了解光学领域的最新发展趋势

日期:  
2020年 7月 6日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

光学主要研究光的起源和传播、光是如何变化的、当光与物质相互作用时将会产生什么效应、光的各种现象以及用于研究光的仪器。光学涉及对视觉的研究,即我们是如何看到光的。所有的光都是一种电磁辐射,有些是人眼可见的,有些是人眼不可见的(例如:红外光)。

光学的历史可以追溯到古埃及人和美索不达米亚人,他们开发出了最早期的镜头。希腊-罗马的哲学家和科学家们推动了光学理论和科学的发展;在中世纪,伊斯兰人进行的研究进一步推动了光学的发展;在近代欧洲,通过大量研究,尤其是约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)在17世纪初期开展的研究工作,光学理论和科学得到迅速发展。1

在20th 世纪和21st世纪,光学科学已经融合了波动光学和量子光学。从激光和全息图到电子显微镜和隐形眼镜,光学科学的各个方面已经使一些最重要的技术用于日常用途成为可能。新的研究和突破继续推进光学知识的发展,并扩展了光学的应用范围。在本篇博客文章中,我们一起来看看光学领域取得的一些突破性成果。

光学应用包括电信光纤电缆(左)及位于美国加州汉密尔顿山(Mt. Hamilton)利克天文台(Lick Observatory)的36英寸折射望远镜(右)。(图片:来源

光学频率梳

近几十年来,光学领域取得的最重大突破之一就是“频率梳”,这是一种基于激光的光谱技术,可以极其精确地确定光原子和分子的颜色。2超高速激光的发展使光学频率梳成为了可能。光学频率梳依赖于时间与频率之间的关系,即:每单位时间内的振荡次数。

频率梳最初是为了提高原子钟的精度而开发的,现已成为一种常见工具,其能够以极高的精度检测和测量不同频率的光。“不同于仅发射单一频率激光的传统激光器,这种激光能够同步发射多个频率的激光,这些激光间隔均匀,类似于梳齿。如今,频率梳被广泛应用于各个领域,包括环境监测、化学感测、寻找系外行星、光学通信、高精度计量、计时等”。3

美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,“NIST”)解释了光学频率梳是如何产生的:“NIST的科学家们从激光器着手,这种激光器发射出一系列异常短促并且间隔紧密的光脉冲,其中包含了100万种不同的颜色。随着时间的推移,光的特性被转换为频率数,这使其看起来像梳子一样。时间与频率成反比;也就是说,越小的时间单位(或更快速的光波振荡)将会产生越大的频率数。”4

此图片经过大大简化,以显示不同颜色的光是如何随着时间的推移进行振荡的,表明蓝波振荡速度最快,而红波振荡速度最慢(单位/规格并不重要,实际上,这里的时间单位是一秒的极小一部分)。(图片来源:NIST

此图片(也已经过大大简化)显示了与上图相对应的频率梳。“梳子的每个‘齿’都是一种不同的颜色,根据光波在时间上的振荡速度来排列。振荡速度缓慢的波(红色)位于左侧,振荡速度较快的波(蓝色)位于右侧。频率以赫兹或每秒循环数来计算。真正的光梳并不是从左侧的零位置开始的,而是从一个非常高的数字,即300万亿赫兹开始的。”5(图片来源:NIST

NIST进一步解释说:“真正的光学频率梳会覆盖整个可见光谱,并具有非常细小且间隔均匀的齿。我们可以将这些梳齿当作尺子一样使用,以极高的精度测量激光器、原子、恒星或其他物体发射的光线。”6

2005年诺贝尔物理学奖共授予了三位科学家,其中两位是John L. Hall和Theodor W. Hänsch,“以表彰他们对基于激光的精密光谱学(包括光学频率梳技术)的发展做出的贡献”。7如今,这项技术已被广泛用于各种应用,比如环境监测、化学感测、寻找系外行星、光学通信、高精度计量、计时等。

就在本月,哈佛大学约翰·保尔森工程学院(John Paulsen School of Engineering)的研究人员在光学频率梳方面取得了最新突破,即利用光波中的湍流。这些研究人员能够从激光频率梳发射无线信号,从而创建了首款激光无线电发射器。该发现在电信、便携式感测、微谐振器、光谱学、化学感测等领域具有潜在的应用前景。了解更多...

光学领域近期取得的其他突破

看到拐角处的物体

来自普林斯顿大学工程学院(School of Engineering)的一个团队开发了一种能够看清拐角处物体的雷达,该雷达可以方便地内置到现今的汽车中,以提高车辆安全性和避免碰撞。该系统使用多普勒雷达(已普遍用于追踪棒球比赛中的快球),将无线电波从建筑物、停放的汽车等物体表面反射回来。

雷达信号从这些静止的物体上反射回来,并以一定的角度弹回,然后击中隐藏在拐角附近的物体。接着,一些返回的信号会反弹回到汽车上的接收器。该系统利用这些信息来查看拐角周围的物体,并确定它们是静止不动的(比如:停放的交通工具)还是处于运动中的(比如:正在行走的行人)。了解更多…

普林斯顿大学开发的新型雷达探测系统图示,该系统可以“看到”拐角处的物体。(图片©普林斯顿大学,来源

进行“侧手翻”

莱斯大学(Rice University)的研究人员发现了一种新型偏振光,这种偏振光能够进行“侧手翻”,即光在从光源进行传播的过程中发生翻转。这种效应被称为“摆线二色性”,是偏振光与物质之间发生的一种以前未知的相互作用。这种“自由传播的圆偏振光相互作用”对一些技术应用很重要,包括区分相反光偏振的3D眼镜。 了解更多…

“赖斯大学(Rice University)的科学家们创建的模型表明,附着在弹簧上的两个带正电的球体如何被光电场吸引。由于球体的运动,弹簧系统在受到顺时针和逆时针余摆线波辐射时会散射不同能量的光线。”图片来源:Link Research Group / 莱斯大学(图片来源)。

光子计数

瑞士研究人员开发了一种新型相机,该相机能够检测出在高速下传播的光线中的单个光子。此功能将有助于推动依赖于快速采集3D图像以进行实时处理的增强现实和LiDAR系统等应用。百万像素光子计数相机基于使用单光子雪崩二极管(SPAD)的新一代图像传感器技术。了解更多…

亮度和色度测量

如果您需要测量可见光或近红外光(NIR)光谱的亮度和色度,瑞淀的ProMetric® 成像亮度计和色度计可为广泛的光学测量应用提供高分辨率、低噪声测量解决方案。通过匹配人眼对光线的敏感度,瑞淀的成像系统使显示器和照明产品制造商们能够精确测量亮度、色度、辐射强度等空间值。过去25年多以来,瑞淀一直在帮助照明和显示器行业的众多企业推动研发实验室和生产线上的光学应用,并为广泛的应用提供理想的解决方案。

来自瑞淀的科学级ProMetric成像系统能够基于CIE(国际照明委员会)在“CIE 015:2018色度测量”技术报告中描述的色彩匹配函数,以模拟人眼对光的反应的方式对光进行精确测量和评估。8


引用文献

  1. Thompson, B. and Kingslake, R., “Optics”, Encyclopaedia Britannica. (Retrieved June 22, 2020).
  2. “Laser-based precision spectroscopy and optical frequency comb techniques.” in Advanced information on the Nobel Prize in Physics 2005, The Royal Swedish Academy of Sciences, October 4, 2005 
  3. Piccardo, M., Schwarz, B., et al. “Frequency combs induced by phase turbulence.” Nature, 2020; 582 (7812): 360 DOI: 10.1038/s41586-020-2386-6
  4. Optical Frequency Combs, NIST. (Retrieved July 2, 2020)
  5. Ibid.
  6. Ibid.
  7. “Laser-based precision spectroscopy and optical frequency comb techniques.” in Advanced information on the Nobel Prize in Physics 2005, The Royal Swedish Academy of Sciences, October 4, 2005 
  8. Carter, E., et al., Eds. CIE 015:2018 Colorimetry, 4th Edition. doi: 10.25039/tr.015.2018
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