光学千年系例：
2.9 一些新光学现象
光学的现代发展中还有一些尚没有形成一个明确的分支学科的研究内容，我们这里选择几个作为光学的新现象略作陈述。
首先是电磁感应透明（electromagnetically induced transparency--EIT）和所谓“慢光和快光”（“slow and fast light”）现象。EIT是1990年S.E.Harris等人提出的一种3能级原子系统中用一个较强的光场（耦合场）相干耦合一个原子跃迁，使另一个原子跃迁频率的光（探测场）不会被原子吸收，原子介质对该频率显得透明的现象。这是原子的内态量子相干导致的现象。实际在Harris等明确提出EIT现象之前的十多年时间里，使用两个相干光场与原子相互作用产生量子相干现象已有较深入的研究，其中最重要的是1976年的相干布居陷俘（coherent population trapping-CPT）。这是在上述这类3能级原子模型中当原子初态和两个激光场的频率、强度为特定值时，使得原子不会处在最上的能态（a能级），只可能“布居陷俘”在下面两个能态的现象，其物理实质是a-e跃迁和a-g跃迁间相消干涉的结果，系统处于的态称“暗态”（dark state）。之后的1988、1989年间，苏联科学家已产生与Harris相似的有关EIT的认识。1991年Harris 研究组发表了EIT首次观察到的实验报道，在锶（Sr）原子本该有强烈吸收的共振线因耦合场的存在而显示一个很好的透明峰。从此，研究EIT的热潮掀起，至今已在不同形式的3能级或多能级原子系统中、甚至固体介质中观察到不同频段的EIT。EIT提供了一种新的方法来改变物质在特殊频区的光学特性，如吸收、折射或群速度等，因此也就有了一种改变光场在这个频区传播的新途径，或因非线性增强而加强了新光场的产生。
显示EIT现象的3能级原子施加激光场示意图（a-e跃迁加耦合场，a-g跃迁加探测场）
与EIT密切相关的一些新奇物理现象随后得到了研究，其中最有影响的恐怕要数所谓“慢光”（“slow light”）和“停止光”,“stoppedlight”）了。利用EIT产生的这种效应实际是减慢光脉冲在介质中传播的群速度，物理上是因为在EIT透明峰区介质体现巨大梯度的正色散，从而群速度降至极低。在这方面研究中最有影响的可能是Hau等人在超冷原子气体中得到 17 m/s 的光群速；进一步控制耦合光的研究使光脉冲甚至在介质中“stopped”（最初文献中用语），物理上可以看成“光脉冲暂时转换至物质的自由度，之后再转化回光场”。这对光信息的存储当然很有价值。应该指出的是，虽然上述非常极致的研究都是在超冷原子体系中做的，但在想法克服了热原子体系谱线的多普勒增宽的影响后，这类研究也都在热原子体系中得到了实现。
没有耦合场的透过谱 ， 有耦合场的透过谱
EIT还推动了另一新奇物理现象“少光子非线性”（few-photon nonlinearity）的研究。在通常的原子介质中，共振效应虽然可以显著增强介质的非线性极化率，但共振时强烈的吸收使非线性过程实际无法进行。EIT介质恰好可以在共振线消去吸收，又因为量子相干的敏感性，使得即便在很弱的光场中仍表现出强烈的非线性，一系列EIT增强非线性实验成功实现，弱光非线性、甚至少光子非线性、单光子非线性研究也随之开展。
谈过了“慢光”现象，不得不简单提一下“快光”（“fast light”）现象，这是一个颇有趣味和探索性的课题。目前已有若干个光在某些介质中传输的群速度大于真空中光速的实验报道，文献上常称superluminal现象（国内常用词“超光速”）。从前面对“慢光”的讨论可推测，若介质在一定频区可实现反常色散并保持一定透明度，就有可能在这种介质中实现光群速超过真空中的光速，甚至也可成为负值。情况正是这样，已在增益辅助反常色散介质中、电磁感应吸收（EIA）介质中、光子隧道效应实验中观察到这类“快光”现象，这些文献都强调他们的观测并不违背因果律（causality）。
接着我们转向讨论另一个光学新现象，光的轨道角动量（orbital angular momentum -OAM），这是一个1992年才提出的课题。在此之前，人们已经知道光波具有光压和偏振，分别对应量子论里光子具有动量和自旋角动量。1992年，L.Allen等人指出，一个光束若具有exp(-ilФ)形式的轴向相位时（Ф是光束横截平面上的方位角，l是正负整数），会具有一种与偏振态无关的另一种角动量，即所谓轨道角动量。这样的光束具有螺旋状波阵面(通常不具有轨道角动量的光束（l=0）波阵面是平面)，坡印亭矢量沿着绕光束轴的螺旋线(通常不具有轨道角动量的光束坡印亭矢量平行光束轴)，在光束横截平面上轴上光强为零，形成“光学涡旋”（optical vortex）。这里的整数l给出了方位角Ф转动一周时轴向相位变化2π的次数，也是表征光学涡旋的“拓扑荷”（topological charge）。这个轨道角动量对应了束中每光子具有角动量L=lℏ，这是不同于自旋这种内禀角动量的新的角动量。文献还指出，已知的高阶拉盖尔-高斯光束（Lagueree- Gaussian beam）就是这样的光束，它可以方便地用一个光学系统从激光技术中很普遍的高阶厄米-高斯光束（Hermit- Gaussian beam）转换过来。其实拉盖尔-高斯光束也是激光谐振腔中的本征模，但通常不容易激发出来，不如用厄米-高斯光束来转换方便一些。承担转换任务的光学系统可以是柱透镜对（pair of cylindrical lenses），或者计算全息（computed hologram）器件等。这种转换有点类似用一块四分之一波片将线偏振光转换成圆偏振光。
具有OAM的光束的波阵面（左），横截面光强（右上）和相位（右下）
产生和操控不同轨道角动量的光束的可能性在光学中开创了令人振奋的新的机会。光子轨道角动量加入到原有的光子能量（频率或波长）、动量（传播波矢）、自旋角动量（偏振态）队伍中，是光子的新的可观测的物理量，新的独立的自由度。事实上，1995年实验上将光束的轨道角动量传递给物质微粒,观察到了物质微粒被驱使发生了转动，其作用仿佛“光学扳手”。这可以看成是光子具有轨道角动量的首次观测，其重要意义堪比80年前将线偏振光用波片变换为圆偏振光，检测波片显示的反冲扭矩，从而证实光子具有自旋角动量的著名实验。从物理上看，光（光子）的所有物理量，都可以在与物质相互作用时体现出效应。例如，在与原子相互作用时，自旋角动量会因光子的偏振态的变化传递到原子的内部自由度，而轨道角动量则传递给原子的外部自由度，后者已用来在超冷原子气体中产生量子涡旋。
用柱透镜对将厄米-高斯光束转换成拉盖尔-高斯光束
光的轨道角动量研究既有基础研究意义也有应用研究价值。轨道角动量是人类新认识的光子的一个独立自由度。比较光子的自旋角动量仅能取2个值，只能承载二维空间的信息，光子轨道角动量能取多值（不同的l），能承载高维空间的信息，是实现高维量子体系的理想模型。因此，光子轨道角动量受到了量子信息领域研究者的青睐，轨道角动量在量子纠缠态操控、旋转Doppler效应测量方面进展迅速。2015年我国学者在单光子多自由度量子隐形传态方面的杰出工作即是一例，他们工作中就应用了轨道角动量这个自由度。轨道角动量还可应用于微观世界的微操控，包括生物研究中的微机械、微纳尺度下的激光囚禁操控、微马达等。
我们再讨论一种光学新现象：随机激光（random laser），也就是无序介质中的激光（lasing in disordered media）。这方面的认识最初始于二十世纪六十年代，苏联人Letokhov等人提出了使用散射体散射反馈的非谐振腔反馈激光。十多年后的八十年代又是苏联人Markushev等人在掺钕激光晶体粉末中观察到激光，认为是尺寸比光波长大得多的晶体粉末颗粒起到了激光谐振腔的作用，粉末激光（powder laser）的研究于是兴起。从九十年代初Lawandy等人报道了含有微颗粒(TiO2)的激光染料溶液(Rh 640)中的受激发射，激起了许多扩散媒质中光放大的实验和理论研究，“随机激光”这个术语开始出现。它的含义是由于随机散射机制形成反馈的激光，这与通常激光器用镜片反射提供的反馈很是不同，从这个意义上说，随机激光器是无反射镜的激光器。
在一个包含若干散射体的增益介质中，光在逃离增益介质前会被散射许多次。散射增加了光在增益介质内的停留时间，或路径长度，提高了光的放大。我们不再需要反射镜来将光局限在增益介质中，因为散射自身也可完成这件事。由于强烈的光散射通常发生在高度无序的介质中，单词“随机”就使用来描述基于这种性质运作的激光器。
无序增益介质中多重散射的示意图 （有些光散射可能形成一个闭环）
从物理上看，随机激光是一种基于无序引起光散射的反馈机制的非传统激光，其谐振腔不是由反射镜而是由无序的增益介质中的多重散射构成。依据散射提供的反馈是强度反馈还是振幅的反馈，随机激光器分为两类：非相干反馈随机激光器和相干反馈随机激光器。非相干反馈随机激光器已经在聚合物、液晶甚至生物组织中实现；相干反馈的随机激光器已在半导体纳米结构、有机膜及纳米纤维、有机/无机复合材料中实现。
ZnO纳米颗粒在光泵浦下的发射谱（上：低于阈值，下：高于阈值）
华裔女科学家曹慧（Cao Hui）在相干反馈随机激光器研究方面作出了开创性的贡献。她最早报道在高度无序半导体(ZnO)纳米结构中相干反馈类型的激光过程，与以前的强度反馈的随机激光不同，这里的反馈是振幅的反馈，因此是共振或相干的反馈，被称为相干随机激光。她的研究组在2000年前后进行了一系列深入细致的研究，包括激光阈值测定、激光光谱、发射模式、动态响应、光子统计、散斑图案、理论模型等，为局域激光在微米尺度空间中的所谓微随机激光器（micro-random laser）研究奠定了理论和实验基础。
无序介质中的受激辐射过程有深刻的物理意义和丰富的物理现象, 这同光子的局域化密切相关。在技术应用方面，随机激光器在可以作为光子器件和线路中的有源元件，一个微随机激光器就是一个微米尺度的微缩光源。另外，基于光散射反馈机制的随机激光具有在那些没有有效反射元件的光谱域制造激光器的前景，如X射线和γ射线区。随机激光的多方向输出使得它适合于在显示器中使用。在医疗领域，随机激光器可用于肿瘤的检测和光动力治疗，微随机激光器还可用于提供生物和医学研究的光学标签。
关于随机激光研究更详细的内容可进一步参看综述文献。
3 光学的技术应用
由于光学显著的基础性和实用性，基于光学的技术应用已充斥到人类各种活动的方方面面，特别是激光的出现极大地改变了人类的科学活动和社会活动，光已成为我们生活中最重要的元素之一。
我们扼要地罗列一下一些重要的光学的技术应用。
首先必须要提到的是望远镜和显微镜，一个目标是宇宙之大，一个追求的是细微之末。形形色色的望远镜和显微镜的诞生不断考验着人类的智慧。
望远镜是17世纪初荷兰人李普希（H.Lippershey）用磨制的玻璃透镜发明的,他1608年申请了专利。消息传到意大利，伽利略立即自己设计制造，1609年独立制成了一台望远镜，因此他是最初制造出望远镜的人之一，并最早（1610）用来进行天文观测。在这时期涉足这类折射式望远镜设计制造的还有开普勒，他1611年进行了双凸透镜的望远镜设计，可惜没有去制作。后来（1665）还有惠更斯制成用于天文观察的几米长的折射式望远镜。反射式望远镜的设计思想最早由英国人格里高利（J.Gregory）1663年提出，但第一个具体设计并制造出反射式望远镜的却是伟大的牛顿（1668）。之后，大型光学望远镜基本上沿着反射式的方向发展，克服了种种技术困难，口径越做越大，目前运转的最大的是10米的Keck望远镜，更大的30米的TMT望远镜正在建造中。另外，在太空工作的著名的哈勃（Hubble）望远镜已运转20多年。
建设中的TMT天文望远镜
在太空中工作的哈勃望远镜
显微镜的发展史也始于17世纪的荷兰。大约在1595年，詹森父子（Hans Jansen & ZachariasJansen）发现将几个镜片装在管中，可以看到近处的物体显着放大，这是光学复式显微镜和望远镜的先驱。1609年，伽利略听到这些早期的实验，也制成了自己的显微镜。稍后一些年，列文虎克（Van Leeuwenhoek (1632–1723)）和胡克（Robert Hooke (1638–1703)）都制成了更好的显微镜，并用于观察微生物。“细胞”（cell）这个词就是胡克在这些观察报道中提出而被后世沿用至今的。400多年来，光学显微镜技术的发展已有很多里程碑式的飞跃（NATUREMilestones in Light Microscopy），已发展出荧光显微镜、相衬显微镜、偏振显微镜、扫描近场光学显微镜、共焦显微镜、双光子显微镜、单分子显微镜，以及最近的光激活定位显微镜（PALM）和受激发射损耗显微镜（STED）等。当然，非光学的显微镜，如电子显微镜、扫描隧道显微镜也长足发展起来。
现代共焦显微镜
光学的技术应用已遍布各个领域，其中极有显示度的是琳琅满目的、各式各样的光学仪器，如成像仪器、光谱仪器、干涉仪器、光学计量仪器、光学检测仪器、光学试验仪器等。本文不拟对所有类型的光学仪器展开讨论，仅罗列少数几类的一些名目。例如成像仪器中有各式各样的照相机，特别现今使用最广的光学数码相机，以及全息照相机、立体照相机、光场照相机等；还有各式摄像机，以及虚拟成像仪、相关成像仪、计算光谱成像仪等。光谱仪器有各种谱段（红外、可见、紫外…）的各种分光元件（棱镜、光栅…）的光谱仪、单色仪，以及拉曼谱仪、色谱仪等。干涉仪器是一个更大的家族，形形色色的干涉仪中有迈开尔孙干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、沙克拉克干涉仪、强度干涉仪、瑞利干涉仪、斐索干涉仪、雅满干涉仪、傅利叶变换干涉仪、贾民干涉仪、陆末-格尔克干涉仪、泰曼-格林干涉仪、科斯特干涉仪、相移干涉仪、相干扫描干涉仪、全息干涉仪、光子多普勒速度干涉仪等…。特别值得一提的是，2016年2月11日美国科研人员宣布，他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO）于去年9月首次直接探测到了引力波，印证了爱因斯坦100年前的预言。 LIGO有两个观测点，一个位于华盛顿州的汉福德（Hanford）,一个位于路易斯安那州的利文斯顿（Livinston），每处都有一台两臂的臂长都是4 km长的迈开尔孙干涉仪。当引力波到达时，干涉仪的两臂的光程会有少许的不同，引起干涉条纹的变化，测量精度可达到千分之一个质子半径的这种匪夷所思的精度。这是干涉仪用于科学研究的极好范例。
激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitation-Wave Observatory)
光学的技术应用最深广的要算激光的应用了。在科学的各个分支领域，激光几乎应用到所有的学科，包括化学、生物、材料、信息、能源、考古…。在其它领域，如工业、通讯、医学、军事、农业、航空航天、文化…，激光的应用也处处可见。在这里我们仅举几个这些技术应用的实例。
激光在工业方面的应用。首先是激光机械加工，如激光打孔、激光切割、激光焊接、激光清洗、激光表面强化（激光淬火、退火，激光熔凝、激光熔敷、激光合金化、激光非晶化、激光冲击表面强化）等。还有激光成形、激光3D打印、激光化学工业制造、激光照排，激光工业显微技术，激光光刻技术…。
激光焊接
激光切割
激光在医疗方面的应用。光学用于医学由来已久，典型的例子是显微镜。激光一问世后1961年就有人探索将其用于医学。到目前为止，激光已广泛用于临床各科，如激光眼科治疗、眼底照相机、角膜曲率计、激光矫正视力，视网膜脱落激光凝固术、体内内窥镜、医用激光手术刀（对组织进行切割和分离，气化和融解，烧灼和止血，凝固和封闭）、医用激光照射仪（对组织进行离焦照射，对穴位进行照射，激光针灸）、激光动力学治疗癌症、激光整容和美容等。想详尽一点了解激光在医学方面的应用的读者可参看文献。
体内内窥镜广泛应用于医疗
飞秒激光用于手术
激光在军事方面的应用。这是激光应用有广阔空间的一个领域，也是大国战略角力中的重点区域。在高能激光武器，激光致盲武器、激光制导，激光雷达，激光预警，激光遥感、激光通讯，激光陀螺，潜望镜、水下兰绿激光通信等方面，技术的发展年年飞跃、日新月异。这方面的内容读者可参看文献。可以预计，21世纪一定会是激光全面应用于军事的世纪。
高能激光武器
激光雷达
激光的技术应用太过广泛，难于在本文全面阐述。实际上还有一些重要的应用，如激光测距、激光通信、激光热核聚变点火、激光分离同位素、激光加速粒子、激光显示、激光存储等等，不再一一罗列。
4结语
我们已经围绕国际光年纪念的光科学历史上的一系列里程碑式的重要成就，对光学千年的发展作了一次回顾；还力图从物理学的视角给光学、特别是现代光学一个概貌式的观察。在结束本文时，我们对光学作一个总的概括。
光学是人类对光的认识。
光学研究光的本性，光的产生、传播、探测，以及光和物质的相互作用。
光学的显著特点是它在科学上的基础性及在应用上的广泛性。
光学是一门古老的科学，它的历史差不多和力学一样悠久。近代光学又是一门年青的、朝气蓬勃的科学，它首先由于20世纪初能量量子的发现而经历了一场彻底的革命，接着又由于 1960年激光的出现而展现出迷人的新姿。
说光学的历史悠久，实际光存在的历史更要遥远漫长得多。按现代宇宙学，现今的宇宙起源于原初的大爆炸，因此光辐射的存在要早于原子、分子、凝聚体等物质。在人类出现在地球上后，原始人一定会对光有最强烈的感受。日光、月光、星光、闪电光一定会激发远祖们产生人类所特有的最初的思考和感情。追随对光的认识在人类文明史上的发展历程，我们会看到一个特别的现象，那就是宗教和科学都同样钟情于光。我们在圣经的《创世纪》中看到这样的文字：“太初，神创造天地。……神说：‘要有光！’就有了光。……”另一方面，我们也看到历史上伽利略、牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦四位科学巨人都致力过光的研究。可以说，没有哪一个物理学的分支，得到过这样多位大师的青睐。
相对于光学的悠久历史，光学的现代发展却是面貌日新。一般将1960年激光器发明后的新阶段的光学划为现代光学。激光的出现极大地改变了人类的科学活动和社会活动。现今，你很容易在人类的这些活动中找到激光的应用。激光出现后光学迅速地发展出了许多新的分支，如激光物理、激光光谱学，非线性光学，超快(超强)光学、量子光学、原子光学、纳米光学……。这些现代光学的发展除了大大丰富了人们对光的认识外，还给整个科学技术带来了福音。例如，上个世纪八十年代，锁模激光技术的发展使人类的时间分辨本领进入到飞秒(10-15秒)量级；激光冷却原子的技术发展使人类在实验室中产生了纳开(10-9开)量级的极低温；量子光学和非线性光学的结合使人类有能力利用光的压缩态做出低于量子噪音极限的精密测量……。现代光学如何造福于人类，还可从2009年度诺贝尔物理学奖获得者高琨开拓的光纤传输清楚的显示，光纤光通信对当今社会的信息化所起的巨大作用实在是太明白不过了。
总而言之，人类对光的认识源远流长，光学是人类文明的知识宝库中极为灿烂的一部分；现代光学是现代科学发展中最为活跃的分支之一，也是影响人类社会最为深刻的分支之一。
我们应该让我们的民众清楚的认识到光科学的发展及其对人类文明进步所起到的巨大作用，以及对人类社会的持续发展的重要意义。
李师群/文 中国物理学会期刊网
发表于 2016-11-7 01:50
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