在光子时代“逐鹿未来”｜国际光日

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在光子时代“逐鹿未来”｜国际光日

2022 年 5 月 17 日 学术头条

我认出了风暴而激动如大海。

我舒展开又跌回我自己，

又把自己抛出去，并且独个儿

置身在伟大的风暴里。

——赖内·马利亚·里尔克

PART 01

光的故事

是波？还是微粒？

公元1015年左右，伊斯兰科学家海什木通过解剖猪眼球的实验发现光线在眼腔内的反射与在暗室里是一样的，进而证明了光线来自周围的物体，破除了源自恩培多克勒和欧几底德时代的“流出说”猜想。但是，古代研究几乎都是基于“白光”所做的，因此并未触及到光的本质，而人类真正揭开光的面纱的时刻，要从“现代哲学之父”勒内·笛卡尔开始说起。

▲伊曼·海什木，图片来源：Wikipedia

在《谈谈方法》的附录《折光学》中，笛卡尔提出了两种假说：一是认为光类似于微粒的一种物质；二是认为光是一种以“以太”为媒质的压力——“笛卡尔假说”为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。不久后，意大利数学家格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时发现了光的衍射现象，据此，他推测光可能是与水波类似的一种流体，“光的波动学说”呼之欲出。之后，在波义耳、胡克等人的推动下，“光是一种波”的假说越来越可信。

后来，牛顿用“微粒说”阐述了光的颜色理论，这一下引燃了“光的波动说与粒子说”的争论，从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。而在这之后的100多年间，波义耳、惠更斯、夫琅和费、施维尔德、拉普拉斯、马吕斯、菲涅耳、托马斯·杨、赫兹、法拉第、麦克斯韦等著名科学家均加入到这场“大战”之中，直到阿尔伯特·爱因斯坦的出现，“终局”才得以定下来。

1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文，他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。简言之，爱因斯坦是史上第一个揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即“波粒二象性”的人。

终于，“波动说与微粒说”以“光具有波粒二象性”结束了争斗，在最终确认光的“波粒二象性”的路上，哈密顿、普朗克、巴耳末、泰勒、狄拉克、杰默尔和汤姆森等人也贡献出了自己的智慧。同时，这一跨时代的理论也激发了一些重要的新思想，比如量子力学的诞生。

至此，我们简要介绍了光的历史。

而从全球科技演进的历史来看，自第一次工业革命起后的200多年，人类社会的技术变迁是按照“机、电、光、算”（机械、电路、光学、算法）为代表的底层技术推动的。如今，第一、二、三次工业革命已然完成了机、电的技术变迁，我们也正处在第四次工业革命时代。因此，接下来我们来谈谈有关“光”的现在，以及“光”会在未来为我们带来哪些“惊喜”。

PART 02

“光热”：全球光子产业发展概况

光子技术及产业的主要市场集中在北美地区（美、加）、欧洲地区（英、德、法、荷等）和亚太地区（中、日、韩、中国台湾）。而从2019年的数据来看，中国在光子产业是全球最大的市场，且市场份额有上涨的的趋势，欧洲和美国则分列二三，市场份额暂未突破20%。当然，这并不意味着全球局势不会发生变化，毕竟光子技术及其应用仍处在发展初期，各国（企业）都在“拼命”地进行研发与应用。

▲数据来源: Photonics21/TEMATYS

●美国方面，2013年美国国家研究委员会就出版《光学和光子学：对本国至关重要的技术》报告，报告提出美国光学和光子学界面临的五项“大挑战”问题。其次，围绕其国家优先战略需求，美国还将光学与光子技术视为BRAIN计划及生物经济蓝图、先进制造、大数据、材料基因计划这四大发展优先战略的底层支撑技术。

此外，美国早在2014年便已成立“国家光子计划”产业联盟，明确表明将会支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发，研究包括生物光子学、从微弱光到单个光子、复杂媒介成像、超低功耗纳米光电子四大领域，应用则包括降低研发所需制造技术成本、促进特殊光子有关技术开发、关键光子学材料国内资源这三个领域。

就在去年，由美国国会牵头成立了国家光学与光子学核心小组。此后，美国制造光子学研究所与美国空军研究实验室和纽约州立大学研究基金会达成了一项为期七年的新合作协议，其中包括总额超过3.21亿美元的支持。对此，纽约州州长凯西·霍楚(Kathy Hochul)表示：“这些资金将用于帮助确保先进光子的制造准备，这项技术对国家安全以及高性能微电子的未来至关重要。”

●欧洲方面，早在2007年1月，欧美启动第七个科技框架计划，简称“FP7”，总预算为505.21亿欧元。而光子学作为欧盟确定的六大关键势能技术之一，“FP7”和“地平线2020”都将光子学技术重点投资领域，创新项目主要包括以下六个领域：新一代光子学技术、高速光纤因特网技术的研究开发、基于光子学技术的工业先进制造系统、高效激光加工工艺的开发、基于光子学技术的环境保护装置、基于光子学技术在卫生健康领域的应用、基于光子学感应技术在各领域的广泛应用。

比如，光子学数字创新中心（PhotonHub）已从“地平线2020”科研计划获得1900万欧元的投资。此外，为加快欧洲工业对光子技术的采用和部署，光子学数字创新中心还计划建立一个单一的光子创新中心，该中心将欧洲53个顶级能力中心的所有一流光子技术、设施、专业知识和经验整合在一起，作为一站式解决方案，可为欧洲任何想通过光子学进行创新的公司提供开放式访问。

▲PhotonHub简介，来源：

https://www.photonhub.eu/photonics-for-you/

●亚太地区，日、韩两国也在积极筹备光子产业。日本方面，除1980年成立了光产业技术振兴协会（OITDA），2010年实施尖端研究开发资助计划（该项目总金额达到1000亿日元）外，日本还于2019年启动了旨在支持颠覆性创新、复兴科技创新立国的新项目“登月型”研发项目，并提出了面向2050年的研发目标。而韩国则除了《国家光技术路线图建设》之外，也于2019年发布了《光融合技术综合发展计划》，表示会全方面、大力支持光子技术与光产业发展。

●我们再将视角转回中国。2018年，工信部发布《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》，聚焦光通信器件、通信光纤光缆、特种光纤、光传感器件四大方向；2019年国家自然科学基金委启动了《国家自然科学基金“十四五”发展规划》和《2021—2035年科学基金中长期发展规划》编制工作后，目前部分“优先发展领域”已公布，包括：高速、集成化半导体光电子器件、超高速光开关、高速光通信、光互连......生物、医学光子学、微光学技术与器件、新型光电子功能材料中的关键科学问题与器件研究、光子晶体及其应用等光相关领域。

相关数据显示，2018和2019年国家自然科学基金资助光学和光电子学研究保持高速增长（2018年资助项目655个，资助金额4625.23亿元；2019年资助项目590个，资助金额55078.31亿元）。2020年整体资金规模达到4.15亿元（受新冠肺炎疫情影响），但项目资助数量增加至663个。

再从全球市场来看，Photonics21发布的《Market Data and Industry Report 2020》显示：自2015年以来，全球光电子市场以每年7%的速度增长，超过全球GDP增长。其中，光子学组件和系统在2019年的市场规模达到7330亿美元，年均增长7%（2015-2019年）。于此，Photonics21认为，与其他高科技产业如微电子相比，光子学是一个快速发展的行业。

▲全球光子产业市场规模 (€/billion)

来源:《Market Data and Industry Report 2020》

放眼当下，全球领先经济体都已铆足了力气在光子时代“逐鹿中原”——以当前的技术应用来看，光已经深入到生活与各大产业（军事、医疗、能源、信息技术、汽车、制造、大数据等）之中。比如，我们熟悉的光刻机、激光雷达、激光诱导荧光、光谱学、生物荧光检测、太阳能和风能、自动驾驶汽车、机器视觉、自动化制造等领域均与光有着紧密联系。

不过，我们可以再将思维放开一些、看远一些，去展望未来，我们还可以“期待”些什么？

PART 03

光子畅想

“米70定律”与未来的光时代

对此，我们基于“米70定律”——即“光学成本将占未来所有科技产品成本的70％”——合理推测，同时结合一条技术主线——即“从物质、能源、信息、交通、生命五大领域”——来看看未来光还会给我们带来哪些“奇迹”。

※信息领域：信息光子

信息时代早已让文字从莎草、竹简、白纸中转移到了电脑、手机等各类电子显示屏中，可以说，屏幕占据了当今大多数人的“人生”，我们现在成为了“屏幕之民”（凯文·凯利语）。不过，随着“人、物、机”融合的万物互联时代的到来，极限感知、泛智能、需求波动化等等成了我们对信息技术的新要求。

另，集成电路已趋于物理极限，以电为传输介质的技术方式受其自身物理属性的限制，已经难以满足新一轮科技革命中人工智能、物联网、云计算等技术对于信息获取、传输、计算、存储、显示等需要。

比如，相对集成电路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特点，利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的光子芯片，未来将成为 5G 和人工智能时代的关键基础设施；而光量子技术的持续突破，将实现“真正”量子通信，成为守护信息安全的重器；而随着数据增加，光存储正在突破衍射极限向超高密度信息存储方向发展，能够为大数据时代提供更多的助力。

※物质领域：光子制造

作为中国产业结构升级和经济增长的重要推动力，制造业的重要性不言而喻。而光子制造包括激光制造、光刻技术、原子制造等，可以跨越毫米、微米、纳米等多种尺度，具有巨大的应用价值。

比如，《中国制造2025》中提到，“以提升可靠性、精度保持性为重点，开发高档数控系统、伺服电机、轴承、光栅等主要功能部件及关键应用软件，加快实现产业化。” 再比如, 以激光为“刀”对特定材料根据需要进行“精雕细刻”的光子制造技术，被称为未来先进制造领域的主导性、革命性技术。

此外，随着“智能制造”成为产业升级目标之一，其三大主要细分场景大数据收集、远程监测与精准控制都需要光子技术辅助。

※能源领域：能量光子

纵观历史，每一次的能源革命，都为人类带来了翻天覆地的变化，可以说从文明到生命，每一个惊人的变化后面都有对能源的使用。目前，可控核聚变是最具想象力的能源。而自从上世纪起，科学家就在试图实现商业核聚变,而采用激光驱动技术是可以实现无需放射性燃料或产生放射性废物的核聚变反应的。

美国科学家就曾在美国国家点火装置上使用激光引发聚变反应且观察到这个热点能够“点燃自我维持的连锁反应”，这意味着由激光引起的核聚变能够在连续的能源生产链中引起额外的聚变反应，这有可能成为核聚变商业成功的核心突破。

而激光驱动的核聚变商业化，将带来更高的产量和更低的成本，保证能源生产的价格远低于目前的价格点。这将引领新能源革命相当于有了无限的能量，人类的未来也就有了无限的可能。

※空间领域：空间光子

空间光学是利用光学手段对目标进行遥感观测和探测的科学技术领域，主要手段是把光波作为信息的载体收集、储存、传递、处理和辨认目标信息的光学遥感技术，空间光子则在朝着高分辨率、高性能和高稳定性方向发展。

比如，超大口径光学系统的发展，则能够带动空间机器人、波前传感与控制技术以及高精度激光测量等技术的发展。而光学遥感技术的高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率能够在城市规划、农业、灾害预防、军事等领域为我们带来更多的益处。

※生命领域：生命光子

所有有机体，包括人类在内都能放射一种可测的弱光，即“生物光子”，而缺少了这种这种“光”的反射，维持人类生命平衡的人体细胞间的联系和细胞所催化的生化反应就不会发生。俄罗斯科学家卡兹那雪夫花了二十年进行电动势的实验后发现，生物光子甚至能够在48小时内将信息从一个身体场域传递到另一个身体场域中（这可能让我们解开同情心，以及动物“自杀”之谜）。

放下理论，回到应用，生命光子（技术）一方面是利用先进的光子技术获取生物医学信息，其发展趋势是在体高速成像，如超分辨成像、荧光成像、光学相干层析成像、光声成像等，另一方面是利用光与生物组织的相互作用来精准治疗疾病，如光动力疗法。此外，还有光遗传学在慢性痛、帕金森等疾病相关的临床研究都已经开展。（注：限于篇幅，关于“光子应用技术”的介绍也只是“九牛一毛”。我们将在后续系列文章进行逐一介绍。）