四、光的未來(lái)

光有怎樣的未來(lái)，未來(lái)我們可以做什么？不難預(yù)測(cè)，我們將可以得到更多極端的條件，光場(chǎng)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(dá)到4fs，另外可精確控制相位，形成完全不同的場(chǎng)強(qiáng)分布。光場(chǎng)模式多樣化，可進(jìn)行波長(zhǎng)、相位、頻率、位置、時(shí)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(shí)也可以在空間尺度進(jìn)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(lái)全新的光學(xué)研究思路�？臻g小尺度光學(xué)的出現(xiàn)，開拓了近場(chǎng)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(shí)代。

時(shí)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(shí)驗(yàn)室通過(guò)飛秒光高次諧波產(chǎn)生的最短的阿秒光脈沖可達(dá)到46as。阿秒的出現(xiàn)使更小時(shí)間尺度方面的觀測(cè)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(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間是150as，如果我們擁有時(shí)間尺度為46as 的標(biāo)尺，就可觀測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)驗(yàn)條件，這也是光學(xué)未來(lái)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(dòng)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(lái)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(lái)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(shí)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(duì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程、分子形成和解離、生命和材料等的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行人工調(diào)控。通過(guò)精密調(diào)控光脈沖各點(diǎn)的位相和振幅，構(gòu)建特定光場(chǎng)結(jié)構(gòu)的波陣面，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)偏振態(tài)剪裁，可以控制細(xì)胞等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。

在超快計(jì)算領(lǐng)域，要求現(xiàn)代的微電子芯片計(jì)算量大、計(jì)算速度快。通常情況下，超快計(jì)算是通過(guò)計(jì)算機(jī)并聯(lián)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)光信息的傳輸，用光來(lái)進(jìn)行機(jī)器間的交互，可以很好地解決能耗問(wèn)題，極大的增加運(yùn)算和傳輸速度，為未來(lái)計(jì)算和信息處理提供了新的方法。

飛秒激光時(shí)域和頻域的控制還可以對(duì)光合作用中的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的研究，探索研究光合作用具體的作用過(guò)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(wèn)題，這些都將是現(xiàn)代光學(xué)的前沿和未來(lái)光學(xué)的發(fā)展方向。