光学发展与社会进步

四、光的未来

光有怎样的未来，未来我们可以做什么？不难预测，我们将可以得到更多极端的条件，光场的操控方式发生了根本性的改变。首先可以产生非常短的脉冲，目前商用仪器产生的光脉冲最短可达到4fs，另外可精确控制相位，形成完全不同的场强分布。光场模式多样化，可进行波长、相位、频率、位置、时间等条件的操控，增加了物理学研究中的变量，拓展了物理学研究的方向和极限。同时也可以在空间尺度进行调控，可突破光的衍射极限，借助一些微纳结构将光斑尺寸约束至纳米尺度以下，比如表面等离激元，可以带来全新的光学研究思路。空间小尺度光学的出现，开拓了近场光学的研究，包括表面等离激元的研究、人工纳微结构的研究、特异材料的研究、微纳光电子器件的研究等。纳米光学和激光光学的发展可以使得光与物质相互作用区更小，相互作用尺度更小，使得光信息技术步入了新的时代。

时间小尺度方面，飞秒激光与物质相互作用后可以产生阿秒(as)激光(1as=10-18 s)，现在实验室通过飞秒光高次谐波产生的最短的阿秒光脉冲可达到46as。阿秒的出现使更小时间尺度方面的观测成为可能，我们也就拥有了更短的标尺。氢原子中电子绕核运动一圈的时间是150as，如果我们拥有时间尺度为46as 的标尺，就可观测电子的运动过程，这是非常有意义的。但是目前人们还面临着阿秒光脉冲能量较低等困难，很多研究还不具备实验条件，这也是光学未来需要攻克的目标。

超快技术也应用在生命和材料领域的研究中，光的多维调控为这些交叉领域研究提供了丰富的手段，如生物大分子的四维成像、超快动力学与飞秒医学等等，这些都是非常前沿的光学领域的尝试。比如，以前我们可以产生的光斑是圆的，现在却可以将光斑中心变成圆的空洞，偏振变成镜像、横向或者螺旋偏振，突破了原来的线偏振、圆偏振和椭圆偏振等等。正是由于有了多样的光结构，应用普通光和结构光先后照明，使空洞处保留原来的粒子的空间分辨，此技术突破了光学显微技术在理论上的极限，实现了纳米高分辨成像。此外，将光脉冲展开成不同的脉冲形状，利用脉冲整形对动力学过程、分子形成和解离、生命和材料等的反应过程进行人工调控。通过精密调控光脉冲各点的位相和振幅，构建特定光场结构的波阵面，实现光场偏振态剪裁，可以控制细胞等微观粒子的运动。

在超快计算领域，要求现代的微电子芯片计算量大、计算速度快。通常情况下，超快计算是通过计算机并联实现的，但并联导致能量损耗非常大。如果在微电子芯片里加入光芯片来实现光信息的传输，用光来进行机器间的交互，可以很好地解决能耗问题，极大的增加运算和传输速度，为未来计算和信息处理提供了新的方法。

飞秒激光时域和频域的控制还可以对光合作用中的过程进行详细的研究，探索研究光合作用具体的作用过程和原理之后，人们就可以人造光合作用体，解决人类目前所面临的多种能源问题，这些都将是现代光学的前沿和未来光学的发展方向。