.已建立的理論模型表明，由于拉曼截面變化導(dǎo)致的最大增強(qiáng)量級在102[109].SERS可用于研究吸附在金屬表面的分子的振動特性，得到分子的結(jié)構(gòu)信息，以及與局域區(qū)的相互作用，已在分子傳感和生物領(lǐng)域引起特別的研究興趣.

金屬表面的局域電磁場增強(qiáng)效應(yīng)當(dāng)然也會導(dǎo)致其他分子輻射過程以及表面非線性過程的增強(qiáng)，例如表面增強(qiáng)紅外吸收(增強(qiáng)因子104)、表面增強(qiáng)熒光(增強(qiáng)因子102)、表面增強(qiáng)和頻(增強(qiáng)因子104)、表面增強(qiáng)倍頻(增強(qiáng)因子104)等，這些與表面等離子激元緊密相關(guān)的增強(qiáng)現(xiàn)象都得到了細(xì)致的理論和實(shí)驗(yàn)研究.我們看到在所有的增強(qiáng)現(xiàn)象中，SERS因其巨大的增強(qiáng)因子而特別引人注目.

在納米等離子激元學(xué)中我們最后提一下亞波長微孔陣列金屬膜的反常透射和表面等離子激元波導(dǎo)，這都是這個領(lǐng)域中激動人心的研究課題.1998年以來人們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光束通過亞波長微孔陣列的金屬薄膜時，在特定的頻率處會出現(xiàn)異常的透射增強(qiáng)效應(yīng),人們把這種現(xiàn)象歸因于SPP與表面周期性結(jié)構(gòu)的共振相互作用，這種異常的透射增強(qiáng)效應(yīng)只能出現(xiàn)在低于膜材料的等離子體頻率的頻段內(nèi).現(xiàn)今，常常把某種材料膜上微孔陣列顯現(xiàn)反常透射看成已在這種材料中激發(fā)出SPP的證據(jù)(例如半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、導(dǎo)電高分子材料等).SPP波導(dǎo)是另一個有趣的課題，因?yàn)檫@一研究使光的導(dǎo)引能在納米尺度的器件里進(jìn)行.原來的光波導(dǎo)基本是電介質(zhì)材料組成，元件通常在微米或更大的尺度.借助在納米金屬結(jié)構(gòu)激發(fā)的SPP就可以在納米尺度里導(dǎo)引光.已研究出納米金屬條帶(MetalStripe)、納米線(Nanowire)、納米顆粒鏈(Nanoparticlechain)、金屬/絕緣體/金屬納米槽(MIMgroove)等SPP波導(dǎo)[107]，這些納米波導(dǎo)支持的SPP表面電磁波一般可實(shí)現(xiàn)微米尺度量級的傳輸同時保持納米尺度量級的橫向場限制.常有人形象地描述光是“趴”在這些納米金屬條、線、鏈、槽表面?zhèn)鬟^去的.SPP波導(dǎo)開創(chuàng)了納米光路的新天地，也許最終能推動產(chǎn)生出新一代納米光子網(wǎng)絡(luò)[107].

納米金屬條帶SPP波導(dǎo)

納米金屬線SPP波導(dǎo)

納米金屬顆粒鏈SPP波導(dǎo)

納米金屬槽SPP波導(dǎo)

前面我們已經(jīng)對納米光學(xué)這個光學(xué)的新分支作了一個概貌的了解，特別對這個領(lǐng)域中的超分辨率光學(xué)成像術(shù)、光子晶體、超構(gòu)材料、納米等離子激元學(xué)作了扼要的巡視，但不少很有意義的研究內(nèi)容由于篇幅的關(guān)系還難提及.可以肯定的是，隨著納米科學(xué)技術(shù)和光學(xué)本身的發(fā)展，納米光學(xué)的研究將會更加豐富多彩.

2.8 光子學(xué)

光子學(xué)(Photonics)是一個20世紀(jì)70～80年代才逐漸興起的科學(xué)領(lǐng)域.如今，冠以“光子學(xué)”的學(xué)術(shù)會議、學(xué)術(shù)期刊、學(xué)術(shù)論文、學(xué)術(shù)著作、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、科研計劃和項(xiàng)目、科研組真是比比皆是.但從物理學(xué)的角度看，光子學(xué)其實(shí)是光學(xué)的原理和方法的技術(shù)應(yīng)用，在應(yīng)用中常結(jié)合材料物理和電子學(xué)技術(shù)，光子學(xué)與光學(xué)的關(guān)系有如電子學(xué)與電學(xué)的關(guān)系.由于光學(xué)的基礎(chǔ)性和廣泛的應(yīng)用性，也使得光子學(xué)的范圍也極其廣博.

光子學(xué)作為一個領(lǐng)域可以認(rèn)為是從1960年激光發(fā)明出來開始的，之后二極管激光以及傳輸光纖、光纖放大器的出現(xiàn)使人們對光通信的興趣大增，從而推動了光子學(xué)的發(fā)展.“Photonics”這個術(shù)語出現(xiàn)在1970年，首先由荷蘭科學(xué)家L.J.Poldervaart在第9屆國際高速攝影會議上提出，當(dāng)時他是指“研究以光子作為信息載體的科學(xué)”，幾年后又補(bǔ)充“以光子作為能量載體的科學(xué)”[110].20世紀(jì)70～80年代“Photonics”這個詞逐漸在歐美學(xué)術(shù)界使用開來.但直到目前，對光子學(xué)的含義表述并不統(tǒng)一.美國著名的期刊《PhotonicsSpectra》在每期封面里頁都寫著:“Photonics:Thetechnologyofgeneratingandharnessinglightandotherformsofradiantenergywhosequantumunitisthephoton.Therangeofapplicationsofphotonicsextendsfromenergygenerationtodetectiontocommunicationsandinformationprocessing.”顯然是把光子學(xué)看成是一門產(chǎn)生和控制光子的技術(shù).甚至有人更直接地把光子學(xué)看成“在科學(xué)、醫(yī)學(xué)和技術(shù)中研究和使用激光的領(lǐng)域”(R.Menzel:Photonics,2007).在我國，錢學(xué)森曾高度概括地認(rèn)為光子學(xué)是“研究光子的產(chǎn)生、運(yùn)動和轉(zhuǎn)化的科學(xué)”(錢學(xué)森:光子學(xué)、光子技術(shù)、光子工業(yè)).王大珩在為文獻(xiàn)[110]所寫的序言中說:“光子學(xué)相對于傳統(tǒng)的光學(xué)有如電子學(xué)相對于經(jīng)典電學(xué)”.該書中明確寫道:“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)，它是研究以光子作為信息載體和能量載體的行為及其應(yīng)用的科學(xué).”[110]

由于光子學(xué)依據(jù)的物理基礎(chǔ)就是光學(xué)，但其應(yīng)用的層面卻從光的產(chǎn)生、檢測、通信到信息處理，應(yīng)用的范圍廣到幾乎門門類類，您會看到各種名稱的光子學(xué)，如生物光子學(xué)、超快光子學(xué)、納米光子學(xué)、微波光子學(xué)等等.因此光子學(xué)的一個顯著特點(diǎn)就是有著寬廣領(lǐng)域的濃厚的技術(shù)應(yīng)用色彩.另外值得指出的是，正如在電子學(xué)中并非處處使用電子的語言一樣，在光子學(xué)中也并非處處使用光子的語言.

總之從物理學(xué)的角度看，光子學(xué)不是獨(dú)立于光學(xué)的新學(xué)科，光子學(xué)只是光學(xué)的原理和方法的技術(shù)應(yīng)用.我們從物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律等方面都看不出光子學(xué)的研究有物理上超越光學(xué)的地方.鑒于光子學(xué)的這一情況，在我們從物理學(xué)的視角給光學(xué)一個概貌式的觀察過程中，就不再在光子學(xué)處作更多的停留.想細(xì)致了解光子學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容的讀者可參閱文獻(xiàn)[111].

(未完待續(xù)；下期內(nèi)容預(yù)告:2.9一些新光學(xué)現(xiàn)象3 光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用)

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OPTICS IN THE LAST 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 of Light and Light-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 of Light,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 of Light；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

2015-09-15

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