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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，為我們呈現絢麗斑斕的世界，光合作用則為我們提供了食物來源。人類對光的認識和研究從未停止過。從盤古開天地到后羿射日，古代典籍中有許多關于光的記載。春秋戰(zhàn)國時期，墨子論述了光的產生和性質，甚至描述了小孔成像現象。
如今，光既是科學前沿又是應用前沿，與光有關的先進科技在人們的日常生活中普遍應用，光通信、量子通信還開創(chuàng)了人類通信的新前景。在載人航天、探月工程、深空探測、大氣—海洋—陸地觀測領域的重大科技任務中，光學研究尤其是紅外光學研究起到關鍵作用，為推動國民經濟發(fā)展、維護國家安全提供了強有力的支撐。
在探索“光是什么”的過程中，筑起科學大廈的堅強基石
光是什么？這個問題一直為人類所好奇，也是一代又一代光學研究者前進的動力。在“追光”路上，在不斷探索解答“光是什么”的過程中，與光有關的技術得到發(fā)展，日益造福人類。
光譜就是“追光”路上的重要發(fā)現。紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，17世紀60年代牛頓使用三棱鏡，將太陽入射光分成7種顏色，使人類對光的認識從簡單的照亮物體的光線，演進為按顏色分散排列的光譜。這一重要發(fā)現來自常見的自然現象——雨后的彩虹。彩虹是由不同波長的光通過不同角度折射而成。紅花綠葉、青山綠水，也是由于太陽光照射到它們身上，反射各種顏色的光，進入人的眼睛里，我們才得以看到多姿多彩的世界。
進而，科學家們記錄了可見光范圍的光譜圖。光譜圖是復色光通過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）進行分光后，依照光的波長（或頻率）大小順次排列形成的圖案。通俗地說，不同物體會反射不同顏色的光，所有的顏色都可以在光譜圖上找到。通過對光譜圖的研究，人們得到了原子、分子等的能級結構、能級壽命以及電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學鍵的性質、反應動力學等許多關于物質結構的知識。這些光物理領域的基礎科學研究成果，成為筑起科學大廈的堅強基石。
光并不總是肉眼可見的，比如紅外輻射。1800年，天文學家赫歇爾在用水銀溫度計研究太陽光譜的熱效應時，發(fā)現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)域為“黑熱痕”。后來，人們把這部分看不到但是能測到熱量的光，叫做紅外輻射。如今，紅外輻射的應用十分廣泛，我們身邊檢測體溫的設備，大多是通過檢測人體的紅外輻射來實現測溫。
電磁波也是在探尋“光是什么”的過程中被發(fā)現的。有人認為光是微小的粒子流，也有人認為光是一種波。19世紀60年代，科學家發(fā)現，從無線電波到紅外光、可見光、紫外光、X射線都是同一本性的電磁波。分成7種顏色的可見光，只是整個電磁波譜中波長從400納米到780納米的很窄的一段電磁波。根據光的電磁波理論，人們在19世紀末20世紀初，實現了2公里距離的無線電通信，并最終發(fā)明了無線電報。時至今日，工作生活所必備的電話通信、無線網絡基礎設施，都依托這一理論而來。
現代物理學研究發(fā)現，光既是波又是粒子，即光的波粒二象性，這是人類對“光是什么”認識的又一大進步。借助這一理論，科學家從“波”的角度分析電子，找到了電子的波長與其質量和運動動量的關系，進而發(fā)明了電子顯微鏡。經過近百年努力，電子顯微鏡的分辨率可以高達1埃（0.1納米）量級，能夠直接觀察到單個原子，成為研究物質微觀結構不可缺少的利器。當今科學最前沿的光量子通信，也是用光的波動性傳播信號。我們發(fā)射的“墨子號”衛(wèi)星，進行了大量的高速量子密鑰分發(fā)實驗，首次實現衛(wèi)星和地面之間的量子通信，為構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系奠定了基礎。
解開更多光的“謎題”，用光的新發(fā)現新應用照亮人類生活
身處信息社會，光的作用進一步得到凸顯。半導體器件已經成為網絡通信、人工智能、機器學習、高性能計算、自動駕駛、智慧醫(yī)療等設備的基礎元件，在各種各樣的半導體器件里，都有與光有關的部分。自從人們發(fā)現了光的折射反射、波粒二象性后，固體光譜為半導體發(fā)展打開一扇大門。沒有固體光譜，就無法制造出晶體管，先進集成電路就無從談起。光刻是集成電路制造中的重要工藝，隨著器件尺寸、結構、功耗等需求的提升，半導體制造需要波長越來越短的光，當前最先進的半導體光刻工藝用到了極紫外光（EUV）。生活中，通過極快反應速度傳感器實現的光學避障，讓汽車具備了緊急避險功能，已經是自動駕駛技術的必備要素；而各類半導體紅外探測器，則給掃地機器人等智能家電裝上了“眼睛”。
可以說，與光有關的新技術，既為尖端科技作出了貢獻，也為日常生活提供了便利。以航天遙感為例，衛(wèi)星等航天器通過多種半導體器件，能夠實現對地觀測和光譜成像，顯著改善了我們的生產生活。上世紀80年代末，風云氣象衛(wèi)星從太空“看”地球，大大提高了天氣預報的準確性。2018年，我國成功發(fā)射了世界首顆可對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛(wèi)星高分五號。所謂高光譜探測技術，是指在獲取目標空間幾何信息的同時，獲取寬波段范圍內目標光譜特性曲線的多維成像技術。簡言之，高分五號可同時采集目標的幾何、輻射及光譜信息，通過目標的光譜曲線，像識別指紋一樣辨析目標。
在距離地面700多公里的太空遨游，高分五號的“視力”有多好？借助高光譜探測技術，甚至可以靈敏地識別出同一型號鋼材的材質與工藝。通過高分五號在軌采集的數據，我們可以監(jiān)測生態(tài)環(huán)境、土壤污染、各類災害情況，比如探測森林火災、雪災、沙塵暴和水流污染情況，還可以探測礦產資源，規(guī)劃城市布局，測算土壤有機碳含量、水分指數，預估農作物產量，推動智慧農業(yè)建設，助力生態(tài)文明發(fā)展。
光的作用已經開發(fā)殆盡了嗎？遠遠沒有。從科學研究角度出發(fā)，還有許多光的問題尚無答案，還有新的利用方式有待開掘。光化學、光生物學方面，就有許多未解之謎。尤其是植物生長的光合作用，如果科學家能最終解開這一謎團，那么真正的“人造食物”就能產生，將為人類解決生存問題提供新的答案。在光能利用方面，也有一些重大課題。太陽是地球的生命之本、能量之源，太陽能發(fā)電逐步推進的過程中，由硅基太陽能電池板組成的太陽能電站仍有很大發(fā)展空間。
還有一些科學前沿問題，比如光的“克星”——宇宙黑洞。100多年前，愛因斯坦廣義相對論預言了黑洞的存在。隨著黑洞相關研究成果的不斷涌現，人們發(fā)現，比較近的黑洞距離地球大約5000萬光年，光進入黑洞后會被吞噬，消失得無影無蹤。這不僅是科幻作品里的情形，更是科學家們孜孜以求的探索課題。包括中國科學家在內的全世界科學家經過廣泛合作，利用甚長基線干涉測量技術，觀測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。這是人類認識黑洞的第一步，關于光與黑洞的關系，還需要繼續(xù)探索。
遠古時候，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、開發(fā)光的新用，有待更多“追光者”一同努力，讓光的科技應用更好照亮人類生活。
（作者為中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員）
責任編輯：魏敏
