见微知著 ——换个视角看光学发展 王宁远 中法班

源起 诺贝尔物理学奖1901年首次颁发以来，一直受到物理学工作者的极大重视。 运动绝对的，万物在变化中发展，这便是“易” 对诺贝尔物理学奖的研究有属于编年史研究；有侧重于分析诺贝尔奖获奖者的年龄结构、国籍或研究领域；也有注重介绍获奖者贡献等。 很少有人从物理学某个分支学科的角度对诺贝尔奖的历史进行分析和讨论 运动绝对的，万物在变化中发展，这便是“易” 中国古人认为“生生之谓易”，并赞美“易”的理论是“易与天地准，故能弥纶天地之道”。 面对易的世界我们如何拨云见日——洞察力 是以人们推崇“上揆天道，下察民情，酌古准今，见微知著”

概述 光学是一门既古老又年轻的学科，是物理学中一个重要的分支。通过分析100多年来的诺贝尔物理学奖我们发现：与光学直接或间接相关的获奖成果有40多项。这些获奖的光学研究工作对于物理学的发展起到了非常重要的作用。特别值得一提的是无论是相对论还是量子力学的建立，都与光学的发展密切相关。 例如：相对论的基本假定之一就是光速不变原理；而量子力学的建立则是从对黑体辐射（普朗克）、氢原子的光谱结构（玻尔）以及光电效应（爱因斯坦）的讨论开始的。

1 百年诺贝尔奖光学部分 100多年来，光学的研究大多与光的相干性、量子性和非线性这三个范畴有关。纵观与光学相关的诺贝尔物理学奖可以发现：99%的获奖工作集中在光的相干性和量子性（其中，有关光的量子性的研究近70%）。 表1列出了诺贝尔物理学奖中与光学直接或间接相关的获奖工作、获奖者姓名、获奖年份及所属范畴（表中的内容除第五列（范畴）外全部摘自诺贝尔奖委员会的文件。

2 诺贝尔奖与光学的发展 从上述诺贝尔物理奖光学部分简表中可以看出，19世纪以来，光学的发展有以下几方面的特点： 1）有关相干性的研究工作发展较早，获奖较少，基础性强 2）有关光的量子性的研究发展迅速，获奖较多，理论和实践并行 3）有关光的非线性的研究处于发展时期，尚未成熟，但有获奖潜力 4）激光在光学研究中起着重要作用，光学与其他学科紧密结合，相互促进，共同发展

1）有关相干性的研究 从17世纪起，人们逐步认识到光的波动性（相干性）。到19世纪初，研究者们已经发现了光的干涉、衍射、偏振等现象，确证了光是电磁波。到了19世纪中后期，麦克斯韦建立起了完整的电磁理论，人们对光的相干性已经有了相当深刻的认识，初步的波动光学体系己经形成，许多基本的理论和实验方面的问题都已解决。 由于有关相干性的研究很大一部分是在20世纪之前完成的，那时还没有设立诺贝尔奖。因此，诺贝尔奖中因光的相干性研究而获奖的数目较少。

20世纪初，诺贝尔奖刚刚设立，第一项得奖的工作就是关于X射线的发现。此后仍有几次获奖是有关X射线的工作，如关于晶体的X射线衍射（1914，1915）以及X射线衍射标识谱（1917）的研究，因就其本质来说，这些工作更接近光的相干性范畴。 此后，有关相干性方面的研究继续发展，有不少工作获得了诺贝尔物理学奖。其中最具代表性的工作就是相衬理论的提出（泽尼克，1953年获奖），以及全息术的发明（伽博，1971年获奖）。这些获奖的工作大多是应用型的。而全息术也是迄今为止诺贝尔物理学奖中最后一次因光的纯相干性工作而获奖的项目。

Lippmann's and Gabor's Revolutionary Approach to Imaging Among the Nobel Prizes in Physics, two scientists have been honored for their remarkable methods to record and present images: Gabriel Lippmann, awarded in 1908 "for his method of reproducing colours photographically based on the phenomenon of interference," and Dennis Gabor, awarded in 1971, "for his invention and development of the holographic method." Both methods had the same-goal of carrying image reproduction further in a way that was quite different from other earlier attempts made for the same purpose. To achieve this, Lippmann and Gabor chose a revolutionary approach to fundamental physics instead of following an evolutionary progress in engineering.

1908年诺贝尔奖得主加普里艾尔· 李普曼与诺贝尔奖得主1971年伽博所做发明都对照相术的提高做出了杰出贡献，他们途径虽然不同但都是应用了光的相干性，可谓殊途同归了，我们加以比较

Lippmann's Revolutionary

Gabor's Revolutionary

2）有关光的量子性的研究 黑体辐射：维恩发现了热辐射规律（1911年获奖）；普朗克提出了黑体辐射的量子理论，成功地解释了黑体辐射问题（1900年提出，1918年获奖） 光电效应：爱因斯坦提出了光量子理论，圆满地解释了光电效应（1905年提出，1921年获奖） 原子的离散光谱结构：玻尔在原子结构和原子辐射方面所做的研究，解释了原子的离散光谱（1922年获奖）；康普顿发现了以其名字命名的康普顿效应（1922年发现，1927年获奖）；德布罗意创立了物质波学说（1924年提出，1927年获奖） 这些工作成为推动量子力学建立的直接因素。这段历史也表明：量子力学的建立同光与物质的相互作用的研究密不可分，而这也正是光的量子性研究的核心内容。

总的来说，对光的量子性的研究使人们对光的本性的认识产生了质的飞跃。同时还可以看出，相干性是量子性的重要基础。量子性是人们对光的本质在更高层次上的认识，是光学发展的必然结果。 最终，光的粒子性以及实物粒子波动性的提出，使人们认识到光具有波粒二象性。这段时期，随着对波动性（即相干性）认识的不断完善，人们对光的量子性表现出越来越大的兴趣。有关光的量子性的理论促进了相应的实验和应用的发展。如：1936，1937，1944，1955，1981和1986年的获奖工作均是与实际的仪器或应用有关的。其中，有关微观粒子的光谱或能谱等方面的研究占了很大的比例。

“激光冷却” ——颇具代表性的创新 激光冷却在光与物质的相互作用中，充分利用了光的量子性（光子与被冷却粒子所构成系统的动量守恒） 同时又巧妙地利用了光的相干性（例如：在Sysiphus Cooling中，利用两束相反方向传播的圆偏振光的相干叠加来获得光学周期势）。 激光冷却技术的发明直接导致了玻色-爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验证（2001年获奖），这成为20世纪末物理学的重大突破之一

To achieve trapping, the light must induce a position-dependent force on the atoms (in contrast to cooling which requires a velocity-dependent force). Different types of atom trap have been designed. The most often used is the Magneto-Optical Trap (MOT). In a MOT, trapping is accomplished with three pairs of counter-propagating laser beams and an inhomogeneous magnetic field. A collection of sodium atoms (yellow dot in middle of picture) trapped in a MOT. Deceleration of Atoms Light acts mechanically on material objects, which means it can change their positions and velocities. This mechanical action of light is used in laser cooling and trapping to reduce the velocity spread for a collection of atoms (cooling), or to confine the atoms in a small volume (trapping). MOT

Time-of-flight method The six laser beams are switched off. The atom cloud expands in a way determined by its temperature, at the same time as the atoms fall. They fall through a sheet of laser light and the resulting fluorescence is recorded. Since the atom cloud has expanded the signal has a temporal spread. By measuring this spread the temperature of the cloud can be determined.

3）有关光的非线性的研究 非线性科学本身是整个物理学中的一个极为重要的部分，非线性是物质世界中普遍存在的现象。非线性光学是现代光学中的重要部分。 然而，在有关光学的诺贝尔奖中属于非线性研究的工作却是凤毛磷角，只有Shaolow和Blombergen于1981年的获奖工作与此有关。这从某种程度上反映了有关光的非线性的研究是光学研究领域中发展较晚的一个分支目前还处于发展的时期，尚未达到高峰。 非线性光学研究并不应因为它获奖少而受到忽视。近年来，光学混频及相位共轭等非线性效应，无论是在基础研究还是在应用研究中都发挥了极为重要的作用。

有关光的非线性现象的研究逐渐广泛、深入地开展起来。例如：在自聚焦、相位共轭、多波混频、光学参量放大及光学双稳态等方面，都已形成一定的理论 2世纪90年代以来，非线性光学的研究开始进入飞秒区域、光通信领域等方面，并发挥着重要作用。值得注意的是，非线性光学研究中的绝大部分工作都是与相位匹配这一相干性中的基本问题紧密相联的。 在不久的将来，一定会有一批关于光的非线性的相关研究工作获得诺贝尔物理学奖，成为光学发展的新的里程碑。非线性光学的研究使人们更加深刻地认识到光学现象的丰富性和复杂性。而对非线性的研究必然要涉及相当多的相干性和量子性基础。

4）激光在光学研究中起重要作用 在讨论了诺贝尔奖与三个研究领域的发展之后，我们还可以从另一个角度来进行讨论。从以上分析中可以看出，近半个世纪以来，激光在上述三个领域中都起着至关重要的作用。激光作为一种新型光源，不仅具有亮度高、单色性好、方向性强等特点，而且激光本身就是相干性、量子性和非线性的集大成者。 激光器是一个非平衡、非线性的系统，其辐射具有极好的相干性，而有关激光的很多现象都需要用全量子理论给予解释。激光的出现给全息光学、量子光学、非线性光学、激光光谱学等领域的研究带来了深远的影响。 在第一台激光器问世后仅4年，Towns、Bassov、Pulokchlov由于在激光方面的贡献于1964年获得诺贝尔物理学奖。这是全部诺贝尔物理学奖中，获奖时间与所出成果的时间相隔最短的一次。

激光问世之后，光学还与其他科学技术紧密结合，相互渗透。 全息技术已经在显微技术、信息存储、信息编码、红外全息等方面得到了广泛应用 在集成电路的启示下，材料科学、电子技术和光学融合发展，形成了集成光学这一边缘学科，在光通讯、信息处理等方面起到了很大的作用 光子晶体以及量子信息的研究和发展将给信息技术开辟一个崭新的天地。随着激光技术的发展，飞秒激光器的出现为超快过程、高阶非线性效应的研究提供了有效的研究手段。

近年来激光的应用 The finest comb （2005Nobel） John Hall and TheodorHänsch have made important contributions in the field of precision spectroscopy that make it possible to measure the light frequency with an accuracy of 15 digits. Stable lasers with extreme colour definition can be constructed, and the frequency comb technique enables us to measure extremely accurately the frequency of light of all colours. This allows us to measure both time and distance more accurately than before.

Monolithic frequency combs on a chip Whereas normally mode locked lasers are used as frequency comb generators, another method using monolithic microresonators has been developed in our group at MPQ [4]. The frequency combs are induced in micron size silica microtoroids [5] (which have approximately the diameter of a human hair) by nonlinear optical processes that convert pump light that is sent to the resonator into symmetric sidebands around the pump frequency (The distance to the sidebands corresponds to the free spectral range of the microcavity, which is between 100 GHz and 1 THz for different microcavity sizes).

Supercontinuum generation

3总结 从分析100多年的诺贝尔物理学奖中可以看出，自19世纪以来,光学在相干性、量子性和非线性等方面都有很大的进展。关于光的相干性和量子性的研究已取得了丰硕的成果。而关于非线性的研究已有了很好的基础和研究手段，正处于快速发展的阶段。我们有理由相信，一个辉煌的、集中反映非线性研究成果的时期将会到来。以上提出的看法，从一个新的角度探讨了物理学发展过程的一个侧面。我们希望在这方面展开更加深入的分析和讨论。

展望21世纪前景广阔 Figure 1. a) Scanning electron micrograph of a microtoroid with ultrahigh optical and mechanical Q. Light circulates at the rim of the torus, which is held by a silica disc at the tip of a sharp silicon pillar. b) Optically measured spectrum of radius fluctuations of the resonator at room temperature (red line). Figure 2. Generic optomechanical system.