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圖為采用光刻工藝制造的集成電路（概念圖）。資料圖片 制圖：沈亦伶
自從第一次睜開(kāi)眼睛觀察世界，光就陪伴我們的生命旅行。光是人類生存生活的基本條件，為我們呈現(xiàn)絢麗斑斕的世界，光合作用則為我們提供了食物來(lái)源。人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)和研究從未停止過(guò)。從盤古開(kāi)天地到后羿射日，古代典籍中有許多關(guān)于光的記載。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子論述了光的產(chǎn)生和性質(zhì)，甚至描述了小孔成像現(xiàn)象。
如今，光既是科學(xué)前沿又是應(yīng)用前沿，與光有關(guān)的先進(jìn)科技在人們的日常生活中普遍應(yīng)用，光通信、量子通信還開(kāi)創(chuàng)了人類通信的新前景。在載人航天、探月工程、深空探測(cè)、大氣—海洋—陸地觀測(cè)領(lǐng)域的重大科技任務(wù)中，光學(xué)研究尤其是紅外光學(xué)研究起到關(guān)鍵作用，為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)國(guó)家安全提供了強(qiáng)有力的支撐。
在探索“光是什么”的過(guò)程中，筑起科學(xué)大廈的堅(jiān)強(qiáng)基石
光是什么？這個(gè)問(wèn)題一直為人類所好奇，也是一代又一代光學(xué)研究者前進(jìn)的動(dòng)力。在“追光”路上，在不斷探索解答“光是什么”的過(guò)程中，與光有關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展，日益造福人類。
光譜就是“追光”路上的重要發(fā)現(xiàn)。紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫，17世紀(jì)60年代牛頓使用三棱鏡，將太陽(yáng)入射光分成7種顏色，使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)從簡(jiǎn)單的照亮物體的光線，演進(jìn)為按顏色分散排列的光譜。這一重要發(fā)現(xiàn)來(lái)自常見(jiàn)的自然現(xiàn)象——雨后的彩虹。彩虹是由不同波長(zhǎng)的光通過(guò)不同角度折射而成。紅花綠葉、青山綠水，也是由于太陽(yáng)光照射到它們身上，反射各種顏色的光，進(jìn)入人的眼睛里，我們才得以看到多姿多彩的世界。
進(jìn)而，科學(xué)家們記錄了可見(jiàn)光范圍的光譜圖。光譜圖是復(fù)色光通過(guò)色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）進(jìn)行分光后，依照光的波長(zhǎng)（或頻率）大小順次排列形成的圖案。通俗地說(shuō)，不同物體會(huì)反射不同顏色的光，所有的顏色都可以在光譜圖上找到。通過(guò)對(duì)光譜圖的研究，人們得到了原子、分子等的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命以及電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等許多關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。這些光物理領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)研究成果，成為筑起科學(xué)大廈的堅(jiān)強(qiáng)基石。
光并不總是肉眼可見(jiàn)的，比如紅外輻射。1800年，天文學(xué)家赫歇爾在用水銀溫度計(jì)研究太陽(yáng)光譜的熱效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)紅光外面看不到的區(qū)域溫度升高效果更好，他稱這一區(qū)域?yàn)椤昂跓岷邸?。后?lái)，人們把這部分看不到但是能測(cè)到熱量的光，叫做紅外輻射。如今，紅外輻射的應(yīng)用十分廣泛，我們身邊檢測(cè)體溫的設(shè)備，大多是通過(guò)檢測(cè)人體的紅外輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。
電磁波也是在探尋“光是什么”的過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)的。有人認(rèn)為光是微小的粒子流，也有人認(rèn)為光是一種波。19世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，從無(wú)線電波到紅外光、可見(jiàn)光、紫外光、X射線都是同一本性的電磁波。分成7種顏色的可見(jiàn)光，只是整個(gè)電磁波譜中波長(zhǎng)從400納米到780納米的很窄的一段電磁波。根據(jù)光的電磁波理論，人們?cè)?9世紀(jì)末20世紀(jì)初，實(shí)現(xiàn)了2公里距離的無(wú)線電通信，并最終發(fā)明了無(wú)線電報(bào)。時(shí)至今日，工作生活所必備的電話通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，都依托這一理論而來(lái)。
現(xiàn)代物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，光既是波又是粒子，即光的波粒二象性，這是人類對(duì)“光是什么”認(rèn)識(shí)的又一大進(jìn)步。借助這一理論，科學(xué)家從“波”的角度分析電子，找到了電子的波長(zhǎng)與其質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)動(dòng)量的關(guān)系，進(jìn)而發(fā)明了電子顯微鏡。經(jīng)過(guò)近百年努力，電子顯微鏡的分辨率可以高達(dá)1埃（0.1納米）量級(jí)，能夠直接觀察到單個(gè)原子，成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)不可缺少的利器。當(dāng)今科學(xué)最前沿的光量子通信，也是用光的波動(dòng)性傳播信號(hào)。我們發(fā)射的“墨子號(hào)”衛(wèi)星，進(jìn)行了大量的高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，為構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系奠定了基礎(chǔ)。
解開(kāi)更多光的“謎題”，用光的新發(fā)現(xiàn)新應(yīng)用照亮人類生活
身處信息社會(huì)，光的作用進(jìn)一步得到凸顯。半導(dǎo)體器件已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計(jì)算、自動(dòng)駕駛、智慧醫(yī)療等設(shè)備的基礎(chǔ)元件，在各種各樣的半導(dǎo)體器件里，都有與光有關(guān)的部分。自從人們發(fā)現(xiàn)了光的折射反射、波粒二象性后，固體光譜為半導(dǎo)體發(fā)展打開(kāi)一扇大門。沒(méi)有固體光譜，就無(wú)法制造出晶體管，先進(jìn)集成電路就無(wú)從談起。光刻是集成電路制造中的重要工藝，隨著器件尺寸、結(jié)構(gòu)、功耗等需求的提升，半導(dǎo)體制造需要波長(zhǎng)越來(lái)越短的光，當(dāng)前最先進(jìn)的半導(dǎo)體光刻工藝用到了極紫外光（EUV）。生活中，通過(guò)極快反應(yīng)速度傳感器實(shí)現(xiàn)的光學(xué)避障，讓汽車具備了緊急避險(xiǎn)功能，已經(jīng)是自動(dòng)駕駛技術(shù)的必備要素；而各類半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，則給掃地機(jī)器人等智能家電裝上了“眼睛”。
可以說(shuō)，與光有關(guān)的新技術(shù)，既為尖端科技作出了貢獻(xiàn)，也為日常生活提供了便利。以航天遙感為例，衛(wèi)星等航天器通過(guò)多種半導(dǎo)體器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地觀測(cè)和光譜成像，顯著改善了我們的生產(chǎn)生活。上世紀(jì)80年代末，風(fēng)云氣象衛(wèi)星從太空“看”地球，大大提高了天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。2018年，我國(guó)成功發(fā)射了世界首顆可對(duì)大氣和陸地綜合觀測(cè)的全譜段高光譜衛(wèi)星高分五號(hào)。所謂高光譜探測(cè)技術(shù)，是指在獲取目標(biāo)空間幾何信息的同時(shí)，獲取寬波段范圍內(nèi)目標(biāo)光譜特性曲線的多維成像技術(shù)。簡(jiǎn)言之，高分五號(hào)可同時(shí)采集目標(biāo)的幾何、輻射及光譜信息，通過(guò)目標(biāo)的光譜曲線，像識(shí)別指紋一樣辨析目標(biāo)。
在距離地面700多公里的太空遨游，高分五號(hào)的“視力”有多好？借助高光譜探測(cè)技術(shù)，甚至可以靈敏地識(shí)別出同一型號(hào)鋼材的材質(zhì)與工藝。通過(guò)高分五號(hào)在軌采集的數(shù)據(jù)，我們可以監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境、土壤污染、各類災(zāi)害情況，比如探測(cè)森林火災(zāi)、雪災(zāi)、沙塵暴和水流污染情況，還可以探測(cè)礦產(chǎn)資源，規(guī)劃城市布局，測(cè)算土壤有機(jī)碳含量、水分指數(shù)，預(yù)估農(nóng)作物產(chǎn)量，推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)，助力生態(tài)文明發(fā)展。
光的作用已經(jīng)開(kāi)發(fā)殆盡了嗎？遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有。從科學(xué)研究角度出發(fā)，還有許多光的問(wèn)題尚無(wú)答案，還有新的利用方式有待開(kāi)掘。光化學(xué)、光生物學(xué)方面，就有許多未解之謎。尤其是植物生長(zhǎng)的光合作用，如果科學(xué)家能最終解開(kāi)這一謎團(tuán)，那么真正的“人造食物”就能產(chǎn)生，將為人類解決生存問(wèn)題提供新的答案。在光能利用方面，也有一些重大課題。太陽(yáng)是地球的生命之本、能量之源，太陽(yáng)能發(fā)電逐步推進(jìn)的過(guò)程中，由硅基太陽(yáng)能電池板組成的太陽(yáng)能電站仍有很大發(fā)展空間。
還有一些科學(xué)前沿問(wèn)題，比如光的“克星”——宇宙黑洞。100多年前，愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞的存在。隨著黑洞相關(guān)研究成果的不斷涌現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)，比較近的黑洞距離地球大約5000萬(wàn)光年，光進(jìn)入黑洞后會(huì)被吞噬，消失得無(wú)影無(wú)蹤。這不僅是科幻作品里的情形，更是科學(xué)家們孜孜以求的探索課題。包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的全世界科學(xué)家經(jīng)過(guò)廣泛合作，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)，觀測(cè)到黑洞邊緣吸積和噴流形成的黑洞口圖像，并將其拍成照片。這是人類認(rèn)識(shí)黑洞的第一步，關(guān)于光與黑洞的關(guān)系，還需要繼續(xù)探索。
遠(yuǎn)古時(shí)候，火把的光照亮了人類文明，科技飛速發(fā)展的今天，獲取光的新知、開(kāi)發(fā)光的新用，有待更多“追光者”一同努力，讓光的科技應(yīng)用更好照亮人類生活。
（作者為中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員）
責(zé)任編輯：魏敏
