什么是光子学？光子学发展史

    光子学是研究光和其他类型的辐射能，其量子单位为光子。光子学对研究、技术、导航、文化、天文学、法医学和医疗保健的影响帮助塑造了20世纪，现在，在21世纪，光子学继续在科学界理解整个世界方面发挥着至关重要的作用。

    美国国家科学院外籍成员、法国物理学家Pierre Aigrain在一篇文章中称，“光子学”一词似乎是在1967年或1973年首次出现的，具体取决于来源。到20世纪80年代，这个词开始在贝尔实验室和休斯飞机公司的新闻稿、报告和内部出版物中出现，并在普通媒体中出现。

     1982年，行业杂志《光学光谱》更名为《光子光谱》。20世纪80年代末，IEEE激光与电光学会出版了一本名为《光子技术快报》的期刊。1995年，国际光学和光子学学会SPIE首次举办了西方光子学行业会议。在“光子学”一词被采用之前，该领域经常被称为“光学”。模糊光学和电子之间界限的技术被称为”光电子“，至今仍在某些情况下使用。

    依靠光而不是电力运行的设备有许多优点，其中第一个优点是速度。光的传播速度约为电的10倍，这意味着通过光纤电缆等光子介质传输的数据可以在很短的时间内传播更长的距离。与电流不同，可见光和红外光束可以相互穿过，而不会相互作用。因此，一根光纤可以同时承载300万个电话呼叫。除其他外，这些优势继续重新定义现代生活的可能性。

I：历史

古代史

    古埃及人、印度教徒、罗马人、希腊人、玛雅人和阿兹特克人建造纪念碑，创造向光致敬的艺术，有时使用独特的建筑来引入和展示自然形式的光。许多古代文化崇拜与太阳有关的神，如Ra和阿波罗。光与力量、生命和治愈联系在一起。

公元前750年

    第一批镜片可以追溯到公元前750年左右。最早的镜片是由抛光水晶制成的，通常是石英。在美索不达米亚、埃及、希腊、巴比伦、北欧国家和其他地方都发现了古代透镜。类似透镜的玻璃物体早些时候就被发现了，但它们的用途一直存在争议，因为这些物体可能是装饰性的。

公元前300年

    大约在公元前300年，希腊数学家欧几里得出版了《光学》，这是一本关于视觉几何的手稿，是已知的第一本从数学角度研究视觉的书面著作。该作品影响了后来希腊、伊斯兰和西欧文艺复兴时期科学家和艺术家的作品。

二世纪

    托勒密（部分失传）的著作《光学》就是这样写的。它涵盖了几何光学，涉及反射、折射和颜色。

十世纪

     波斯数学家伊本·萨尔的论文《燃烧的仪器》揭示了能够在没有几何像差的情况下聚焦光线的透镜形状。萨尔被描述为第一个发现折射定律的人，现在被称为斯涅尔定律，并以600年后推导出等效定律的威利布罗德·斯涅利乌斯命名。

十一世纪

    被誉为“现代光学之父”的阿拉伯数学家和物理学家伊本·海瑟姆对希腊的光学理论进行了全面而系统的分析。Al Haytham写了许多关于光学的书，其中最重要和最有影响力的是《光学之书》。这本书在12世纪末被翻译成拉丁语，为后来光学的发展奠定了基础。

11-13世纪

    许多西方科学家在希腊和阿拉伯光学著作的基础上，通过编写教科书，汇编、组织和进一步发展前几代科学家的理论和公式。

十六世纪

    Willebrod Snellius和RenéDescartes重新发现了折射定律（以Snellius的名字命名为Snell定律），这是伊本·萨尔在980年左右首次发现的。

十七世纪

    第一批已知的显微镜和望远镜被创造出来，重塑了科学界对生物学、天文学和导航的理解。

1905

    阿尔伯特·爱因斯坦发表了《关于光的产生和转换的启发式观点》，这是一个理论，发展了一个假设，即光能是以离散的量子化包携带的。

1916

    美国光学学会（OSA）成立，今天被称为光学学会。

1927

     Oleg Losev发明了第一个发光二极管。

1930

    印度物理学家Chandrasekhara Venkata Raman因其在光散射领域的工作以及发现以他的名字命名的现象——拉曼散射而被授予诺贝尔物理学奖，这导致了后来的拉曼光谱等领域。

1954

    Charles Townes与Herbert J.Zeiger和研究生James P.Gordon合作，在哥伦比亚大学展示了第一台微波激射器。微波发射器泽是第一个基于爱因斯坦预测的装置，它通过受激发射获得了电磁波的第一次放大和产生。微波激射器以略大于1cm的波长辐射，并产生大约10nW的功率。

    第一个微波发射器是激光的前身，由查尔斯·哈德·汤森、赫伯特·蔡格和詹姆斯·戈登在哥伦比亚大学进行了演示。

    1954年，伊士曼柯达退休物理学家克利夫顿·塔特尔博士出版了第一本《光学工业目录》。在成立之初，该目录是一个小而单一的卷，将大幅扩展，最终成为光学行业的“圣经”。

1955

    摄影仪器工程师协会（SPIE）成立。

1960

    西奥多·迈曼制造了第一台红宝石激光器。

1962

    Nick Holonyak Jr.发明了第一个可见光谱LED。

1967

    卡尔·科彻和加州大学欧内斯特·O·劳伦斯辐射实验室的科学家演示了钙原子发射的光子的量子纠缠。

1970

    康宁玻璃公司的研究人员Robert Maurer、Donald Keck和Peter Schultz发明了熔硅光纤，其传输信息的能力是铜线的65000倍。

1971

    Dennis Gabor因其全息方法的发明和发展而被授予诺贝尔物理学奖。

1975

    第一台数码相机由伊士曼柯达的史蒂文·萨森使用电荷耦合器件（CCD）图像传感器开发。

1981

    Arthur Leonard Schawlow和Nicolaas Bloembergen因其对激光光谱学发展的贡献获得了一半的诺贝尔物理学奖。Kai M.Siegbahn因其对高分辨率电子光谱学发展的贡献而获得另一半奖。

1982

    麻省理工学院的彼得·莫尔顿发明了钛宝石可调谐固态激光器。

1983

     美国总统罗纳德·里根提出了被称为“星球大战”的战略防御倡议，该倡议使资金向军事和国防项目发生了翻天覆地的转变。

1987

     Eastman Kodak的化学家Ching Wan Tang和Steven Van Slyke创造了第一个实用的OLED。

1988

     美国和欧洲之间铺设了第一条跨大西洋光纤电缆TAT-8。

1994

    哈佛大学物理学家费德里科·卡帕索和他的团队开发了量子级联激光器。

1997

    加州大学圣巴巴拉分校的Shuji Nakamura、Steven DenBaars和James Speck宣布开发一种在脉冲操作中发射明亮蓝紫光的氮化镓（GaN）激光器。

2005

    约翰·霍尔（John Hall）和西奥多·海因施（Theodor Hänsch）因其对激光精密光谱学（包括光学频率梳技术）的发展做出的贡献而被授予一半的诺贝尔物理学奖。

2014

    Stefan Hell、William Moerner和Eric Betzig因超分辨荧光显微镜的发展而获得诺贝尔化学奖，这是一种超越阿贝极限的技术。

2018

    Donna Strickland和Gérard Mourou因啁啾脉冲激光器获得了一半的诺贝尔物理学奖。

    亚瑟·阿什金因发明光镊子而获得另一半奖。

2019

    谷歌声称其Sycamore处理器实现了量子霸权。

2020

    科学界以持续创新的方式纪念激光60周年。2020年激光技术的进展包括演示多原子YbOH分子的激光冷却；铊激光焊接；以及全平面太阳能泵浦激光器和超快高功率黄色激光器的发展。

    获奖者罗杰·彭罗斯、莱因哈德·根泽尔和安德烈亚·盖兹获得2020年诺贝尔物理学奖。Genzel和Ghaz在最终获得该奖项的工作中使用了自适应光学和红外散斑成像技术。

II：基础技术

成像：成像用于收集世界的物理信息，无论是用智能手机相机捕捉瞬间，还是用光学相干断层扫描进行显微外科成像。成像技术和领域的例子包括摄影；热成像、多光谱成像、高光谱成像、重力成像、光声成像、热磁成像和散斑成像；以及光学相干断层扫描。

激光：激光产生高度聚焦和集中的线性光束，是激光雷达、数字投影、成像技术、条形码扫描仪、数据存储等的赋能技术。激光器的尺寸从可以跨越几英里的巨大同步加速器到几纳米长的微小VCSEL。各种类型的激光器适用于不同的任务，从切割和焊接、外科和医疗应用，到自动驾驶汽车中的激光雷达系统。

透镜：透镜是通过折射来聚焦或分散光线的透射光学设备。根据它们的形状，这些设备能够完成各种各样的任务，包括放大、像差校正和聚焦等应用。各种材料，如石英玻璃、塑料、硼硅酸盐玻璃或硫属化物，在它们有用的波长、它们如何处理热量、它们的耐久性等方面各有其优缺点。

机器视觉：这项技术用于通过非接触式光学传感来解释物体或场景的信息。机器视觉已经有了很大的发展，从执行简单任务的相机，到使用深度学习对复杂数据做出明智决策的复杂多光谱设备。随着自动化时代的新篇章开始，机器视觉使机器人能够执行越来越复杂的任务，例如垃圾箱分拣。这项技术正在改善制造工艺、自动驾驶汽车的安全性和医疗成像。

计量学：光子学技术使测量比以往任何时候都更加精确。可以极其精确地测量角度、尺寸、地形、光强和波长。光学计量的例子包括光学距离测量、激光雷达、飞行时间、光学温度传感器和光谱法。

显微镜：显微镜是光学的一种应用，用于观察微小的物体和现象。荧光技术扩大了可以通过分离特定蛋白质或细胞来收集的信息量。超分辨率显微镜通过超越阿贝极限（衍射的理论极限）进一步推动了这项技术。

    显微镜在历史上一直受到阿贝极限的限制，阿贝极限是衍射的理论极限，尽管超分辨率显微镜是一个主要的研究领域。

光纤：光纤可以通过将玻璃或塑料拉成比头发稍厚的直径来制成。光纤用于许多应用，但最常见的是光纤通信。光纤通信比电缆提供更长距离和更高带宽（数据速率）的传输。光纤还用于照明和成像，以及更专业的应用，如光纤传感器和光纤激光器。

    与其他介质相比，一缕头发大小的光纤能够在更长的距离和更快的速度上传输更多的数据。

传感器：光学传感器将光转换成电子信号，然后由计算机进行解释。它们有多种用途，包括测量光线的变化；解释光数据以创建图像；发电；测量温度、速度、压力和振动；零件的计数或定位；并且能够进行非接触式检测。

光谱学：光谱仪使用光学元件将传感器检测到的入射光衍射到最基本的光谱。每种物质都有一个独特的光谱指纹。现代光谱仪配备了光谱指纹数据库，用于快速识别和数据采集。光谱的类型包括拉曼光谱、傅立叶变换光谱、红外光谱和紫外光谱。光谱学在生物学、医学、法医学、食品安全和天文学中都有应用。

III： 在我们世界的光子学

航空航天：飞机、无人机、航天器和卫星依靠光子技术进行航空航天导航和信息。配备激光雷达的飞机能够进行困难或危险的检查和调查。全息图被用于平视显示器，特别是在军用飞机环境中。无人机使用相机，有时是热或其他光谱范围，就像在防御的情况下一样，卫星和航天器使用传感器来监测地球和太空中的情况。

农业：高光谱成像、光谱和机器视觉等技术用于自动分拣、检查和测试，以提高农业效率，加强农业和食品安全措施。光照管理使水培温室项目成为可能，使食物能够在不适宜的气候中种植。

生物学和医学：在生物学和医学中，光子技术能够提高患者的安全性，获得更有利的结果，并更早地发现疾病。内窥镜和光学相干断层扫描（OCT）等光子技术能够实现微创手术和显微手术，缩短恢复时间，提高患者安全性。OCT等成像技术能够更早地检测青光眼甚至阿尔茨海默病等疾病。

清洁能源：太阳能电池板中的光伏电池吸收太阳光线，并将其转化为更环保的电力或热量。随着量子点、钙钛矿、单晶体薄膜等新兴光子学技术和材料的出现，太阳能电池板不断得到改进。非色散红外吸收用于评估生物燃料的排放。地质研究和环境监测在一定程度上是通过光谱学等技术实现的。而且电子产品使用有机发光二极管的能耗更低。

通信：光子学已经彻底改变了电信，尤其是光纤，它可以同时承载数百万个电话，并显著提高网速和连接。大约从20世纪初起，自由空间的光学通信方法就被用于日光记录仪，随着太空旅行的出现——这可能会改善行星际通信——它重新引起了人们的兴趣

消费电子产品：现代智能手机包括带LED闪光灯的前后摄像头、OLED显示屏、红外传感器和VCSEL激光器，用户可以解锁手机、拍摄视频和图片以及交流信息。相机技术使摄影师和电影制作人能够在更具挑战性的照明条件下拍摄动作。

环境监测：光谱法、红外和紫外传感、显微镜和其他光子技术用于收集有关土壤、水和空气质量的信息，并协助生物研究。与旧技术相比，这些技术特别有利，因为它们是无损的。

照明：灯泡的发明是历史上最重要的发明之一，照明技术的发展至今仍在继续。目前的重点是具有成本效益和高效的光源，如LED，以及满足研究应用特定光谱要求的光源。LED技术制造了更高效、更持久的灯泡和更清晰的显示技术，在商业和研究应用中的应用越来越多。

制造业：21世纪标志着制造业自动化时代的新篇章，这得益于成像和计算的进步。装配线上的机器人执行越来越复杂的任务，例如垃圾箱分拣，机器人在机器视觉的帮助下从垃圾箱中挑选零件。激光在零件切割和焊接的制造环境中也以更高的频率使用。

交通：随着自动驾驶汽车变得越来越复杂，光子学在汽车和交通行业发挥着更大的作用。激光雷达和其他3D成像技术已成为自动驾驶汽车的赋能技术，而其他技术，如检测盲点障碍物的光学传感，在驾驶汽车中也越来越受欢迎。

IV：新兴领域

量子技术：量子物理学是与光子学交叉的另一个科学领域。量子理论最早由马克斯·普朗克在20世纪之交提出，随后由阿尔伯特·爱因斯坦建立了理论基础。量子物理学使人们更好地了解了整个世界，并激发了许多技术。随着经典物理学被推向极限，量子物理学越来越成为人们感兴趣的领域。随着对原子和量子最微小的机械加工的深入理解，可以创造出更高效、更先进的设备。

    量子传感器依靠亚原子粒子的行为，利用量子态的高灵敏度。这些传感器越来越被视为一种具有启示性的技术，在医学、国防、通信和能源方面有潜在的应用。它们可以用于生物成像、磁场传感，甚至引力波的探测，正如LIGO系统在2015年完成的那样。

    量子计算在通常被称为“量子霸权竞赛”的过程中取得了长足的进步，即量子计算机能够超越传统的超级计算机系统或完成传统上不可能完成的任务。    2019年10月，谷歌凭借其54量子位处理器Sycamore宣布了量子霸权。该处理器能够在200秒内完成随机数处理任务，谷歌声称超级计算机需要10000年才能完成。IBM反驳了这一说法，称其Summit超级计算机可以在2.5天内完成这项任务。

    量子计算对国家网络安全具有重大影响，因此也引发了量子霸权的争夺。量子计算机有可能在几秒钟内突破基于传统计算的最先进的安全系统。世界范围内发展量子技术的强烈动机从政府用于这项任务的资金的显著增加中可见一斑。

硅光子学：数据中心对不断增长的数据存储的需求和5G技术的出现推动了硅光收发器市场的增长。

    如今，硅纳米光子学技术已经被用于数据中心的系统到系统连接。未来，这项技术将进入服务器内芯片之间的连接，最终进入芯片上各部分之间的连接。这种进化是对在越来越短的距离内以越来越高的速度移动电子的困难的回应。    直到最近，数据中心链路上最先进的传输速率为100 Gbit/s。该行业很快将部署400 Gbit/s的速率，更快的速度即将到来。传输速率的增加意味着硅纳米光子学解决方案将深入通信结构。数据中心应用现在是主要的商业兴趣，未来将应用于陀螺仪和激光雷达。

光遗传学：光遗传学是利用光来控制活组织中的细胞，通常是经过基因修饰以表达光敏离子通道的神经元。这项技术进一步加深了对特定细胞类型如何促进生物组织功能（如神经回路）的理解。它还导致了对神经和精神疾病的深入了解，如帕金森病、自闭症、解离性身份障碍、药物滥用、焦虑和抑郁。

表面等离激元：研究等离子体的量子单位等离子体的光子学子集被称为等离子体。根据Nature Photonics的说法，这项科学利用了光与金属中电子等电荷的耦合，并允许打破将光定位到亚波长维度的衍射极限。这项技术是一个新兴领域，但某些光谱区域的能量损失问题仍然存在。等离子体的潜在应用包括化学和生物传感、亚波长成像和超光谱、负折射率材料和不可见性以及太阳能电池。

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