前言
光学是以电磁辐射载体光子产生、传播、接收和显示规律为研究对象的学科。电磁辐射波段范围宽广，包括从微波、红外线、可见光、紫外线、γ射线等不同波长的区域。作为载体的光子，拥有与电磁辐射相同的活动场合。光子静止时，没有任何质量，但它以光速运动时，则具有能量、动量和质量，所以又称作光量子。光子是传递电磁相互作用的基本粒子，通常又以电磁波形式存在。发光现象是光子运动的表现。所以，光与光子一样，具有波粒二象性。如果运动过程的众多光子，在某种条件约束下，基于相同的光学特性，从自由散漫的行为，走向步调整齐划一，并以成束的形式发射，便制造出了激光现象。激光是科技创新的重大发明之一，它正以迅猛发展的势头，快速进入生产和生活各个领域。进入21世纪以来，国外高度重视光学特别是激光技术的研究开发，涌现出大量新成果。梳理这些新成果，可以发现国外光学研究具有下述几个主要特点。
（一）深化光学原理研究
1．推进光行为与效应研究
光存在状态及传播行为方面，在追踪光真实模样时，成功拍摄出有史以来第一张光的波粒二象性照片，这是用电子来给光拍照，结果捕获到的光其面貌既像波，同时又像粒子流。开发出防止光束在传播中发散或聚焦的方法。发现硅晶中光速可借助外部磁场来改变，声称光速可能比以往的认识要慢一些，还发现光线在特定条件下可加速和减速。发现可用两束激光“撞”出多频率光，声称量子点发出的光频率能使微小振动可视化。
光传输信息与运动效应方面，发现光波在量子点中可以传输信息，发现光信号可在芯片内部传输信息。另外，还用实验创造弯曲光传输信息距离的新纪录。发现光与原子作用的新效应，创造出光-物质耦合作用强度的新纪录。认为偏振光产生的有效磁场可控制量子位，发现光也能产生巨大的磁效应。论证了利用光改变卡西米尔力，并首次观测到光产生的卡西米尔效应。
2．推进光子概貌与特性研究
首次捕捉到光子同材料内电子的耦合现象，观察实验表明人类肉眼可分辨单个光子。通过镜子记录量子点发射的光子状态，首次用相机拍下光子的量子纠缠图像，用量子干涉首次获得单光子全息图。发现低能长波光子可以转换成高能短波光子，发现光子的寿命或许比宇宙还长；发现单光子能在量子点中产生多个电子，发现金刚石量子内存能改变单光子颜色。证实两个光子通过撞击可以结合成物质，发现高能量下一个光子可被另一个光子散射。通过研究光子发现时间旅行可在量子尺度上实现，并试图用球形金属镜寻找“隐藏的光子”。
3．推出研究光学原理的新技术
研究光的技术：提出制造最快闪光的新方法，发现一种控制太赫兹波的新方法。用新型光陷阱成功“冻住”光束1秒钟，成功完成“光存储”实验，证明一种能长期保留光的新方法。实现芯片上的原子光谱分析，完成反物质原子的光谱分析，用光学方法直接测量重力曲率。
研究光子的技术：研究快速高效创建单光子的技术，开发出储存单个光子的方法，开发出超密度存贮单个光子的技术，实现单个光子的量子信息存储技术。研究快速操控光量子状态的技术，光子与电子联姻传输的量子隧穿技术，光与光系统间量子信息隐形传输的技术。提出产生纠缠光子的新方式，开发远距离传输纠缠的新技术；研制出在微芯片上操控量子纠缠的新技术，成功使两根填充五百个光子的光纤发生纠缠，开发出使单个光子纠缠3000个原子的新技术，开发出使量子纠缠原子数量再创纪录的新技术。发现促使光子进行多维度量子纠缠的新方法，并开发在室外传输成功四维超纠缠态光子的新技术。
4．推出研究光学原理的新设备
研究光的设备：设计出太赫兹多像素光波调制器。研制出让光线操纵变得简单的新型非线性设备，可有效操控太赫兹波即远红外线的设备样机。发明微观光学研究纳米尺度的散色装置，以及迄今最小的分光器。
研究和应用光子的设备：制成能单个发射光子的装置，能捕获光子的装置，有望突破网速“瓶颈”的光子存储器。制成使光子与固体粒子一样具有互动行为的新设备，建立两光子间强相互作用的系统装置。发明把光子变为机械能的纳米装置，开发出可“雕刻”单光子的纳米装置。开发出首块在单光子层面工作的路由器，基于单原子的光子路由装置。研制“光子神经元”运算系统设备，开发出全光子雷达系统。
（二）加强激光应用开发研究
1．加强激光的性质与应用研究
研制不同类型的激光：创造并再创造世界最快激光脉冲记录，研发出亮度达目前最亮激光百倍的真空紫外激光。研究发射高强度窄波段X射线激光束，采用“以退为进”提高激光器光强度。研发能直接移动目标物体的牵引激光，通过水与光相互作用首次开发出“水-波激光”。
探索激光的特性与功能：证实激光束拥有一定作用力，发现螺旋涡流形激光可携带和传输更多信息，发现高能激光可自行聚成“时空光漩涡”。发现激光具有调节光子速度的功能，发现激光制冷或可产生奇异物态，发现激光能使固态铝变透明，发现超短激光脉冲能瞬间使玻璃具有金属性质。实验表明激光通信下载速度远快于无线电通信。
2．加强激光设备的研制与应用开发
研制不同类型的激光器：开发出激光束达到2兆焦的世界最大激光器，研制成功超小锁模激光器，发明只有纳米尺度大小的微缩型激光器，发明世界最小的纳米激光器，制造出高效的无阈值纳米激光器。研制成功输出功率最大的飞秒激光器，研制可拍摄单个电子的阿秒级激光器。成功开发出量子级联激光器，研制出最大功能的太赫兹量子级联激光器。研发层叠设计“即插即用”的新型激光器，发明传输距离最长的激光器，开发出“超辐射”激光器，还研制成只吸收而不发射光束的反激光器。
开发不同材质的激光器：用钍材料研制γ射线激光器，研制出实时可调节的金阵列等离子体激光器。研制出可见光波段硅激光器，发明在硅表面形成亚波长激光器，开发出多用途的掺稀土玻璃纤维激光器，创建首个无机纤维素纸的可控随机激光器，研制出首个全碳等离子激光器，制成发射速度创纪录的耐基氟化氪激光器。运用超材料制成高定向的太赫兹激光器，探索用反物质制造伽马射线激光器。
研制不同用途的激光器：发明生产纳米单晶的量子点激光器，高效切割微芯片的激光装置，加工速度最快的激光切割机，高精度激光电解复合加工设备。推出工业生产检测用的高精度激光功率检测器，工业加工的新型激光监视器。研制出查处酒后驾车司机的激光检测仪，制成铁路钢轨磨损程度自动检测的激光装置。开发出为风力发电机选址的“风立方”激光仪器，制成可用于地质勘探的超灵敏磁场激光探测器。地面试验成功新型激光武器，研制用于击落敌方无人机的激光武器，推出一分钟发射30架无人机的激光炮，研制无人机新型激光充电系统；研制出机载激光水雷探测系统，能嗅出炸药气息的激光器，可远程识别爆炸物的激光探测装置；研制军事检查点用的脉冲激光暂时致盲器。研制用于发射航天器的激光推进器，着手试验太空航天器之间的激光电力传输系统，研制出探测火星化学成分的激光分析仪，能“闻”出星球生命迹象的激光探测仪，探测和发现引力波的激光干涉仪。制成首个活细胞激光器，可用于研究细胞的新型激光镊子，可消灭艾滋病病毒的激光器；发明帮助帕金森氏症患者行走的便携式激光设备，研制出质优价廉的激光手术刀。制成可观察纳米材料化学反应过程的激光器，研制新型激光粒子加速器，研究可让“幽灵粒子”显形的新一代激光器。
3．加强激光技术的应用研究
材料领域应用激光技术：用激光技术创造出负质量超流体物质。开发出阐释激光激发材料薄片的晶格动力学新模型，用激光脉冲刷新材料温度提升纪录，利用激光技术把材料冷却到接近绝对零度，研究常温常压条件下用激光技术给液体材料制冷。用高能飞秒脉冲激光器造出“黑金属”，发明可能取代油漆给金属上色的激光技术，用飞秒激光加工成可控液体流向的纳米金属薄板，开发使金属具备超疏水性的飞秒激光技术，运用激光技术研发出防水耐磨的铝镁合金材料，利用激光合成氧化铁磁性纳米粒子。借助短红外激光脉冲使陶瓷材料实现短时室温超导现象。
电子通信领域应用激光技术：使用激光技术把玻璃变身为新式存储器，开发激光驱动技术用来检测扬声器声波，利用激光冷却技术推进分子量子计算机研究。用激光开发网速提高千倍的新技术，用单束超短激光脉冲创下数据传输新纪录，用激光技术开发出以等离子波导发送微波信号的方法，用激光构建通过单光子交换的初级量子网络；利用激光束装置成功实现为手机无线充电。
其他领域应用激光技术：用激光和石墨烯制成纳米二冲程发动机，开发激光辅助切屑控制技术，发明用喷墨式打印机制作激光器的新技术。利用激光动力来推进核聚变发电的研究，研发利用激光核聚变形成清洁能源。用激光技术研究环境气象中的闪电现象，用激光技术研制成检测环境气体污染的设备，用激光技术开发出检测环境液体污染的设备。利用平流层激光束向地面高速传输数据，用激光把名画以图像数据形式传输到月球轨道飞行器上；开发利用激光限定和跟踪地球同步轨道碎片的技术，开发可分析太空垃圾成分的激光偏振检测技术。
（三）推进光学仪器设备研发
前面已经提到，研制出许多用于探索光学原理设备和激光设备。以下简述其他新推出的主要光学仪器设备：
视光学设备：制成能缓释药物治疗眼疾的纳米隐形眼镜，能挡有害紫外线的纳米变色隐形眼镜，能帮助盲人恢复视力的智能仿生眼镜，可提高人类夜视能力的仿生眼镜。发明让司机后视无盲点的“微妙曲面镜”。
观测光学设备：制成可观察蛋白质分子的高分别率光学显微镜，可观测细胞和病毒内部状况的纳米级光学显微镜，能观察大脑神经元的三维激光显微镜，可追踪胚胎发育单细胞分裂过程的显微镜，对活体细胞超高精度三维成像的光学显微镜，可观察活体单个细胞的极高分辨率光学显微镜。研制出有望将癌瘤“一网打尽”的荧光显微成像系统，搜寻外星生命的数字全息激光显微镜。研制出主要用于透视材料的X光纳米显微镜，能分析燃料废气中单个微粒的光学显微镜。研制可识别太空垃圾的大型红外望远镜，观测视野达180°的“龙虾”望远镜，微镜阵列天文望远镜，分辨率大幅度提高的太空射电望远镜，高能X射线太空望远镜飞船，拍摄到最清晰夜空的新型望远镜，还有在贝加尔湖深水中使用的微子望远镜。
光信息记录存储设备：开发出超精密激光脉冲时钟，世界最精准光晶格钟。研制能以光速拍摄的相机，极高速连拍相机，能以光速捕捉图像的纳米相机，捕捉原子波的超高速相机，帮助望远镜“看透”宇宙星际的超灵敏相机，拍到首张夜空图的强大巡天相机，像素达10亿级的高清晰相机，数秒探测皮肤癌的高光谱相机。开发出可捕获到子弹飞行的高速摄像机，可追拍快速移动物体的云台摄像系统，观察活组织分子运动的光学成像设备，让夜色更多彩的超晶格摄像机，高光谱移动空间成像设备。拟用氧化钛新纳米结晶研制超级蓝光光盘，研制永久存储信息的纳米晶体光盘，用激光技术开发可将数据保存3亿年的记录载体。
光学检测设备：研制出可测量流体内各点运动速度的光学测量仪，检测水分子和饮用水的光学仪器，探测水污染的光学仪器；推出监测分析地球气体的光学仪器，用于探测火星气体的光学设备，用于探测水星外气层的光学仪器。开发出能迅速找到污染源的分光计，快速检测有毒纳米颗粒的光谱检测仪，研制用于土壤监测与灾害预警的光学仪器。开发出可发现受光学仪器监视的光学探测器，超灵敏爆炸物光学探测仪，可用于机场安检系统的红外光敏探测器。开发出探究基因功能的“荧光鱼”，能准确检测果类成熟度的手持光谱仪。利用光纤扫描制成皮肤癌探测装置，开发出黄金纳米粒子检测早期癌症的光学设备，利用发光纳米颗粒制成检测微小肿瘤的探针；研制出简化大脑神经研究的新光敏探针。
光电通信设备：开发出实现可见光波段内通讯的纳米天线，能形成负折射现象的等离子体纳米天线，可控制多种粒子的纳米光学天线，能把光直接变成直流电的光学整流纳米天线，利用纳米天线开发出彩色等离子偏振器。开发出克服光纤传输障碍的装置，大幅度增强光纤信号的“频率梳”装置，光缠绕高速数据传输系统。研发用光信号进行信息编制和存贮的新型计算机。研制出新型信号转换装置的集成太赫兹收发器，以及基于石墨烯的高效光电信号转化仪。
（四）注重太阳光光源开发利用
1．利用太阳能发电
研制太阳能电池：用多层感光材料制成高光电转换率太阳能电池，用堆叠技术制成高转换效率的多层太阳能电池，用两个吸光层制成高转化率的全光谱太阳能电池，研制出刷新光电转化率纪录的四结太阳能电池，用堆叠工艺设计出高光电转换率新电池模型。研制出高光电转换率太阳能薄膜电池，高光电转化率的三结薄膜硅太阳能电池。研制出转换效率达同等重量锂电池四倍的热光伏电池，研制新式太阳能热光伏发电系统，证明热光伏设备有可能使光电转换率突破极限。研制具有自我修复功能的太阳能电池，具有捕获不同光谱能量功能的卷带式薄膜太阳能电池，同时具有吸光和发光功能的太阳能电池，具有一个光子产生两个电子功能的太阳能电池。用铯制成可同时利用光和热的太阳能电池，用二钌富瓦烯制造光热转换太阳热能电池，用氧化铁化合物制成高吸光率的太阳能电池。研制外量子效率超高的半导体量子点太阳能电池，研制出环保型钙钛矿太阳能电池。研制转化效率创纪录的塑料太阳能电池，研制出高透明的聚合物太阳能电池，研制出新式大块共聚物太阳能电池。
开发其他太阳能发电方式：研制可用太阳光和人造光进行充电的光能电池；推出聚光太阳能及热能两用小型发电机，开发出利用聚光太阳能驱动涡轮的发电机，开发高效率的聚光太阳能热发电系统；开发高光热转换率的聚光太阳能热发电系统涂层，发明白天晚上都能发电的聚光太阳能大碟技术，用计算机制导平面镜来跟踪太阳光的发电技术，开发出聚光太阳能“超临界”蒸汽发电技术。研发把太阳光高效转化为激光的太空太阳能发电装置，利用阳光把海水变成过氧化氢来发电。
2．研究利用光合作用
研究生物体光合作用机理：编制出光合作用蛋白质目录，观察植物光合作用的分子结构，发现植物体内光合作用“单位”的立体结构，发现调控植物光合作用的新“开关”。发现热带雨林中树木越高光合作用能力越强，发现二氧化碳浓度增加会强化植物光合作用，开发可提高光合作用效率并增产的新技术。通过分析水生植物光合作用监测水污染，利用植物光合作用开发出新型生态电池。用计算机成功模拟植物的光合作用，利用卫星检测叶绿素荧光研究光合作用。用转基因光合细菌生产单糖；从藻青菌基因组分析生物体光合作用的起源，发现微小单细胞藻类进化出可控制光合作用的量子开关。首次发现脊椎动物细胞也能与植物一样进行光合作用。
研究人工光合作用：研发出生成氢气的人工光合作用装置，可用太阳能把水转化为氢气的“人工树叶”系统，研究生产丁醇燃料的人工光合作用系统，通过人工光合作用把二氧化碳转化为甲酸燃料。发现可提高人工光合作用效率的催化剂，发明推动清洁能源发展的人工光合作用分子催化剂，研制能够实现“光合作用”的廉价催化剂。开发出合成化学物质不排二氧化碳的人工光合作用新技术。
本书由5章内容组成，分别介绍国外在光学原理、光学材料及元器件、光学仪器设备、光学技术、光源开发利用等领域的创新信息。本书密切跟踪国外光学领域创新活动的演进轨迹，所选材料限于进入21世纪以来的创新成果，其中90%以上集中在2008年1月至2017年12月的10年期间。本书披露了大量鲜为人知的前沿创新信息，可为遴选光学方面研究开发项目和制定相关科技政策提供重要参考。
张明龙 张琼妮
2018年5月15日