什么是光子學？

本文概述了光子學，包括其基本原理、關鍵技術、應用和新興趨勢。

一、光子學的基本原理

光子學是一門研究光和其他形式輻射能的學科。它涉及使用光學元件、激光、光纖和電子光學儀器來產生、操縱和檢測光。它包括發(fā)射、傳輸、偏轉和放大等過程。

光子學的應用非常廣泛，從能源生產和檢測到電信和信息處理，無所不包。它對通信、醫(yī)療保健、導航和天文學等各個領域產生了重大影響，成為現(xiàn)代技術和科學認識的重要組成部分。

二、歷史背景

“光子學”一詞由法國物理學家Pierre Aigrain于 20 世紀 60 年代提出，并在1980年代通過貝爾實驗室和休斯飛機公司等機構的出版物獲得認可。

最初，光子學側重于將光應用于傳統(tǒng)上由電子設備處理的任務。然而，隨著激光器的發(fā)明，光子學迅速發(fā)展，出現(xiàn)了光纖、激光二極管和集成光子電路等創(chuàng)新技術。

這些發(fā)展實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸、增強了醫(yī)療程序和改進了制造工藝，展示了光子學對各行各業(yè)的廣泛影響。

三、光子學的關鍵技術

光子學包含一系列以操縱光為中心的工具和技術。一些最基本的技術包括

1.成像

光子成像技術可捕捉和處理環(huán)境信息，應用范圍從智能手機拍照到先進的醫(yī)療程序，如用于顯微外科手術的光學相干斷層掃描。該領域涵蓋各種成像技術，如多光譜、熱成像、超光譜、光聲成像、重力成像和斑點成像。

2.激光

激光可產生高度集中的光束，從而實現(xiàn)激光雷達、數(shù)字投影和條形碼掃描等應用。激光器用途廣泛，從大型同步加速器到微型垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，每種激光器都可用于特定任務，包括工業(yè)切割和醫(yī)療程序。 傳感器

傳感器可將光轉換為電信號，促進從照相機到醫(yī)療診斷和環(huán)境傳感器等各種應用中的光檢測和測量。

3.透鏡和顯微鏡

透鏡通過折射操縱光線，實現(xiàn)放大和像差校正功能。透鏡的效果受其形狀和材料(如塑料、石英玻璃和硼硅玻璃)的影響，每種透鏡都具有適合不同波長和操作條件的獨特性能。

顯微鏡使用熒光顯微鏡和超分辨率顯微鏡等光學技術來觀察微小物體和現(xiàn)象。超分辨顯微鏡超越了衍射極限，可實現(xiàn)納米級結構的可視化。

4.光纖

光纖是由玻璃或塑料制成的細線，有助于高速數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在光纖通信中。與傳統(tǒng)電纜相比，光纖具有更長的傳輸距離和更高的帶寬等顯著優(yōu)勢，可應用于照明、成像和傳感技術。

5.光譜學

光譜學分析光與物質的相互作用，以確定材料及其特性。它可應用于化學、生物和環(huán)境監(jiān)測領域，根據(jù)光譜特征對物質進行精確識別。

6.高速連接

光纖網(wǎng)絡為全球通信帶來了革命性的變化，實現(xiàn)了高速互聯(lián)網(wǎng)并為數(shù)字世界的基礎設施提供了支持。一根光纖可同時傳輸數(shù)百萬個電話，大大提高了連接性和網(wǎng)速。

太赫茲光子學的最新進展有望利用毫米波頻率提升 5G 技術，從而增強高速連接并減少電磁頻譜擁塞。

7.醫(yī)療保健

在生物學和醫(yī)學領域，光子技術可實現(xiàn)微創(chuàng)手術、早期疾病檢測和先進的成像技術。例如，光學相干斷層掃描(OCT)可實現(xiàn)阿爾茨海默氏癥和青光眼等疾病的早期檢測。

生物光子學在生物醫(yī)學中采用光基技術，在分析分子過程、增進對疾病起源的了解以及支持開發(fā)預防措施和新療法方面發(fā)揮著至關重要的作用。

8.智能農業(yè)解決方案

高光譜成像、光譜學和機器視覺增強了自動化農業(yè)分揀、檢驗和測試。這些技術提高了耕作效率和食品安全，而光照管理則為水培溫室提供了支持，使食品生產能夠在具有挑戰(zhàn)性的氣候條件下進行。

9.自動化制造

光子學通過改進成像和計算技術，提高了自動化水平，使機器人能夠處理復雜的任務，如分揀垃圾，從而改變了制造業(yè)。激光越來越多地用于精密切割和焊接，提高了生產效率，支持大批量、高成本效益的操作，同時實現(xiàn)大規(guī)模定制，促進資源節(jié)約型制造流程。

10.清潔能源

光子學在清潔能源領域發(fā)揮著至關重要的作用，它使太陽能電池板中的光伏電池能夠將太陽光轉化為可持續(xù)的電力。量子點和過氧化物等材料的進步顯著提高了太陽能效率。

例如，隆基最近創(chuàng)下了商用 M6 尺寸晶圓級硅-perovskite 串聯(lián)太陽能電池效率達到 30.1% 的世界紀錄。這些發(fā)展提高了能源生產，并支持全球為實現(xiàn)可持續(xù)能源解決方案所做的努力。

四、新興應用

1.超表面

超表面能夠制造出具有可定制特性的扁平、緊湊型光學元件，因而在光子學領域大放異彩。它們通過納米級的幾何配置來操縱光的特性，如相位、振幅和偏振。

最近，亞利桑那州立大學的研究人員開發(fā)出了一種可擴展的功能超表面制造技術，實現(xiàn)了快速、高效和低成本生產。這種方法支持各行各業(yè)(包括微電子和信息處理)從研究到商業(yè)應用的過渡。

2.量子光子學

光子學與量子力學的結合促進了量子光子學的發(fā)展，它利用光的量子特性推動光子技術超越傳統(tǒng)限制。例如，量子傳感器利用量子態(tài)的高靈敏度應用于醫(yī)療、國防和通信領域，可實現(xiàn)原子級成像和引力波探測。

在計算領域，谷歌的 54 量子比特 Sycamore 量子處理器在 200 秒內完成了一項需要超級計算機 10,000 年才能完成的任務，充分體現(xiàn)了量子光子學對現(xiàn)代技術的變革性影響10。

3.硅光子學

由于數(shù)據(jù)中心對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嘣鲩L以及 5G 技術的推出，硅光子學變得越來越重要。硅光收發(fā)器促進了數(shù)據(jù)中心內的互聯(lián)，預計未來的發(fā)展重點是芯片內通信。

發(fā)表在《自然-電子學》(Nature Electronics)上的一項研究介紹了一種高性能硅光子發(fā)射器，其速度達到每秒112千兆波特和224千兆比特，同時能耗保持在每比特皮焦耳以下。這種與 CMOS 兼容的設計代表了高速通信技術在成本效益方面的進步。

4.機器視覺與人工智能

機器視覺與人工智能的融合正在改變各行各業(yè)的自動化，提高制造和裝配流程的效率。這種融合可實現(xiàn)實時監(jiān)控和分析，從而快速做出決策并大幅降低運營成本。

例如，清華大學的研究人員開發(fā)了一種光學并行計算陣列(OPCA)光子芯片，可以在納秒級的時間內處理圖像。這種芯片將人工智能驅動的分析直接集成到光學處理中，繞過了光電轉換的需要，為自動駕駛和工業(yè)檢測等邊緣智能應用實現(xiàn)了更快的圖像處理。

5.等離子體

等離子體學是一個探索電磁場與金屬中電子之間相互作用的子領域，它使光的定位超越了衍射極限。最近，通過 “陰影生長 ”等技術在等離子納米材料方面取得的進展，可以創(chuàng)造出具有可調光學特性的納米級結構，并有望應用于納米機器人的藥物輸送、光子設備和手性光譜學。

五、結論

光子學已成為我們不可或缺的技術領域，推動著通信、醫(yī)療保健和清潔能源領域的創(chuàng)新。量子技術與人工智能的融合有望提高各行各業(yè)系統(tǒng)的效率和效力，帶來突破性的進步，重塑行業(yè)格局，提高生活質量。

審核編輯 黃宇