四、光的未來

光有怎樣的未來，未來我們可以做什么？不難預(yù)測，我們將可以得到更多極端的條件，光場的操控方式發(fā)生了根本性的改變。首先可以產(chǎn)生非常短的脈沖，目前商用儀器產(chǎn)生的光脈沖最短可達到4fs，另外可精確控制相位，形成完全不同的場強分布。光場模式多樣化，可進行波長、相位、頻率、位置、時間等條件的操控，增加了物理學(xué)研究中的變量，拓展了物理學(xué)研究的方向和極限。同時也可以在空間尺度進行調(diào)控，可突破光的衍射極限，借助一些微納結(jié)構(gòu)將光斑尺寸約束至納米尺度以下，比如表面等離激元，可以帶來全新的光學(xué)研究思路。空間小尺度光學(xué)的出現(xiàn)，開拓了近場光學(xué)的研究，包括表面等離激元的研究、人工納微結(jié)構(gòu)的研究、特異材料的研究、微納光電子器件的研究等。納米光學(xué)和激光光學(xué)的發(fā)展可以使得光與物質(zhì)相互作用區(qū)更小，相互作用尺度更小，使得光信息技術(shù)步入了新的時代。

時間小尺度方面，飛秒激光與物質(zhì)相互作用后可以產(chǎn)生阿秒(as)激光(1as=10-18 s)，現(xiàn)在實驗室通過飛秒光高次諧波產(chǎn)生的最短的阿秒光脈沖可達到46as。阿秒的出現(xiàn)使更小時間尺度方面的觀測成為可能，我們也就擁有了更短的標(biāo)尺。氫原子中電子繞核運動一圈的時間是150as，如果我們擁有時間尺度為46as 的標(biāo)尺，就可觀測電子的運動過程，這是非常有意義的。但是目前人們還面臨著阿秒光脈沖能量較低等困難，很多研究還不具備實驗條件，這也是光學(xué)未來需要攻克的目標(biāo)。

超快技術(shù)也應(yīng)用在生命和材料領(lǐng)域的研究中，光的多維調(diào)控為這些交叉領(lǐng)域研究提供了豐富的手段，如生物大分子的四維成像、超快動力學(xué)與飛秒醫(yī)學(xué)等等，這些都是非常前沿的光學(xué)領(lǐng)域的嘗試。比如，以前我們可以產(chǎn)生的光斑是圓的，現(xiàn)在卻可以將光斑中心變成圓的空洞，偏振變成鏡像、橫向或者螺旋偏振，突破了原來的線偏振、圓偏振和橢圓偏振等等。正是由于有了多樣的光結(jié)構(gòu)，應(yīng)用普通光和結(jié)構(gòu)光先后照明，使空洞處保留原來的粒子的空間分辨，此技術(shù)突破了光學(xué)顯微技術(shù)在理論上的極限，實現(xiàn)了納米高分辨成像。此外，將光脈沖展開成不同的脈沖形狀，利用脈沖整形對動力學(xué)過程、分子形成和解離、生命和材料等的反應(yīng)過程進行人工調(diào)控。通過精密調(diào)控光脈沖各點的位相和振幅，構(gòu)建特定光場結(jié)構(gòu)的波陣面，實現(xiàn)光場偏振態(tài)剪裁，可以控制細胞等微觀粒子的運動。

在超快計算領(lǐng)域，要求現(xiàn)代的微電子芯片計算量大、計算速度快。通常情況下，超快計算是通過計算機并聯(lián)實現(xiàn)的，但并聯(lián)導(dǎo)致能量損耗非常大。如果在微電子芯片里加入光芯片來實現(xiàn)光信息的傳輸，用光來進行機器間的交互，可以很好地解決能耗問題，極大的增加運算和傳輸速度，為未來計算和信息處理提供了新的方法。

飛秒激光時域和頻域的控制還可以對光合作用中的過程進行詳細的研究，探索研究光合作用具體的作用過程和原理之后，人們就可以人造光合作用體，解決人類目前所面臨的多種能源問題，這些都將是現(xiàn)代光學(xué)的前沿和未來光學(xué)的發(fā)展方向。