2015年是国际光年：盘点诺贝尔奖里的光学大事

　　编者导读
　　2015年，距阿拉伯学者伊本•海赛姆的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来，光技术带给人类文明巨大的进步。为此，联合国宣布2015年为“光和光基技术国际年”（简称国际光年），以纪念千年来人类在光领域的重大发现。
　　中科院上海光机所与中国科普博览网站合作，讲述了几个诺贝尔奖中光学研究重大突破的故事，以及它们给人类社会带来的改变。
　　2014年诺贝尔物理学奖
　　蓝光LED——开启“新光明”
　　2014年诺贝尔物理学奖的奖杯由赤崎勇、天野浩与中村修二共举，照亮奖杯的，是他们发明的蓝光LED。
　　诺贝尔物理学奖贴着“高冷”的标签，蓝光LED却好像和这神秘的高冷气质没什么关系。真相只有一个——蓝光LED推动了整个LED照明产业迈向实用化。
　　LED照明需要红绿蓝三原色汇聚成白光。红光LED和绿光LED早在上世纪六七十年代相继诞生，蓝光LED的研发却卡壳了。敲碎这层壳的正是赤崎勇和天野浩师徒，他们首次突破瓶颈发明蓝光LED。随后，中村修二研发出生产高效蓝光LED的技术，三原色集合完毕，真正开启了“新光明”时代。
　　LED照明究竟意味着什么呢？我们可以这样算一笔数据账，全球每年总消耗电量约200000亿千瓦时，其中19%用于照明。若将所有照明灯具更换为LED节能灯，那么每年全球至少节约用电15200亿千瓦时。这些节约的电量相当于全年减少用煤至少5亿吨，减少二氧化碳排放13亿吨，减少二氧化硫排放420万吨。
　　蓝光LED用20年实现了LED照明的华丽转身，如今更是用途广泛，用手机聊天、用电脑工作、用电视消遣，都有蓝光大显身手。白炽灯点亮了20世纪，21世纪将由LED灯点亮。
　　2009年诺贝尔物理学奖
　　光纤——通信新时代
　　数百年来，科学家们长期致力于研究如何更快更远更好地传递信息。从电报到有线电话，再到电缆的普遍使用，科技的进步让我们足不出户而知天下事。
　　20世纪60年代，华裔科学家高琨提出用光代替电流，用玻璃纤维代替导线的设想，并在1966年发表了划时代论文《为光波传递设置的介电纤维表面波导管》，理论分析了这一“天方夜谭”的可行性。1970年，美国康宁公司研制出损耗为20dB/km的光纤，使光在光纤中进行远距离传输成为可能，光纤通信新纪元自此拉开序幕，“光纤之父”高琨也因此站上了2009年的诺贝尔物理学奖奖台。
　　“光纤”全称“光导纤维”，由石英、玻璃等透明的光学材料拉制而成，是用于传输光的圆柱形光波导。其典型结构由纤芯和包层组成，当光从一端射入，其与轴线的夹角小于某一值时，由于纤芯折射率高，包层折射率相对较低，便会在纤芯和包层界面处发生全反射，从而光可以在纤芯中曲折前进而不穿出包层。此时若我们把信息加到光上，它便与光一起传输到另一端，实现了信息的传递。
　　我们可以比较两组数据：第一，现阶段光纤通信可实现同时传输24万路的信号，其容量比微波通信增加一千倍；第二，在确保通信质量的前提下，普通电缆或微波通信的中继距离为1.5至60公里，而现阶段光纤可实现2000至5000公里的无中继传输。
　1971年诺贝尔物理学奖
　　全息术——亦真亦幻
　　电影《阿凡达》中的3D沙盘让潘多拉星球的地形地貌一览无余，真是酷炫到没有朋友！但这种技术其实离我们并不遥远，丹尼斯•盖博教授在1947年发明的全息术就已经将这种魔法照进了现实，他也因此获得了1971年的诺贝尔物理学奖。
　　相比于传统摄影技术，全息技术创造性地记录了物体上各点的空间位置，一举突破了二维的局限，这样人们通过全息图就能够看到逼真的三维物体像了。
　　制作全息图时，需要两束激光，一束激光照射在物体上，经物体表面反射而成，另一束激光为参考光。与水波接触相类似的是，它们在空间相遇时也会发生叠加，形成明亮和黑暗相间的条纹，而物体上各点的位置信息就编码在这些条纹中。
　　将全息底板放置在两束光相遇的位置，捕捉这些条纹。再把拍好后的全息底板经过一系列的处理，我们就完成了全息图的记录。
　　借助激光器产生的参考光照射全息图，便可以再次创造出物光，仿佛全息图中真的弹出了物体的三维像一般。
　　想象着在不远的将来，随着全息技术的不断发展，电影能够摆脱荧幕和3D眼镜的束缚，在空中上演；建筑师们能够在拟真建筑里随意走动，客户也能同步地观看解说；千里之外的医生可以检查病患的身体状况。相信那一天并不遥远！
　　1908年诺贝尔物理学奖
　　干涉彩色摄影——记录色彩缤纷
　　1908年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家加布里埃尔•李普曼，他发明的干涉彩色摄影技术让照片完美再现色彩，引起了巨大轰动。
　　当时的相机使用胶片记录灰度影像，原理很简单，胶片含有一种炫酷的感光物质——卤化银，它遇光发生化学反应，变成黑色的银颗粒。光越强，银颗粒越多，就这样记录了投射在胶片上的影像。
　　世界色彩缤纷，人们怎能甘心只记录黑白？当时大多数人选择使用彩色玻璃或者彩色颗粒为相片附加颜色，但获得的照片不是缺少细节就是颜色失真，效果不甚理想。而加布里埃尔•李普曼另辟蹊径，对黑白胶片做了小小的处理，就达到了惊艳的效果。
　　他是怎么做到的？由于不同颜色的光具有不同的波长，胶片记住光的波长，就能把色彩留在上面。为了让胶片不失忆，李普曼在胶片背面涂了一层水银作为镜面。水银镜面有什么神奇的效果？举个例子，这是蓝光波长，蓝光穿过感光层后在水银上反射回来，入射光与水银反射的光发生“干涉现象”，在胶片中形成间隔为半个波长的干涉条纹。这些条纹留下了蓝光的特征，当用白光照射胶片时，它们就像一个筛子，将其他颜色的光线筛掉，只反射蓝色光线。胶片上的每一点都只反射那些记录的颜色，这样，一张彩色照片就华丽诞生了。
　　1901年诺贝尔物理学奖
　　X射线——肉眼看不见的世界
　　1901年，世界上第一枚诺贝尔物理学奖奖牌，授予了德国物理学家威廉•伦琴，奖励他发现了X射线。
　　1895年11月8日，伦琴用黑纸包住放电管，准备进行阴极射线的研究。一个奇怪的现象却吸引了他的注意：在距离放电管一米处，镀有亚铂氰化钡晶体的荧光屏上出现了一道绿光。阴极射线的传输距离明明不超过数厘米，那这道绿光是什么？伦琴把这未知的射线叫做X射线。实验发现，X射线可以穿透几厘米的硬橡胶皮，15微米的铝板。利用X射线的特性，伦琴为夫人拍摄了世界上第一张X射线照片，照片中夫人的手骨和他们的结婚戒指都清晰可见。
　　X射线和可见光都是电磁波，但它的波长仅为0.01到10纳米。X-CT能快速、准确地检查病情；X-刀能精确地消除肿瘤；X射线晶体衍射已经成为了解原子世界的利器；它还被用于金属探伤、测量金属的厚度等等。其实，每次出入站安检时，你的行李都在和它亲密接触呢。当然，X射线在造福人类的同时，也会给我们带来困扰。过量的X射线照射会引起白血病、癌症等疾病，所以在使用X射线时要做好防护。
　　事实上，与光学研究有关的诺贝尔奖，远不止我们上面所列的这五项，与光学有关的科学技术，已经深刻地改变了我们的生活。