近日，SPIE前任首席執(zhí)行官（1999-2018）Eugene Arthurs博士為中國激光雜志社與SPIE共同出版的Advanced Photonics撰文Perspectives on the future of photonics: the best is yet to come，從成像、半導(dǎo)體等7個方面對光子學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展愿景進行了評述。
一、成像
大多青年人對數(shù)字成像以及互聯(lián)網(wǎng)之前的時代沒有太多記憶。拿最常見的X光檢查為例，在那個時代，X光片不僅面積大不易攜帶，而且必須得等到濕化學(xué)處理后才能將其轉(zhuǎn)交醫(yī)生診斷。也許只有真正經(jīng)歷過這樣的時代，才能真正感受到現(xiàn)在電子傳輸?shù)谋憬菪浴?969年，美國貝爾實驗室的George E. Smith 和Willard Boyle發(fā)明了CCD，兩人也因此獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。當(dāng)時，成像技術(shù)和計算領(lǐng)域的融合尚處于起步階段。如今，AI技術(shù)到底會給影像行業(yè)帶來機遇還是挑戰(zhàn)，還是一個未知。
二、半導(dǎo)體
現(xiàn)代生活很大程度上依賴于半導(dǎo)體芯片和存儲器?？捎卸嗌偃酥乐悄苁謾C中有百億個硅晶體管處理器？又能有多少人了解整個器件的制造，尤其是微型處理器和存儲芯片的制造需要多么強大、高效、可靠的激光器？又有多少人了解印刷電路的晶體管尺寸只有7 nm？當(dāng)然這個數(shù)字很快又會刷新為5 nm，然后3 nm。
光子學(xué)技術(shù)的革新以及摩爾定律的影響向我們提出了新的挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體技術(shù)的進步將需要創(chuàng)造性的飛躍。5 nm的長度只有大約25個硅原子，該尺度量子效應(yīng)的影響會非常明顯。提高信息進出芯片速度的同時，我們也需要重新思考密集信息處理過程中產(chǎn)生的熱量。未來，光子將在信息、移動設(shè)備和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域取代電子。1980年，許多人認為阿貝極限是光刻技術(shù)的魔咒，可現(xiàn)在科研人員已經(jīng)提出各種方法來突破阿貝極限。科學(xué)界和工程界在不斷締造奇跡，他們不僅極大地推動了技術(shù)的發(fā)展，還推動了全球經(jīng)濟達到今天的高度。所以，我對光子學(xué)改變未來世界的力量深信不疑！
三、汽車行業(yè)
新技術(shù)持續(xù)為競爭激烈的汽車制造業(yè)助力，無人駕駛領(lǐng)域的技術(shù)突破更是不斷涌現(xiàn)。各式光子傳感器早已應(yīng)用于汽車安全行駛系統(tǒng)。汽車后視攝像頭和盲點探測器給駕駛帶來極大便利；基于攝像頭的電動汽車自動駕駛讓我們瞥見了未來廣闊的應(yīng)用前景；激光雷達傳感系統(tǒng)有力地保障了駕駛?cè)税踩Y騁；光子陀螺使復(fù)雜精密的大型客機幾乎完全自動駕駛；量子光子羅盤即將實現(xiàn)；激光測速、激光測風(fēng)很可能取代皮托管，從而有望減少相關(guān)事故的發(fā)生（皮托管的探測器入口容易被堵住，造成事故）。光子學(xué)將持續(xù)為運輸系統(tǒng)的技術(shù)革新注入強勁動力。
四、VR，AR，MR
虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）是勢頭正勁的光子學(xué)應(yīng)用。雖然這些概念并不新鮮，但隨著光子學(xué)頭盔及其處理能力的進步，市場實現(xiàn)似乎迫在眉睫。娛樂性和游戲性可能是其抓住廣大消費者眼球的關(guān)鍵所在。該項技術(shù)在醫(yī)療、培訓(xùn)等方面的應(yīng)用前景同樣不容小覷。
五、太陽能
2017年，全球新增太陽能發(fā)電量約100千兆瓦。作為環(huán)境友好型資源，太陽能時代必定是大勢所趨，但實現(xiàn)過程步履艱辛，向以太陽能為代表的可再生能源的過渡還遠遠沒有完成。數(shù)據(jù)顯示，所有可再生能源產(chǎn)電量總和只占了美國總發(fā)電量的五分之一。太陽能極具經(jīng)濟競爭力，進一步的技術(shù)提升可使其優(yōu)勢更為明顯。存儲問題、傳統(tǒng)發(fā)電方式的競爭、政治支持腳步的放緩，仍無法撼動太陽能成為新建發(fā)電廠的首選。無論化石燃料時代的終結(jié)是因為資源枯竭，還是出于保護脆弱的地球，光子都將在提供可行性替代方案中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
六、照明
全球目前有數(shù)十億人選擇使用LED燈照明。作為高效照明設(shè)備的典型代表，這些光子工程的產(chǎn)物已為眾多國家和地區(qū)減輕了的電力需求負擔(dān)。同時，世界范圍內(nèi)也在著力解決“光貧困”給近十億人口帶來的困擾。
七、醫(yī)療
醫(yī)療保健可能是光子學(xué)最為活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。激光可用來矯正視力、減緩視網(wǎng)膜退化，飛秒激光技術(shù)更是為白內(nèi)障患者帶來福音。隨著光學(xué)相干斷層掃描（OCT）和視網(wǎng)膜成像技術(shù)的進步，眼部檢查還可以做到對相關(guān)神經(jīng)變性疾病的早期預(yù)警，這將有利于對相關(guān)疾病的研究，并最終有望減緩病患痛苦。
基因組學(xué)在很大程度上依賴于功能強大的光學(xué)處理器。獲取基因數(shù)據(jù)的費用在以超越摩爾定律的速率下降。人們有望應(yīng)用類似光學(xué)技術(shù)來解開其他生物組學(xué)的奧秘。
縱觀科學(xué)的各個領(lǐng)域，我們欣喜地看到光子學(xué)的廣泛應(yīng)用。歐洲核子研究組織（CERN）、意大利格蘭薩索科學(xué)研究所（GSSI）和日本的超級神崗實驗（Super Kamiokande）等粒子檢測中都采用了光學(xué)探測器。光學(xué)技術(shù)在化學(xué)研究中應(yīng)用極廣。激光可用來分析從等離子體、火星巖石標本到人類眼睛、皮膚等各種形態(tài)的物質(zhì)。精密的LIGO激光系統(tǒng)驗證了百年前的假設(shè)，Exawat激光也將很快驗證我們對真空物理學(xué)的理解。阿秒探針在原子和分子水平上加深了人們對基本動力學(xué)的理解。天文學(xué)一直依賴于光學(xué)……我很幸運有機會看到利用哈勃望遠鏡拍攝的蔚藍地球以及浩渺星辰的照片，尤其對冥王星嘆為觀止。
展望
光子學(xué)的進步為未來提供無限可能。其關(guān)鍵之處在于我們能多快、多有效地釋放光子學(xué)潛能。不得不承認，即使到現(xiàn)在，提到光子學(xué)，仍有相當(dāng)一部分人會滿臉疑惑，或者簡單粗暴地認為光學(xué)就是眼鏡。不得不說，我們要走的路還有很遠。
在與光子學(xué)的學(xué)生接觸過程中，我感到很欣慰，因為他們是一群天資聰穎、目標明確的年輕人。我一直堅信光子學(xué)領(lǐng)域是職業(yè)生涯的理想選擇，光子學(xué)的應(yīng)用范圍也將進一步擴大。但我并沒有看到將光學(xué)技術(shù)充分應(yīng)用到制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源等行業(yè)的有效激勵措施。我殷切地希望有更多光學(xué)科學(xué)家能找到將光學(xué)知識和技術(shù)應(yīng)用到各個領(lǐng)域的不竭動力和有力支持。
光學(xué)和光子學(xué)行業(yè)多年的從業(yè)經(jīng)驗使我堅信：光子學(xué)大有可為，未來可期?？傆幸惶飚?dāng)我們回首往事，會說：是的，這是光子的時代。
請相信：光子學(xué)，巔峰將至。
原創(chuàng)| Eugene Arthurs
來源|愛光學(xué)