什么是光子学？

本文概述了光子学，包括其基本原理、关键技术、应用和新兴趋势。

一、光子学的基本原理

光子学是一门研究光和其他形式辐射能的学科。它涉及使用光学元件、激光、光纤和电子光学仪器来产生、操纵和检测光。它包括发射、传输、偏转和放大等过程。

光子学的应用非常广泛，从能源生产和检测到电信和信息处理，无所不包。它对通信、医疗保健、导航和天文学等各个领域产生了重大影响，成为现代技术和科学认识的重要组成部分。

二、历史背景

“光子学”一词由法国物理学家Pierre Aigrain于 20 世纪 60 年代提出，并在1980年代通过贝尔实验室和休斯飞机公司等机构的出版物获得认可。

最初，光子学侧重于将光应用于传统上由电子设备处理的任务。然而，随着激光器的发明，光子学迅速发展，出现了光纤、激光二极管和集成光子电路等创新技术。

这些发展实现了高速数据传输、增强了医疗程序和改进了制造工艺，展示了光子学对各行各业的广泛影响。

三、光子学的关键技术

光子学包含一系列以操纵光为中心的工具和技术。一些最基本的技术包括

1.成像

光子成像技术可捕捉和处理环境信息，应用范围从智能手机拍照到先进的医疗程序，如用于显微外科手术的光学相干断层扫描。该领域涵盖各种成像技术，如多光谱、热成像、超光谱、光声成像、重力成像和斑点成像。

2.激光

激光可产生高度集中的光束，从而实现激光雷达、数字投影和条形码扫描等应用。激光器用途广泛，从大型同步加速器到微型垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，每种激光器都可用于特定任务，包括工业切割和医疗程序。 传感器

传感器可将光转换为电信号，促进从照相机到医疗诊断和环境传感器等各种应用中的光检测和测量。

3.透镜和显微镜

透镜通过折射操纵光线，实现放大和像差校正功能。透镜的效果受其形状和材料(如塑料、石英玻璃和硼硅玻璃)的影响，每种透镜都具有适合不同波长和操作条件的独特性能。

显微镜使用荧光显微镜和超分辨率显微镜等光学技术来观察微小物体和现象。超分辨显微镜超越了衍射极限，可实现纳米级结构的可视化。

4.光纤

光纤是由玻璃或塑料制成的细线，有助于高速数据传输，尤其是在光纤通信中。与传统电缆相比，光纤具有更长的传输距离和更高的带宽等显著优势，可应用于照明、成像和传感技术。

5.光谱学

光谱学分析光与物质的相互作用，以确定材料及其特性。它可应用于化学、生物和环境监测领域，根据光谱特征对物质进行精确识别。

6.高速连接

光纤网络为全球通信带来了革命性的变化，实现了高速互联网并为数字世界的基础设施提供了支持。一根光纤可同时传输数百万个电话，大大提高了连接性和网速。

太赫兹光子学的最新进展有望利用毫米波频率提升 5G 技术，从而增强高速连接并减少电磁频谱拥塞。

7.医疗保健

在生物学和医学领域，光子技术可实现微创手术、早期疾病检测和先进的成像技术。例如，光学相干断层扫描(OCT)可实现阿尔茨海默氏症和青光眼等疾病的早期检测。

生物光子学在生物医学中采用光基技术，在分析分子过程、增进对疾病起源的了解以及支持开发预防措施和新疗法方面发挥着至关重要的作用。

8.智能农业解决方案

高光谱成像、光谱学和机器视觉增强了自动化农业分拣、检验和测试。这些技术提高了耕作效率和食品安全，而光照管理则为水培温室提供了支持，使食品生产能够在具有挑战性的气候条件下进行。

9.自动化制造

光子学通过改进成像和计算技术，提高了自动化水平，使机器人能够处理复杂的任务，如分拣垃圾，从而改变了制造业。激光越来越多地用于精密切割和焊接，提高了生产效率，支持大批量、高成本效益的操作，同时实现大规模定制，促进资源节约型制造流程。

10.清洁能源

光子学在清洁能源领域发挥着至关重要的作用，它使太阳能电池板中的光伏电池能够将太阳光转化为可持续的电力。量子点和过氧化物等材料的进步显著提高了太阳能效率。

例如，隆基最近创下了商用 M6 尺寸晶圆级硅-perovskite 串联太阳能电池效率达到 30.1% 的世界纪录。这些发展提高了能源生产，并支持全球为实现可持续能源解决方案所做的努力。

四、新兴应用

1.超表面

超表面能够制造出具有可定制特性的扁平、紧凑型光学元件，因而在光子学领域大放异彩。它们通过纳米级的几何配置来操纵光的特性，如相位、振幅和偏振。

最近，亚利桑那州立大学的研究人员开发出了一种可扩展的功能超表面制造技术，实现了快速、高效和低成本生产。这种方法支持各行各业(包括微电子和信息处理)从研究到商业应用的过渡。

2.量子光子学

光子学与量子力学的结合促进了量子光子学的发展，它利用光的量子特性推动光子技术超越传统限制。例如，量子传感器利用量子态的高灵敏度应用于医疗、国防和通信领域，可实现原子级成像和引力波探测。

在计算领域，谷歌的 54 量子比特 Sycamore 量子处理器在 200 秒内完成了一项需要超级计算机 10,000 年才能完成的任务，充分体现了量子光子学对现代技术的变革性影响10。

3.硅光子学

由于数据中心对高速数据传输的需求不断增长以及 5G 技术的推出，硅光子学变得越来越重要。硅光收发器促进了数据中心内的互联，预计未来的发展重点是芯片内通信。

发表在《自然-电子学》(Nature Electronics)上的一项研究介绍了一种高性能硅光子发射器，其速度达到每秒112千兆波特和224千兆比特，同时能耗保持在每比特皮焦耳以下。这种与 CMOS 兼容的设计代表了高速通信技术在成本效益方面的进步。

4.机器视觉与人工智能

机器视觉与人工智能的融合正在改变各行各业的自动化，提高制造和装配流程的效率。这种融合可实现实时监控和分析，从而快速做出决策并大幅降低运营成本。

例如，清华大学的研究人员开发了一种光学并行计算阵列(OPCA)光子芯片，可以在纳秒级的时间内处理图像。这种芯片将人工智能驱动的分析直接集成到光学处理中，绕过了光电转换的需要，为自动驾驶和工业检测等边缘智能应用实现了更快的图像处理。

5.等离子体

等离子体学是一个探索电磁场与金属中电子之间相互作用的子领域，它使光的定位超越了衍射极限。最近，通过 “阴影生长 ”等技术在等离子纳米材料方面取得的进展，可以创造出具有可调光学特性的纳米级结构，并有望应用于纳米机器人的药物输送、光子设备和手性光谱学。

五、结论

光子学已成为我们不可或缺的技术领域，推动着通信、医疗保健和清洁能源领域的创新。量子技术与人工智能的融合有望提高各行各业系统的效率和效力，带来突破性的进步，重塑行业格局，提高生活质量。

审核编辑 黄宇