2015年,距阿拉伯學者伊本·海賽姆的五卷本光學著作誕生恰好一千年。一千年來,光技術帶給人類文明巨大的進步。為此,聯合國宣布2015年為“光和光基技術國際年”(簡稱國際光年),以紀念千年來人類在光領域的重大發現。
2014年諾貝爾物理學獎
藍光LED:開啟“新光明”
2014年諾貝爾物理學獎的獎杯由赤崎勇、天野浩與中村修二共舉,照亮獎杯的,是他們發明的藍光LED。
諾貝爾物理學獎貼著“高冷”的標簽,藍光LED卻好像和這神秘的高冷氣質沒什么關系。真相只有一個——藍光LED推動了整個LED照明產業邁向實用化。
LED照明需要紅綠藍三原色匯聚成白光。紅光LED和綠光LED早在上世紀六七十年代相繼誕生,藍光LED的研發卻卡殼了。敲碎這層殼的正是赤崎勇和天野浩師徒,他們首次突破瓶頸發明藍光LED。隨后,中村修二研發出生產高效藍光LED的技術,三原色集合完畢,真正開啟了“新光明”時代。
LED照明究竟意味著什么呢?我們可以這樣算一筆數據賬,全球每年總消耗電量約200000億千瓦時,其中19%用于照明。若將所有照明燈具更換為LED節能燈,那么每年全球至少節約用電15200億千瓦時。這些節約的電量相當于全年減少用煤至少5億噸,減少二氧化碳排放13億噸,減少二氧化硫排放420萬噸。
藍光LED用20年實現了LED照明的華麗轉身,如今更是用途廣泛,用手機聊天、用電腦工作、用電視消遣,都有藍光大顯身手。白熾燈點亮了20世紀,21世紀將由LED燈點亮。
2009年諾貝爾物理學獎
光纖:通信新時代
數百年來,科學家們長期致力于研究如何更快更遠更好地傳遞信息。從電報到有線電話,再到電纜的普遍使用,科技的進步讓我們足不出戶而知天下事。
20世紀60年代,華裔科學家高琨提出用光代替電流,用玻璃纖維代替導線的設想,并在1966年發表了劃時代論文《為光波傳遞設置的介電纖維表面波導管》,理論分析了這一“天方夜譚”的可行性。1970年,美國康寧公司研制出損耗為20dB/km的光纖,使光在光纖中進行遠距離傳輸成為可能,光纖通信新紀元自此拉開序幕,“光纖之父”高琨也因此站上了2009年的諾貝爾物理學獎獎臺。
“光纖”全稱“光導纖維”,由石英、玻璃等透明的光學材料拉制而成,是用于傳輸光的圓柱形光波導。其典型結構由纖芯和包層組成,當光從一端射入,其與軸線的夾角小于某一值時,由于纖芯折射率高,包層折射率相對較低,便會在纖芯和包層界面處發生全反射,從而光可以在纖芯中曲折前進而不穿出包層。此時若我們把信息加到光上,它便與光一起傳輸到另一端,實現了信息的傳遞。
我們可以比較兩組數據:第一,現階段光纖通信可實現同時傳輸24萬路的信號,其容量比微波通信增加一千倍;第二,在確保通信質量的前提下,普通電纜或微波通信的中繼距離為1.5至60公里,而現階段光纖可實現2000至5000公里的無中繼傳輸。
1971年諾貝爾物理學獎
全息術:亦真亦幻
電影《阿凡達》中的3D沙盤讓潘多拉星球的地形地貌一覽無余,真是酷炫到沒有朋友!但這種技術其實離我們并不遙遠,丹尼斯·蓋博教授在1947年發明的全息術就已經將這種魔法照進了現實,他也因此獲得了1971年的諾貝爾物理學獎。
相比于傳統攝影技術,全息技術創造性地記錄了物體上各點的空間位置,一舉突破了二維的局限,這樣人們通過全息圖就能夠看到逼真的三維物體像了。
制作全息圖時,需要兩束激光,一束激光照射在物體上,經物體表面反射而成,另一束激光為參考光。與水波接觸相類似的是,它們在空間相遇時也會發生疊加,形成明亮和黑暗相間的條紋,而物體上各點的位置信息就編碼在這些條紋中。
將全息底板放置在兩束光相遇的位置,捕捉這些條紋。再把拍好后的全息底板經過一系列的處理,我們就完成了全息圖的記錄。
借助激光器產生的參考光照射全息圖,便可以再次創造出物光,仿佛全息圖中真的彈出了物體的三維像一般。
想象著在不遠的將來,隨著全息技術的不斷發展,電影能夠擺脫熒幕和3D眼鏡的束縛,在空中上演;建筑師們能夠在擬真建筑里隨意走動,客戶也能同步地觀看解說;千里之外的醫生可以檢查病患的身體狀況。相信那一天并不遙遠!