陳斯紅 陳孫藝

摘 要：文章從四方面綜述了光的研究進(jìn)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?zé)嵝缘榷螌傩?；二是光子的微觀掃描、光彈性透視、條紋投影近程檢測(cè)視場(chǎng)和光譜遙感遠(yuǎn)程深空探測(cè)等檢測(cè)技術(shù)，光電探測(cè)和“光場(chǎng)相機(jī)”等成像技術(shù)；三是光的移動(dòng)、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(chǔ)存、光的物理與化學(xué)過程、軟硬載體等各種運(yùn)動(dòng)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(xué)；性質(zhì)；光孤子；快慢光；條紋投影

引言

人類依靠光去認(rèn)識(shí)世界。目前，光學(xué)已發(fā)展為近場(chǎng)光學(xué)、量子光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、光通信、光譜學(xué)、光子晶體、薄膜光學(xué)、激光物理與技術(shù)、激光材料加工、導(dǎo)波纖維光學(xué)、激光微納與超快制造、光學(xué)元件和材料、過程模擬與仿真等多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域組成的學(xué)科，人類對(duì)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(shí)，這種認(rèn)識(shí)是基于在此之前，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到粒子的波動(dòng)性和粒子的粒子性，而且這種認(rèn)識(shí)被實(shí)驗(yàn)證明，又經(jīng)過實(shí)踐的長(zhǎng)期檢驗(yàn)。但是人們沒有滿足于此，而是不斷地對(duì)光的其他特性進(jìn)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(xiàn)[1]針對(duì)光成像的實(shí)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(shí)質(zhì)是指其同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性所融為一體的二重性，還是此時(shí)的波動(dòng)性和彼時(shí)的粒子性所一分為二的二元性？并且進(jìn)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?；驍?shù)學(xué)建模嗎？還有云計(jì)算能從變幻莫測(cè)的極光模擬中提取出規(guī)律性嗎？

1.1.1 光子的波粒同時(shí)

是指光的波粒二象性是同時(shí)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(shí)的景象加深認(rèn)識(shí)，粒子性和波動(dòng)性的關(guān)系類似于個(gè)體與整體的關(guān)系，單個(gè)的粒子表現(xiàn)出活潑靈動(dòng)，在局部區(qū)域東奔西跑無頭緒，個(gè)體之間會(huì)發(fā)生碰撞而實(shí)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(dòng)性，成像而有方向，在向遠(yuǎn)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(duì)列，隊(duì)列中的光子們光學(xué)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(dòng)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(dòng)性，同時(shí)以分子的形式向空氣中蒸發(fā)。水下表現(xiàn)出暗流的波動(dòng)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(shí)可以輕便地繞過。這使其具備在宏觀世界繞障的能力。當(dāng)光波在前進(jìn)的道路上遇到障礙物時(shí)，個(gè)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?？梢酝葡?，每一次繞障都會(huì)削弱波動(dòng)的能量，多次繞障后整體的能力將明顯下降。

其實(shí)光的波動(dòng)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(rèn)識(shí)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(zhǎng)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(dāng)具有高強(qiáng)度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時(shí)，將產(chǎn)生克爾效應(yīng)，即介質(zhì)的折射率隨光強(qiáng)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(dāng)脈沖具有適當(dāng)?shù)姆葧r(shí)，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(shí)，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(gè)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(qiáng)，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(rèn)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(xué)薄膜的自動(dòng)設(shè)計(jì)。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(guó)科技館中展示的日落蛾的翅膀鱗片既像西北高原的風(fēng)馬旗，也像東南發(fā)達(dá)城市的霓虹燈光秀。據(jù)報(bào)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(duì)同一種光的折射差異，才引起顏色的變化。2015年10月新京報(bào)記者黃穎報(bào)道，北京認(rèn)定首批13個(gè)高校高精尖中心中，就有兩個(gè)與光有關(guān)，分別是首都師范大學(xué)成像技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、中央美術(shù)學(xué)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(jiǎn)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(gè)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(huì)由于發(fā)散或被吸收減少，因此光的總能量會(huì)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(dòng)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(xiàng)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(dòng)”下可以移動(dòng)，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(dòng)飛行是科學(xué)界和航空界多年的夢(mèng)想，而光源波長(zhǎng)與這特殊石墨稀材料產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號(hào)泄露等弱點(diǎn)，快速構(gòu)建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

2.2 光的溫?zé)嵝?/p>

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(xué)表達(dá)，光在醫(yī)療上的應(yīng)用也有很多途徑，X光可進(jìn)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(duì)病患負(fù)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(dòng)氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)能，因?yàn)楣庾泳哂兄亓亢退俣?。光具有壓力，總輻射量，光通量以及色坐?biāo)，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(shí)微妙的紡織手法使薄薄的圍巾分成好幾層，每一層都會(huì)有不同的顏色，在感應(yīng)到外界的變化時(shí)，它便會(huì)自動(dòng)改變構(gòu)成模式，顯示出不同的顏色[4]。

3 光的檢測(cè)與成像技術(shù)

3.1 光的檢測(cè)

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(xiàn)[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(fēng)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(cè)金屬斷口的元素成分等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用?？梢酝葡?，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(duì)象的前沿學(xué)科，這就是“納米技術(shù)”。

3.1.2 光彈性透視

是應(yīng)用光學(xué)原理研究彈性力學(xué)問題的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。在偏振光場(chǎng)中，各向同性的光彈性模型在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)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(huì)產(chǎn)生平面偏振光。它垂直透射一個(gè)受載荷的平面模型時(shí)，沿著模型的一點(diǎn)的兩個(gè)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(gè)相對(duì)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(xué)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(chǎng)中，當(dāng)給模型加上載荷時(shí)，即可看到模型上產(chǎn)生的干涉條紋圖。測(cè)量這些干涉條紋，通過計(jì)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(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在承壓設(shè)備的應(yīng)力分析中具有重要作用。對(duì)于斷裂力學(xué)、 巖石力學(xué)、生物力學(xué)、粘彈性理論、復(fù)合材料力學(xué)等，也可用光彈性法驗(yàn)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(xué)依據(jù)。

3.1.3 近程與檢測(cè)視場(chǎng)

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(cè)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(diǎn)等，以及RE和RP的集成。以光學(xué)測(cè)量技術(shù)為主的數(shù)據(jù)采集方式及其原理可提高測(cè)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(cè)量技術(shù)得到廣泛研究與應(yīng)用，提供了物面形貌全場(chǎng)、大量程的測(cè)量手段。文獻(xiàn)[7]提出了一種三維形貌精密測(cè)量系統(tǒng)，其利用條紋對(duì)比度高、強(qiáng)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(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)，根據(jù)攝像機(jī)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(biāo)，實(shí)現(xiàn)物體三維形貌精密測(cè)量。

精確的光學(xué)測(cè)量一般需要在熱穩(wěn)態(tài)下進(jìn)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(yuǎn)程與深空探測(cè)

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(cè)也是分析物質(zhì)成分的主要方法之一，系統(tǒng)定標(biāo)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(jì)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(biāo)、輻射定標(biāo)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)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(cè)的分光器件，被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代光譜儀最突出的進(jìn)展，也常被稱作第五代分光技術(shù)。針對(duì)深空光譜探測(cè)應(yīng)用，我國(guó)正在開展AOTF紅外成像光譜儀的研制，其系統(tǒng)評(píng)價(jià)及數(shù)據(jù)應(yīng)用需要解決其精細(xì)定標(biāo)問題，地面檢測(cè)及驗(yàn)證其在空間惡劣環(huán)境中的特性，迫切需要開展深空探測(cè)AOTF紅外成像光譜儀的系統(tǒng)定標(biāo)技術(shù)研究[8]。

3.2 光的成像

3.2.1 光電探測(cè)

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(zhǎng)、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(xué)技術(shù)極難實(shí)現(xiàn)半球形成像系統(tǒng)[9]。電子蛙眼則是仿生學(xué)家根據(jù)蛙眼視網(wǎng)膜由四層五類功能不同的神經(jīng)細(xì)胞而組成的結(jié)構(gòu)原理而設(shè)計(jì)的，在馬路上監(jiān)測(cè)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(dá)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(biāo)。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(dá)到50%或者更多）的不尋常設(shè)計(jì)，在平的二維表面創(chuàng)建光電子系統(tǒng)。這個(gè)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(yuǎn)低于其斷裂應(yīng)變。

圖2 家蠅雙眼

圖2是中國(guó)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(gè)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(jī)，其仿生成像系統(tǒng)是在半球形表面使用光電探測(cè)器陣列，類似于人眼中的視網(wǎng)膜[11]。

3.2.2 光場(chǎng)的動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換

美國(guó)斯坦福大學(xué)電腦科學(xué)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(chǎng)相機(jī)”，這種相機(jī)在低光及影像高速移動(dòng)的情況下，仍能準(zhǔn)確對(duì)焦拍出清晰照片。2011年12月出版的美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志介紹了2011年100個(gè)最佳創(chuàng)新產(chǎn)品，名列榜首的就是先拍照后對(duì)焦的“光場(chǎng)相機(jī)”。

據(jù)報(bào)道，“光場(chǎng)相機(jī)”機(jī)身和一般數(shù)碼相機(jī)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(gè)布滿9萬個(gè)微型鏡片的顯微鏡陣列，每個(gè)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(jī)內(nèi)置軟件操作“已擴(kuò)大光場(chǎng)”，追蹤每條光線在不同距離的影像上的落點(diǎn)，經(jīng)數(shù)碼重新對(duì)焦后，便能拍出完美照片。而且，“光場(chǎng)相機(jī)”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(gè)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３峙f有相機(jī)的大孔徑所帶來的增加光度、減少拍照時(shí)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(yùn)動(dòng)

4.1.1 光的霍爾效應(yīng)

約132年前，美國(guó)物理學(xué)家霍爾（Edwin Hall，1855-1938）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)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(yùn)動(dòng)的載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)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?jǐn)?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(gè)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(shí)同樣存在類似于電子SHE的光自旋霍爾效應(yīng)。2008年，美國(guó)Illinois大學(xué)Hosten和Kwiat[13]利用弱測(cè)量方法，首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這一現(xiàn)象。與電子SHE引發(fā)科學(xué)界對(duì)研制新的電子元器件的設(shè)想一樣，光子作為當(dāng)今時(shí)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(xué)器件的產(chǎn)生，并可能衍生出一門類似于自旋電子學(xué)的新學(xué)科——自旋光子學(xué)[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(shí)體材料中的傳輸研究表明，當(dāng)橢圓光束在單軸晶體里線性傳輸時(shí)，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(shí)就會(huì)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(shí)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(cái)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(dá)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(shí)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(xué)傳感、光纖非線性效應(yīng)增強(qiáng)等方面存在巨大的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)[17]針對(duì)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(jìn)行了深入地研究，并在此基礎(chǔ)上實(shí)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(hào)光波長(zhǎng)對(duì)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(shí)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(diǎn)課題之一，解放軍信息工程大學(xué)于宏毅研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用光學(xué)和電學(xué)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(jìn)入集成化、微型化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段。2015年12月的新聞報(bào)道，經(jīng)工業(yè)和信息化部測(cè)試認(rèn)證，我國(guó)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(xué)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(dá)到50G比特每秒，相當(dāng)于0.2秒即可完成一部高清電影的下載。

4.1.4 光的儲(chǔ)存

傳統(tǒng)意義上，光盤的光存儲(chǔ)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(chǔ)下來的。讀出信息是用激光掃描介質(zhì)，識(shí)別出存儲(chǔ)單元性質(zhì)的變化。在實(shí)際操作中，通常都是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)信息的。這種技術(shù)原理早已通過條形碼的簡(jiǎn)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(biāo)識(shí)上， 看起來混亂不解的二維碼實(shí)際就是諸多黑白方塊組合成的大方塊，而黑白方塊實(shí)際就是瘦身高挑的黑白條形碼變矮后的新花樣。光學(xué)字符識(shí)別（OCR）技術(shù)的原理完全不同，本質(zhì)上利用光學(xué)設(shè)備去捕獲圖像，然后對(duì)其中的文本進(jìn)行檢測(cè)和文字識(shí)別。

其實(shí)，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(dāng)于光存儲(chǔ)，這完全顛覆傳統(tǒng)概念，還原了存儲(chǔ)的本義。

4.2 光的相對(duì)狀態(tài)

光的相對(duì)性是多角度的，也是統(tǒng)一的。

4.2.1 光的強(qiáng)弱

前面的討論主要基于人們普遍認(rèn)識(shí)的可見光，不可見光則是相對(duì)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(gè)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(duì)性表現(xiàn)的光與影、亮與暗，其實(shí)都是強(qiáng)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(qiáng)的一種某種極端的相對(duì)性，則可以把光子個(gè)體的瘋狂與光束整體的靜態(tài)理解為反向極端的相對(duì)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(yuǎn)就能看清小轎車的車牌字符，這是光的另一種相對(duì)性。既然不同的動(dòng)物對(duì)光彩的識(shí)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(xué)過程

赤橙黃綠青藍(lán)紫充分表現(xiàn)了光的相對(duì)成分。紐約康奈爾大學(xué)生物學(xué)的安德森對(duì)“偽裝高手”變色龍的“善變”技能進(jìn)行了解釋：基于神經(jīng)學(xué)調(diào)控機(jī)制，表皮的三層色素細(xì)胞之間在神經(jīng)刺激下實(shí)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(shí)驗(yàn)以便于觀察，熒火蟲等常見動(dòng)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(xué)反應(yīng)的緩慢表演。同樣以化學(xué)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(dá)到觀賞效果被人為投射的光，水母發(fā)光是因?yàn)槊麨榘？值牡鞍踪|(zhì)遇到鈣離子就能發(fā)出較強(qiáng)的藍(lán)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(yùn)動(dòng)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(jí)的時(shí)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(lán)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(dāng)時(shí)英國(guó)皇家格林威治天文臺(tái)負(fù)責(zé)人Lord Maskelyne報(bào)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(jì)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(huì)是眼睛焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的刺激。賓州州立大學(xué)心理系Leibowitz教授的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種利用激光散斑測(cè)量人眼調(diào)節(jié)的儀器，這是一種靠主觀感覺的測(cè)量裝置，在1975-1979年間或早些時(shí)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(chǎng)（例如飛行員在天上時(shí)，飛機(jī)外面是沒有視覺線索的藍(lán)天）下的近視、與使用某些光學(xué)儀器時(shí)的近視（當(dāng)光學(xué)儀器的有很大景深時(shí)，使用者便不需要作焦點(diǎn)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(rèn)定人眼在這三種情況下，焦點(diǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)都會(huì)處在一種休息的狀態(tài)，而且此時(shí)眼的焦點(diǎn)不是在無窮遠(yuǎn)。這就從實(shí)驗(yàn)上證明德國(guó)科學(xué)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(hào)時(shí)，眼的焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的機(jī)制處在一種休息狀態(tài)，它的焦點(diǎn)并不是在無窮遠(yuǎn)。修正了亥姆霍 （Helmholtz）的經(jīng)典理論，而且還認(rèn)識(shí)到，黑夜、空視場(chǎng)、小孔徑光學(xué)儀器、以及任何降低視覺分辨的條件，如不清晰的光學(xué)介質(zhì)（像大霧），它們對(duì)于焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的作用與機(jī)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(xué)上的一種現(xiàn)象，指當(dāng)一個(gè)人全神貫注于某一個(gè)問題時(shí)，往往會(huì)忽視另一個(gè)顯而易見，或平時(shí)會(huì)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)。斗牛特別對(duì)紅色敏感，不同動(dòng)物對(duì)同一光彩的識(shí)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(guó)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(cè)技術(shù)，基于超材料的光學(xué)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(dá)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(huì)帶來反射光不必要的相位偏移，使得隱身斗篷可以檢測(cè)到。為提高隱身水平，Xingjie Ni等[18]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)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(dá)100年之久，其鮮紅的外甲只是保護(hù)衣，因?yàn)樵谏詈＠锔究床灰婎伾?。黑洞無法直接觀測(cè)，它強(qiáng)勁的引力場(chǎng)使進(jìn)入其臨界點(diǎn)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(zhēng)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(qiáng)度，并加以利用。礦藏在光照下會(huì)加速演變，看似靜物卻含情。

人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)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(chéng)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(fù)光嗎？視覺錯(cuò)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(dòng)植物的改良，也許能把海底變成一個(gè)明亮的世界。問題在于，光的多少特性，才能滿足人類的欲望。

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