什么是光子學(xué)？

本文概述了光子學(xué)，包括其基本原理、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用和新興趨勢(shì)。

一、光子學(xué)的基本原理

光子學(xué)是一門研究光和其他形式輻射能的學(xué)科。它涉及使用光學(xué)元件、激光、光纖和電子光學(xué)儀器來產(chǎn)生、操縱和檢測(cè)光。它包括發(fā)射、傳輸、偏轉(zhuǎn)和放大等過程。

光子學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，從能源生產(chǎn)和檢測(cè)到電信和信息處理，無所不包。它對(duì)通信、醫(yī)療保健、導(dǎo)航和天文學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，成為現(xiàn)代技術(shù)和科學(xué)認(rèn)識(shí)的重要組成部分。

二、歷史背景

“光子學(xué)”一詞由法國(guó)物理學(xué)家Pierre Aigrain于 20 世紀(jì) 60 年代提出，并在1980年代通過貝爾實(shí)驗(yàn)室和休斯飛機(jī)公司等機(jī)構(gòu)的出版物獲得認(rèn)可。

最初，光子學(xué)側(cè)重于將光應(yīng)用于傳統(tǒng)上由電子設(shè)備處理的任務(wù)。然而，隨著激光器的發(fā)明，光子學(xué)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(shù)。

這些發(fā)展實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸、增強(qiáng)了醫(yī)療程序和改進(jìn)了制造工藝，展示了光子學(xué)對(duì)各行各業(yè)的廣泛影響。

三、光子學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)

光子學(xué)包含一系列以操縱光為中心的工具和技術(shù)。一些最基本的技術(shù)包括

1.成像

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

2.激光

激光可產(chǎn)生高度集中的光束，從而實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)、數(shù)字投影和條形碼掃描等應(yīng)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(wù)，包括工業(yè)切割和醫(yī)療程序。 傳感器

傳感器可將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，促進(jìn)從照相機(jī)到醫(yī)療診斷和環(huán)境傳感器等各種應(yīng)用中的光檢測(cè)和測(cè)量。

3.透鏡和顯微鏡

透鏡通過折射操縱光線，實(shí)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(zhǎng)和操作條件的獨(dú)特性能。

顯微鏡使用熒光顯微鏡和超分辨率顯微鏡等光學(xué)技術(shù)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(shí)現(xiàn)納米級(jí)結(jié)構(gòu)的可視化。

4.光纖

光纖是由玻璃或塑料制成的細(xì)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(zhǎng)的傳輸距離和更高的帶寬等顯著優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于照明、成像和傳感技術(shù)。

5.光譜學(xué)

光譜學(xué)分析光與物質(zhì)的相互作用，以確定材料及其特性。它可應(yīng)用于化學(xué)、生物和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，根據(jù)光譜特征對(duì)物質(zhì)進(jìn)行精確識(shí)別。

6.高速連接

光纖網(wǎng)絡(luò)為全球通信帶來了革命性的變化，實(shí)現(xiàn)了高速互聯(lián)網(wǎng)并為數(shù)字世界的基礎(chǔ)設(shè)施提供了支持。一根光纖可同時(shí)傳輸數(shù)百萬(wàn)個(gè)電話，大大提高了連接性和網(wǎng)速。

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

7.醫(yī)療保健

在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)、早期疾病檢測(cè)和先進(jìn)的成像技術(shù)。例如，光學(xué)相干斷層掃描(OCT)可實(shí)現(xiàn)阿爾茨海默氏癥和青光眼等疾病的早期檢測(cè)。

生物光子學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中采用光基技術(shù)，在分析分子過程、增進(jìn)對(duì)疾病起源的了解以及支持開發(fā)預(yù)防措施和新療法方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

8.智能農(nóng)業(yè)解決方案

高光譜成像、光譜學(xué)和機(jī)器視覺增強(qiáng)了自動(dòng)化農(nóng)業(yè)分揀、檢驗(yàn)和測(cè)試。這些技術(shù)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(chǎn)能夠在具有挑戰(zhàn)性的氣候條件下進(jìn)行。

9.自動(dòng)化制造

光子學(xué)通過改進(jìn)成像和計(jì)算技術(shù)，提高了自動(dòng)化水平，使機(jī)器人能夠處理復(fù)雜的任務(wù)，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(chǎn)效率，支持大批量、高成本效益的操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，促進(jìn)資源節(jié)約型制造流程。

10.清潔能源

光子學(xué)在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它使太陽(yáng)能電池板中的光伏電池能夠?qū)⑻?yáng)光轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的電力。量子點(diǎn)和過氧化物等材料的進(jìn)步顯著提高了太陽(yáng)能效率。

例如，隆基最近創(chuàng)下了商用 M6 尺寸晶圓級(jí)硅-perovskite 串聯(lián)太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 30.1% 的世界紀(jì)錄。這些發(fā)展提高了能源生產(chǎn)，并支持全球?yàn)閷?shí)現(xiàn)可持續(xù)能源解決方案所做的努力。

四、新興應(yīng)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(xué)元件，因而在光子學(xué)領(lǐng)域大放異彩。它們通過納米級(jí)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(xué)的研究人員開發(fā)出了一種可擴(kuò)展的功能超表面制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速、高效和低成本生產(chǎn)。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(yīng)用的過渡。

2.量子光子學(xué)

光子學(xué)與量子力學(xué)的結(jié)合促進(jìn)了量子光子學(xué)的發(fā)展，它利用光的量子特性推動(dòng)光子技術(shù)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(yīng)用于醫(yī)療、國(guó)防和通信領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)原子級(jí)成像和引力波探測(cè)。

在計(jì)算領(lǐng)域，谷歌的 54 量子比特 Sycamore 量子處理器在 200 秒內(nèi)完成了一項(xiàng)需要超級(jí)計(jì)算機(jī) 10,000 年才能完成的任務(wù)，充分體現(xiàn)了量子光子學(xué)對(duì)現(xiàn)代技術(shù)的變革性影響10。

3.硅光子學(xué)

由于數(shù)據(jù)中心對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)以及 5G 技術(shù)的推出，硅光子學(xué)變得越來越重要。硅光收發(fā)器促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心內(nèi)的互聯(lián)，預(yù)計(jì)未來的發(fā)展重點(diǎn)是芯片內(nèi)通信。

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

4.機(jī)器視覺與人工智能

機(jī)器視覺與人工智能的融合正在改變各行各業(yè)的自動(dòng)化，提高制造和裝配流程的效率。這種融合可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，從而快速做出決策并大幅降低運(yùn)營(yíng)成本。

例如，清華大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種光學(xué)并行計(jì)算陣列(OPCA)光子芯片，可以在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)處理圖像。這種芯片將人工智能驅(qū)動(dòng)的分析直接集成到光學(xué)處理中，繞過了光電轉(zhuǎn)換的需要，為自動(dòng)駕駛和工業(yè)檢測(cè)等邊緣智能應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了更快的圖像處理。

5.等離子體

等離子體學(xué)是一個(gè)探索電磁場(chǎng)與金屬中電子之間相互作用的子領(lǐng)域，它使光的定位超越了衍射極限。最近，通過 “陰影生長(zhǎng) ”等技術(shù)在等離子納米材料方面取得的進(jìn)展，可以創(chuàng)造出具有可調(diào)光學(xué)特性的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，并有望應(yīng)用于納米機(jī)器人的藥物輸送、光子設(shè)備和手性光譜學(xué)。

五、結(jié)論

光子學(xué)已成為我們不可或缺的技術(shù)領(lǐng)域，推動(dòng)著通信、醫(yī)療保健和清潔能源領(lǐng)域的創(chuàng)新。量子技術(shù)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(jìn)步，重塑行業(yè)格局，提高生活質(zhì)量。

審核編輯 黃宇