2015国际光年：盘点诺贝尔奖里的光学

2015年，距阿拉伯学者伊本·海赛姆的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来，光技术带给人类文明巨大的进步。为此，联合国宣布2015年为“光和光基技术国际年”（简称国际光年），以纪念千年来人类在光领域的重大发现。

中科院上海光机所与中国科普博览网站合作，讲述了几个诺贝尔奖中光学研究重大突破的故事，以及它们给人类社会带来的改变。

2014年诺贝尔物理学奖

蓝光LED——开启“新光明”

2014年诺贝尔物理学奖的奖杯由赤崎勇、天野浩与中村修二共举，照亮奖杯的，是他们发明的蓝光LED。

诺贝尔物理学奖贴着“高冷”的标签，蓝光LED却好像和这神秘的高冷气质没什么关系。真相只有一个——蓝光LED推动了整个LED照明产业迈向实用化。

LED照明需要红绿蓝三原色汇聚成白光。红光LED和绿光LED早在上世纪六七十年代相继诞生，蓝光LED的研发却卡壳了。敲碎这层壳的正是赤崎勇和天野浩师徒，他们首次突破瓶颈发明蓝光LED。随后，中村修二研发出生产高效蓝光LED的技术，三原色集合完毕，真正开启了“新光明”时代。

LED照明究竟意味着什么呢？我们可以这样算一笔数据账，全球每年总消耗电量约200000亿千瓦时，其中19%用于照明。若将所有照明灯具更换为LED节能灯，那么每年全球至少节约用电15200亿千瓦时。这些节约的电量相当于全年减少用煤至少5亿吨，减少二氧化碳排放13亿吨，减少二氧化硫排放420万吨。

蓝光LED用20年实现了LED照明的华丽转身，如今更是用途广泛，用手机聊天、用电脑工作、用电视消遣，都有蓝光大显身手。白炽灯点亮了20世纪，21世纪将由LED灯点亮。

2009年诺贝尔物理学奖

光纤——通信新时代

数百年来，科学家们长期致力于研究如何更快更远更好地传递信息。从电报到有线电话，再到电缆的普遍使用，科技的进步让我们足不出户而知天下事。

20世纪60年代，华裔科学家高琨提出用光代替电流，用玻璃纤维代替导线的设想，并在1966年发表了划时代论文《为光波传递设置的介电纤维表面波导管》，理论分析了这一“天方夜谭”的可行性。1970年，美国康宁公司研制出损耗为20dB/km的光纤，使光在光纤中进行远距离传输成为可能，光纤通信新纪元自此拉开序幕，“光纤之父”高琨也因此站上了2009年的诺贝尔物理学奖奖台。

“光纤”全称“光导纤维”，由石英、玻璃等透明的光学材料拉制而成，是用于传输光的圆柱形光波导。其典型结构由纤芯和包层组成，当光从一端射入，其与轴线的夹角小于某一值时，由于纤芯折射率高，包层折射率相对较低，便会在纤芯和包层界面处发生全反射，从而光可以在纤芯中曲折前进而不穿出包层。此时若我们把信息加到光上，它便与光一起传输到另一端，实现了信息的传递。

我们可以比较两组数据：第一，现阶段光纤通信可实现同时传输24万路的信号，其容量比微波通信增加一千倍；第二，在确保通信质量的前提下，普通电缆或微波通信的中继距离为1.5至60公里，而现阶段光纤可实现2000至5000公里的无中继传输。

1971年诺贝尔物理学奖

全息术——亦真亦幻

电影《阿凡达》中的3D沙盘让潘多拉星球的地形地貌一览无余，真是酷炫到没有朋友！但这种技术其实离我们并不遥远，丹尼斯·盖博教授在1947年发明的全息术就已经将这种魔法照进了现实，他也因此获得了1971年的诺贝尔物理学奖。

相比于传统摄影技术，全息技术创造性地记录了物体上各点的空间位置，一举突破了二维的局限，这样人们通过全息图就能够看到逼真的三维物体像了。