第一节 光现象及其本质研究的新成果
一、光现象研究的新发现
（一）探索自然界光现象的新发现
1．观测宇宙光现象的新发现
首次探测到宇宙大爆炸的光在旅途中扭曲。2013年10月23日，每日科学网报道，加拿大麦吉尔大学邓肯·汉森牵头，美国加州理工学院的乔奎因·维埃拉等人参与的一个国际天文研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们利用美国南极地面望远镜和欧洲空间局赫谢尔太空望远镜，最近首次探测到了来自宇宙大爆炸的光在旅途中发生的扭曲现象，也称B-模式。研究人员称，这一发现，有助于绘制更好的宇宙空间物质分布图，并为揭示宇宙“第一时刻”铺平了道路。
目前，我们看到的最古老的光来自大爆炸时残留的辐射，称为宇宙微波背景，在宇宙仅38万岁时被印在了天空中，至今宇宙已有138亿岁。宇宙微波背景中一小部分已被偏振，使得光波在同一个平面振动，就像阳光被湖面或大气中的粒子反射。宇宙微波背景的光要到达地球，这一旅途不仅漫长，还会受到大质量星系团和暗物质的“拉扯”而变得弯曲。这种扭曲的偏振光模式就称为B-模式。
长期以来，科学家预测B-模式有两种：一种是在光穿越宇宙时，由于星系和暗物质的“引力透镜”效应而产生了扭曲，最新探测到的正是这种光路模式。另一种称为原始光模式，理论上是在大爆炸产生宇宙后的不到一秒内产生的。
为寻找这种模式，研究人员搜索了大量由“引力透镜”产生的偏振光，并整理了来自普朗克任务的数据。普朗克任务最近为宇宙微波背景绘制了迄今最好的全天图，揭示了有关宇宙年龄、内含和起源方面的最新细节。他们通过南极望远镜发现了信号，由于信号极微弱，还利用了赫谢尔的红外物质图。
负责赫谢尔探测的维埃拉说，南极地面望远镜探测到了来自大爆炸的光，赫谢尔太空望远镜对星系敏感，能追踪暗物质产生的引力透镜效应，两者结合使最新发现成为可能。
研究人员还指出，这是迄今为止首次探测到B-模式。为更好地绘制物质（包括普通物质和暗物质）在宇宙中的分布，迈出了重要一步。下一步，他们希望能探测到原始B-模式。原始B-模式极难探测，有可能携带着宇宙初生时的线索。汉森说：“要检测原始B-模式，最新发现也是个极佳的检查点。”
2．研究地球上光现象的新发现
（1）揭开北极光奇观的产生之谜。2009年4月，《每日电讯报》报道，北极光是世界上最奇特的自然景观，现在德国科学家已经揭开这种自然奇观的产生之谜。数百年来，北极上空出现的美丽极光一直是个谜，不过研究人员现在已经对它们的产生原因，了解得更加全面了。
电子龙卷风向地球袭来，接触到大气上层的电离层时，就会产生极光。巨大的太阳粒子云团生成的这些龙卷风，会以每小时超过100万英里的速度向前飞驶。太阳粒子云团在地表上方慢慢积聚到高达40000英里，当它们受到自己携带的电荷刺激时，就会产生旋风。天文学家早就知道，当太阳粒子流——太阳风接触到地球的磁场时，就会产生极光。
现在，德国不伦瑞克地球物理学和宇宙物理学研究所，卡尔·格拉斯梅尔教授领导的一个研究小组，已经清楚地球磁场是如何在偏转太阳粒子的运行路线，让它们飞向地球阴面之前，捕捉地球阳面上的太阳粒子的。太阳粒子在地球阴面上方越积越多，最后快速冲向地球。
该研究小组利用美国宇航局的5颗卫星监控北极光，制成第一批电子龙卷风图。这5颗卫星是“西弥斯（Themis）”项目的一部分。不久前，他们在维也纳举行的欧洲地球科学联盟会议上，详细介绍了这次研究结果。格拉斯梅尔说：“‘西弥斯’卫星让我们第一次有机会在三维空间里看到极光产生的过程，并展示出它们是一种多么壮观的自然景观。”
（2）发现特定条件下人眼也能看见地球表面的红外光。2014年12月2日，物理学家组织网报道，美国华盛顿大学眼科与视觉科学系研究助理弗兰斯·温伯格主持，成员来自美国华盛顿大学医学院和波兰、瑞士、挪威的一个国际研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们研究发现，在特定条件下，人的视网膜也能感觉到地球表面的红外光。
任何科学教科书都会告诉你，我们是看不见红外光的。红外光就像X射线和无线电波，都在可见光谱以外。但该研究小组对此提出了不同看法。他们用强激光器发出红外光脉冲，照射小鼠和人类的视网膜，发现当激光脉冲很快时，眼睛就能感知到这种不可见光。
研究小组最初报告称，当用红外光照射时，研究人员能偶尔看到绿色闪光。但他们所用的光，与讲课中用的激光笔不同，人眼是看不到的。温伯格说：“研究人员看到了光，而这激光束是在可见光范围之外的，我们想知道他们是怎样感觉到了这些看不见的光。”
经过重复实验后，研究人员对多个激光器发出的光进行了分析。温伯格解释说：“我们用了持续时间不同的激光脉冲，它们发出的光子总数是一样的。我们发现脉冲越短，人们越有可能看见它。虽然脉冲之间的时间极短，裸眼根本注意不到，但这种间隔的存在，对人们能否看到它却非常重要。”
通常一个光子被视网膜吸收后，会产生一个叫作感光色素的分子，由此开始了把光转变为视觉的过程。对于标准视力，每个感光色素分子都会吸收一个光子，由此产生大量感光色素。如果把许多光子“打包”在快速脉冲激光的一次短脉冲里，就可能让一个感光色素一次吸收两个光子，结合两个光子的能量就可能激活色素，让眼睛看到平时看不到的光。
华盛顿大学眼科与视觉科学副教授、高级研究员弗拉迪莫·科法洛夫说：“可见光谱，包括波长在400~720纳米的光。如果视网膜里的色素分子被一对1000纳米波长的光子迅速接连击中，所提供的能量就与一个500纳米波长的光子相当，正在可见光谱范围内，这就是人们为何能看见它。”
这项研究，第一次报告了眼睛能通过这种机制感知光线。通过较弱激光让事物变得可见并不新鲜，如双光子显微镜可以用激光来探测组织深处的荧光分子。
（二）研究无机材料光现象的新发现
1．探索碳素材料光现象的新发现
首次在碳纳米管中观察到场致发光现象。2010年12月，德国卡尔斯鲁厄大学纳米专家拉尔夫·克鲁普克，与瑞士和波兰等国同行组成的一个国际联合研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表研究成果称，他们在一项新研究中首次观察到，碳纳米管中缺口间的分子，在电流通过时能够发光，这种现象称为场致发光。
克鲁普克表示，这是首次在碳纳米管—分子—碳纳米管连接设备中，观察到场致发光。该研究的最大意义在于，成功将分子嵌入这种首尾对结构中，制造了坚实的固态设备，而且能精确控制缺口和分子的大小，让它在施加电压时发光。这项研究还首次从分子电子学角度证实，设备空档处的分子出现了光学标志。
碳纳米管在分子电子学方面，有很多应用。研究人员正在用不同的分子，制造出不同发光波长的多种设备，这一重要的基础性研究有助于制造微型化、高能高效计算机，并拓宽了分子电子学视角，比如以单分子为基础开发光电子元件。
2．探索半导体材料光现象的新发现
（1）首次观察到决定半导体光学属性的激子细节。2012年3月29日，美国加州大学圣地亚哥分校的物理学教授列奥尼德·布托夫领导，研究生阿历克斯·海等人参加的研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们首次观察到激子内发生自发相干现象时的各种图案，最新研究有助于他们更好地理解激子，以及物质的量子属性，也有望让研究人员研制出新的光电计算设备和消费设备，因为研制出这些光电设备，需要深入了解物质和光的基本属性。
2002年，布托夫发现，当激子被冷却到足够低温时，它会自发排列成一个有序的微小滴珠阵列，就像一串迷你珍珠项链。在最新实验中，他们发现，激子粒子的自旋在空间内并非完全一样，而是会围绕这些小滴珠形成一定的图案，他们称之为“自旋结构”。他们也发现，自发相干图案不仅同自旋极化图案有关，也同相干激子气体内的相位奇点有关。
阿历克斯·海表示：“看到这些图案令人吃惊。更令人惊奇的是，对极化进行测量表明，相干和极化之间密切相关。”布托夫说：“最新研究有助于我们理解激子的基本属性，以及信号处理过程，这对未来建造出激子设备不可或缺。”
研究人员让激光器照射在被冷却的砷化镓样本上，制造出激子。光会把电子由它们盘踞的原子轨道踢出，从而制造出一个带负电荷的“自由”电子，与一个带正电荷的“空穴”，它们之间的库仑相互作用，在一定条件下会使它们在空间上束缚在一起，成为激子。然而，因为电子和空穴非常接近，当光出现时，它们有时会相互湮灭。
为了不让湮灭悲剧发生，布托夫研究小组把电子和相对应的空穴，分别置于不同纳米大小的量子势阱内，这使得制造出的激子具有所需要的寿命，在本次试验中，大约为50纳秒。阿历克斯·海表示：“在这段时间内，激子会冷却形成凝聚物，并展示出令人感兴趣的自旋物理现象。”
研究人员还使用干涉仪，把光分成两个不同的路径，从而使自己能比较同一样本的两个不同区域的情况，首次看到激子内自发相干的详细细节。阿历克斯·海说：“以前的实验需要使用光纤，并在稀释制冷机内进行，但最新设备让我们能在非常低的温度下给激子拍照，这一点非常重要。”
（2）首次证实二维半导体存在普适吸光规律。2013年8月，美国劳伦斯伯克利国家实验室，材料科学部专家阿里·贾维领导，电气工程师伊莱·雅布洛诺维奇等人参加的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表研究论文称，他们首次证实，所有的二维半导体普遍适用于一个类似的简单吸光规律。他们利用超薄半导体砷化铟薄膜进行的实验发现，所有的二维半导体，包括受太阳能薄膜和光电器件行业，青睐的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，都有一个通用的吸收光子的量子单位，他们称为“AQ”。
从太阳能电池，到光电传感器，再到激光器和各类成像设备，当今许多的半导体技术，都是基于光的吸收发展起来的。吸光性对于量子阱中的纳米尺度结构来说，尤为关键。量子阱是由带隙宽度不同的两种薄层材料，交替生长在一起形成的具有量子限制效应的微结构，其中的电荷载流子的运动被限制在一个二维平面上，能带结构呈阶梯状分布。
贾维说：“我们使用无须支撑的厚度，可减至3纳米的砷化铟薄膜，作为模型材料系统，来准确地探测二维半导体薄膜厚度和电子能带结构对光吸收性能的影响。我们发现，这些材料的阶梯式光吸收比，与材料的厚度和能带结构无关。”
他们把超薄的砷化铟膜，印在由氟化钙制作的光学透明衬底上，砷化铟膜吸收光，氟化钙衬底不吸光。贾维说：“这样我们就能够根据材料的能带结构和厚度，来研究厚度范围在3~19纳米之间薄膜的吸光性能。”
贾维研究小组，借助伯克利实验室先进光源的傅立叶变换红外分光镜，在室温下测出从一个能带跃迁到下一个能带时的光吸收率。他们观察到，随着砷化铟薄膜能带的阶梯式跃迁，AQ值也以大约1.7%的系数相应地逐级递增或者递减。
雅布洛诺维奇说：“这种吸光规律对于所有的二维半导体来说，似乎是普遍适用的。我们的研究结果，加深了对于强量子限制效应下的电子—光子相互作用的基本认识，也为了解如何使二维半导体拓展出新奇的光子和光电应用，提供了独特视角。”
（三）研究生命体光现象的新发现
1．探索生物荧光的新发现
发现决定生物荧光蛋白发光的分子机制。2007年4月，美国俄勒冈大学物理学和分子生物学教授詹姆斯·雷明领导的研究小组，在美国《国家科学院工学报》网络版上发表研究成果称，他们发现了决定生物荧光蛋白发光的分子机制，并通过插入一个单氧原子，使荧光蛋白处于“关闭”状态长达65小时。
该研究成果适用于大多数可光控荧光蛋白。新的模型展现了荧光蛋白分子的开关机制，科学家将能够在未来设计出更多用于分子标记的荧光蛋白变种，使其在基因表达和细胞活动研究等方面得到更广泛的应用。
此前，人们并不了解荧光蛋白“光控开关”的机制，不发光的荧光蛋白有时候会随机地回到发光的稳定状态。在这项新研究中，研究人员利用合理的突变和定向进化，确定出高分辨率的荧光蛋白“打开”和“关闭”状态的晶体结构，该荧光蛋白源自海葵。
研究发现，当荧光蛋白分子处于稳定的发光状态时，两条原子侧链以共面的方式，平坦而有序地排列；而用明亮的激光对其进行照射时，环状链旋转180°并翻动约45°，荧光蛋白迅速变暗，最终两条原子侧链停止在非共面的不稳定状态。通过这两种状态，研究人员有机会观察到，荧光蛋白相邻原子团间相互作用的变化。
据介绍，荧光蛋白处于不发光状态时，分子吸收了紫外线，但并不放射出任何光线。然而，当发色团吸收紫外线后，就会偶尔产生电离而带上负电，导致环状链跳回原来的发光状态。
此外，研究发现，在不发光状态时，如果荧光蛋白中，某些碳原子和氧原子处于相邻的位置，两者之间的相互作用并不稳定，但如果在合适的位置精确插入一个氧原子，就会使整个结构状态趋于稳定。研究人员最终利用单个突变，使得荧光蛋白“打开”时间从5分钟延迟到65个小时。
2．探索植物体内光现象的新发现
揭示植物根部感知光线的传输机制。2016年11月，有关媒体报道，韩国首尔国立大学李浩君领导的研究小组，在《科学·信号》杂志上发表研究成果称，他们的研究表明，植物似乎会把阳光直接输送到地下根部，以帮助它们生长。
众所周知，茎部、叶子和花朵中的光受体能调控植物生长。虽然根部也拥有这些受体，但至今尚不明确它们如何在黑暗的土壤深处感知光线。
该研究小组利用一种来自十字花科的小型开花植物拟南芥作为模型，研究了这种现象。他们发现，拟南芥的茎会像纤维光缆一样发挥作用，把光线向下传导给被称为光敏色素的根部受体。这触发了一种促使根部健康生长的蛋白HY5产生。当这些植物被改造成拥有光敏色素突变时，HY5的产量开始下降。而当它们拥有HY5突变时，其根部生长受到阻碍，并且伸展的角度非常怪异。
为证实光线是在植物体内直接传输，而不理由光线激活穿行至根部的信号化学物质，研究人员通过光纤把一个光源连接到植物茎部。位于根部末端的地面探测器证实，光线被直接传输至此。
更重要的是，当他们用诸如蔗糖等常见的植物信号化学物质处理黑暗中的拟南芥样本时，并未观察到根部生长有明显增快的迹象。这表明，此类化学物质并不能驱动生长。
3．探索动物身上光现象的新发现
（1）发现蝙蝠是唯一用偏振光导航的哺乳动物。2014年7月23日，德国马克斯·普朗克学会鸟类学院斯蒂凡·格瑞夫领导的研究小组，在英国《自然·通讯》上发表的一篇动物学研究文章显示，雌性大鼠耳蝠能够使用偏振光来进行定向。这让蝙蝠成为至今为止我们知道的唯一一个可以使用天空中光线的偏振模式来导航的哺乳动物。
动物在定位和导航时，会使用各种感官信息，例如太阳和星星的位置，地球磁场的强度和倾角，或者天空中光线偏振的模式。为了达到最准确的定位和导航，动物需要用不同的系统进行校准。我们已知无脊椎动物和鸟类都会利用偏振光进行定向，但是以前从没有在哺乳动物中找到例子。
格瑞夫研究小组使用易位实验显示，雌性大鼠耳蝠在日落时，会用偏振光作为校准它们的磁场导航的线索。此次在研究人员的实验中，70只成年雌性蝙蝠于日落时在不同的位置上，从有着不同过滤器来操纵阳光偏振模式的实验箱中“感知”天空，而后研究者们观察它们使用偏振光作为指引，最终回到自己的洞穴。
蝙蝠是已知唯一一类可以真正飞行的哺乳动物，它们中的多数具有敏锐的听觉定向（回声定位）系统，可以通过喉咙发出超声波，然后再依据超声波回应来辨别障碍物。但长期以来，蝙蝠在飞行过程中的导航策略令人迷惑不解。而今，这项成果对于研究哺乳动物视力的感官生物学有着重要意义，但目前，科学家仍然不清楚，蝙蝠们究竟是如何“感知”并使用天空中光线的偏振模式，进行导向的。
（2）揭示变色龙变色奥秘在于反射不同波长的光线。2015年3月，有关媒体报道，瑞士日内瓦大学米歇尔·米林柯维基领导的一个研究小组，针对豹纹变色龙皮肤展开一系列研究和试验，终于揭开了它们的变色机制。
研究人员说，豹纹变色龙从庄重的绿色变成光鲜的嫩黄或亮红色，只需要两分钟。它们是如何做到这一点的呢？科学家一直推断，变色龙通过使不同颜色在它们的皮肤中流动来改变其外表，但这种爬行动物实际上拥有一种更聪明的方法。
研究小组发现，实际上，豹纹变色龙是通过迅速地重新排列皮肤中的微小晶体，使其能够能反射不同波长的光线，从而形成不同的颜色。米林柯维基说：“从本质上讲，这些晶体相当于分色镜。”
为了伪装，豹纹变色龙通常是一袭绿装。不过，当有竞争对手或心仪的配偶靠近时，成年雄性变色龙会迅速变成黄色或红色。“它们或者是在躲藏，或者是在炫耀。”米林柯维基表示。
研究小组在显微镜下，研究了变色龙的皮肤，发现细胞中含有呈网格状且排列十分规整的鸟嘌呤晶体，而鸟嘌呤是4种脱氧核糖核酸碱基之一。随后，研究人员利用计算机模型显示，理论上，通过简单地改变晶体间距离，它们的排列能反射任何可见光的颜色。相互靠近时，它们反射拥有短波长的绿色。相反，当晶体间的距离增加时，黄色然后是红色的波长会被反射。
为确定这是否为变色龙皮肤中颜色改变背后的机制，研究小组获取了小块皮肤样品，并将其浸入盐溶液中。通过改变浓度，他们能让皮肤细胞膨胀或收缩，这反过来会增加或减小鸟嘌呤晶体之间的距离。研究发现，被反射的光线波长发生变化的方式同模拟预测的完全一样。
二、光学原理研究的新进展
（一）探索光存在状态的新成果
成功拍摄出有史以来第一张光的波粒二象性照片。2015年3月2日，物理学家组织网报道，量子力学告诉我们，光同时具有粒子性和波状性，但我们看到的要么是波状，要么是粒子。在爱因斯坦时代，科学家就一直在努力，设法同时、直接看到光这两方面的性质。最近，瑞士洛桑联邦理工学院科学家法布里奥·卡彭领导的研究小组，在《自然·通讯》杂志上发表研究成果称，他们成功拍摄出有史以来第一张光同时表现出波粒二象性的照片。
当紫外光照在金属表面时，会造成一种电子发射。爱因斯坦将此解释为入射光的“光电”效应，被认为只是一种波，也是一束粒子流。卡彭研究小组进行了一次“聪明的”反向实验：用电子来给光拍照，终于捕获了有史以来第一张光既像波，同时又像粒子流的照片。
实验设置大致为：发出一束激光脉冲照射微细的金属纳米线。激光给纳米线上的带电粒子增加了能量，使它们振动起来。光沿着这条微细纳米线以两个可能的方向传播，就像高速路上的车辆。当波以相反的方向传播，互相碰在一起时，就会形成一种新的波，看起来像停驻在那里。在此，这种驻波成为实验中的光源，向纳米线的周围辐射。
实验中所用的技巧在于，研究人员发射了一束电子接近纳米线，用这束电子来给停驻的光波拍照，当电子和驻波在纳米线上相互作用时，它们要么加快，要么减慢。用超快显微镜拍摄这一速度改变的位置，就能使驻波变得可见，就像光的波性指纹。
而这种现象不仅能显示出光的波状特性，同时也显示了粒子特性。当电子接近光驻波时，它们会“撞击”光粒子，也就是光子，这会影响它们的速度，让它们的速度更快或更慢。这种速度的变化显示了电子和光子之间的能量“包”（量子）的交换，正是这些能量包的出现，显示了纳米线上的光的粒子性。
卡彭说：“这项实验第一次证明了，我们能直接拍摄量子力学现象及其矛盾的性质。此外，这项开创性研究的重要性，在于它能把基础科学拓展到未来技术上。能在纳米尺度拍摄并控制类似这种量子现象，也为量子计算机开辟了新途径。”
（二）探索光传播状态的新成果
1．研究光传播行为的新信息
开发出防止光束在传播中发散或聚焦的方法。2006年7月21日，美国加州理工大学信息物理中心博士后梅森·波特、马丁·岑土日沃，以及加州理工学院电子工程教授德米特里·索尔蒂斯和马萨诸塞州大学阿默斯特分校数学副教授帕纳约蒂斯·凯文热奇迪斯等人组成的研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们发明了一种防止光束在传播过程中发散或聚焦的方法，确保光束在传播过程保持大小一致。
研究小组使用玻璃和空气相间的多层介质，首次实验示范了叫作“非线性操纵”的过程。这项技术因为能够对光脉冲进行精确地控制，对将来新一代的光开关、光信息处理等装置的制造会起很大作用。
研究人员指出，当光在玻璃中传播时，会得到一个聚焦的光束。这个光束很强以致会使介质脱去电子而产生等离子体。而使用玻璃和空气相间隔的层状结构，就会因为在传播中光束反复地发散和会聚很多次，而阻止了等离子体的产生。
波特说：“这个技术，是使光束大小平均来说维持不变。”
2．研究光传播速度的新发现
（1）发现硅晶中光速可借助外部磁场来改变。2005年11月，有关媒体报道，美国IBM公司工程师组成的研究小组在实验中发现：硅晶中的光速，可以借助于外部磁场来改变。于是，他们利用带有细微孔的不大的硅晶装置，成功地使光速降低300倍。
研究人员表示，有些新材料具有特别高的折射率：用其制成的扁平透镜折射能力，比非常弯曲的玻璃还要强。折射率可测定光在介质中的传播速度比真空中减慢多少倍，对于普通玻璃即对于十分均匀物质的折射率通常接近1。不仅如此，大家熟悉的光量子晶体，即带有特殊纳米结构的介质，由于色散和衍射可使电磁波的性能发生质变。
有些光量子晶体能在自然界中遇到（如蛋白石），但是人工制取它们的数量极少，其中包括由著名大学实验室人工合成的能减慢光速的材料，具有的折射率可达到100数量级，但是制取它们需要特别复杂的方法。IBM公司宣称，该公司利用生产半导体晶体传统设备，制造“光减速器芯片”即将开始。
可变光速“光量子波导管”，必将应用于未来的计算机中。“光量子波导管”中，传送信息的载体将不是电子，而是光子。研究人员指出，光减速器将用来调节信息交换过程，以便能在“过快光速”与计算电路“狭窄通道”之间不产生冲突。
（2）首次发现光线在特定条件下可加速和减速。2015年4月28日，物理学家组织网报道，南非约翰内斯堡维特沃特斯兰德大学物理学院，教授安德鲁·福比斯领导的研究小组，在《物理评论A辑》杂志网络版发表论文称，他们证明，激光可以沿着螺旋路径穿越空间，能在射向远方的时候加速和减速。这是研究人员第一次观测到有角度的加速光，可能带来借助此类特殊结构光场的新应用。
据报道，在这项研究中，研究人员首次证明了沿角度加速的光，以及它能被加速和减速的真实性。这种角加速可以被一个单参数控制，这个参数可以随时用一个刻入数字全息图的标准液晶显示屏来调整，这块显示屏比家用液晶电视屏还要小。研究小组创建的能展示有趣物理属性的复杂光线，可以用来探索一系列实际应用。
福比斯解释说：“我们的角加速依靠轨道角动量，即所谓的‘扭曲光’现象。”把波前光扭曲成螺旋形状后，光线就能承载轨道角动量。在非恒定速度中的光旋转导致角加速度。而且，光线的加速和减速传播定期从一种模式切换到另一种模式。之后经螺旋路径通过空间，螺旋就像发条一样旋紧导致光可以被加速，松懈之后又形成减速。有意思的是，通过如此这般“扭麻花”，自然地给光场提供了附加动量，导致其加速旋转。
据悉，此前，福比斯研究小组已成功证明光线可以被旋转。目前，他们希望将角加速光这一新的光学领域的有趣现象，用于研究基本物理过程，例如用光驱动微流体流动等。
3．研究光传播频率的新发现
（1）发现可用两束激光“撞”出多频率光。2012年3月28日，物理学家组织网报道，美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理系教授及太赫兹科学与技术研究所主任马克·舍温主持，博士生本·扎克斯为主要成员的研究团队，在《自然》杂志上发表论文称，他们通过把高、低频率的激光束瞄准半导体，引发电子从核心脱离并加速，再回来碰撞核心，由此产生多种频率光。
当高频率的激光束击中半导体材料如砷化镓纳米结构时，会创建一对被称为激子的电子—空穴复合体，即当电子从外界获得能量时，会跳到较高的能级，但并不稳定，很快又会将获得的能量释放从而回到原来的能级；但如果电子获得的能量够高，就可摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子空出来的位置则称为空穴，自由电子可能会因为摩擦或碰撞等因素损失能量，最后受到空穴的吸引而复合。
舍温说：“高频激光产生电子—空穴对，很强的低频自由电子激光束，将电子从穴口分离并加速，这时由于电子加速有多余能量，它会猛烈碰撞空穴，重组电子—空穴对，并放射出新频率光子。在相当常规的路径下，混合激光束碰撞后会得到一或两个新的频率，而我们在实验中看到的所有这些不同的新频率，最多能达到11个，这个现象着实令人兴奋。”
舍温表示，由于每个频率的光对应不同的颜色，他们之所以能获得这样的突破是依靠了一种特别的工具——自由电子激光器，其最大特点是可以探测出物质的基本性质，把它置于混合光束之前，即可测量出不同光的颜色，由此发现多种频率的光。
论文第一作者扎克斯解释说：“这就像有线电视网络，其电缆是一束光纤，你沿着这条线发送约1.5微米波长的光束，但在这束光里有如同细梳齿的缝隙一样分离出的许多频率。信息会以一种频率来移动。而采用这种技术，就是能增加很多可以传输信息的频率，而且彼此相隔不会太远。”
该研究团队建立了一种产生电子—空穴再碰撞的机器，它在现实中恐怕还没有实际性的应用。然而，从理论上讲，一个晶体管可以用于自由电子激光产生强烈的太赫兹场，还可以调节临近的红外线光束。数据表明，该仪器调制的近红外激光，是太赫兹频率的两倍，当增加光调制的速度，将会更快传输接收自电缆的信息。
（2）声称量子点发出的光频率使微小振动可视化。2017年10月，美国海军研究实验室专家山姆·卡特等人组成的一个研究小组，在《应用物理快报》发表论文，并被作为重点文章列入封面。研究人员在文中写道，他们在研究中发现，量子点发出的光频率，使微小振动做出响应而变得可视化。
18世纪末，科学家兼音乐家恩斯特·克拉德尼发现，刚性板块的振动能被可视化，其方法是用一层薄纱将板块覆盖，然后在它的边缘拉弓。随着弓在移动，沙子被弹起、移动，并且沿着振动节点线积聚。克拉德尼因发现了这些模式，而赢得“声学之父”的称号。他的发现至今仍被用于吉他、小提琴等声学仪器的设计和制造。
最近，卡特研究小组利用由光波激发的小很多的振动物体，发现了类似效应。当用激光驱动一片薄薄的刚性膜移动时，它充当了克拉德尼原始试验中弓所起的作用。刚性膜和光共振，由此得到的模式，可通过量子点阵列被可视化。这些微小的结构对刚性膜的运动做出响应，并按照这一频率发光。
除了是对过往现象的现代演绎，最新发现还能带来感测装置的研发以及控制量子点发射特性的方法的问世。由于量子点发出的光频率同底层膜的移动存在关联，因此诸如加速计等感应移动的新设备可被构想出来。由于底层膜的移动可被用于控制量子点释放的光的频率，因此反向应用也是可能的。卡特说，此项发现的一个可能应用，是感知附近致密物体产生的微弱的力。
（三）探索光传输信息的新成果
1．研究光传输信息的新发现
（1）发现光波在量子点中可以传输信息。2006年2月，俄亥俄大学博士生艾哈迈迪与物理学教授塞尔吉奥·乌略亚共同完成的一项研究成果，刊登在《应用物理学通讯》上。他们认为，从本质上看，量子点具有互相交流的功能，量子点通过光波是可以传输信息的。
量子点很小，直径不过5个纳米。作为比较，生物细胞的平均直径约为1000纳米。研究人员相信，量子点在开发纳米技术中的作用非常重要，因为他们具有通用性和一致性，这排除了材料可能的变化和瑕疵。
研究人员在最近的研究中，首次使用理论模型做实验，来展示如何使用光能照耀量子点，并促使它们以连续方式传送能量。实验中，他们发现当量子点互相被间隔一定距离时，大于量子点半径，在纳米晶体间传播的光波以一致方式进行。在先前的研究中，在能量交换期间，光的波长会发生变化或变得无规律，而导致在量子点中通信崩溃。
最近的实验结果表明，可以通过光波来传输信息，这是研制光量子电脑的基础。在这样的设备中，使用光来代替目前传统电脑中传输信息的电荷。艾哈迈迪表示：“采用这种方法可以让电脑的处理芯片变得更快并更小。另外，使用光代替电流，也可以帮助电脑降低工作温度，因为光线产生的热量要比电流小得多。”
（2）发现光信号可在芯片内部传输信息。2006年12月，有关媒体报道，美国IBM公司研究员日前提交的一份学术论文称，经他们研究表明，光信号将可以被用来在芯片内部传输信息，从而可以代替如今广为使用的芯片连接电路。
实际上，光芯片技术的倡导者，包括英特尔、IBM等业界巨头，以及众多名不见经传的小企业，早就期盼光芯片信号技术能够取代如今的电路技术。研究人员表示，光信号技术所需要的能耗更低，并且不会产生多余的热量，更为重要的是，光信号的传输速度要高于目前的金属电路技术。
2．开展光传输信息的新实验
用实验创造弯曲光传输信息距离的新纪录。2017年11月15日，《新科学家》杂志网站报道，奥地利维也纳大学科学家安东·泽林格率领的一个研究团队，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们在加纳利群岛进行的实验中，成功让弯曲激光束携带信息行进了143千米，创造了新的世界纪录，几乎比之前纪录提高了50倍。这一新突破或能给卫星通信方式带来革命性变化。
光是拥有波峰和波谷的电磁波，组成一束普通激光的所有光波具有同样的相位，因此能同步到达波峰或波谷。而弯曲光束不同，其内不同光波具有不同的相位，使它在行进中呈现出螺旋形状，这种螺旋状弯曲激光束加密和传递信息几乎没有容量限制，成为通讯特别是卫星通信领域的理想选择。
但风云变幻的大气会对信息传递造成干扰，导致传输距离无法满足实际应用要求。2014年，该研究团队曾在维也纳上空进行了弯曲光传输信息实验，结果成功将莫扎特和玻尔兹曼的照片加密并传送了3千米。但要想达到实用，弯曲光必须在不受干扰的自由空间，传递信息至少几十千米才行。
此次，该研究团队来到加那利群岛，选择了相距143千米的两个天文台进行实验。他们还通过让不同弯曲度的光波重叠以加密传输更多信息。结果，这次弯曲激光成功将“HELLO WORLD! （你好世界！）”信息加密，并携带其在两个天文台间传递，当到达终点破译后发现，除了最后的感叹号出错，变成字母“P”，其他信息完好无损。
新研究创造了弯曲激光传输信息最远距离纪录，只是目前编码和破译信息的速度还不及发送电报所用的摩尔斯密码。泽林格研究团队接下来会利用已有的自适应光学等技术提高弯曲光系统的信息传输和编译速度。长期致力于弯曲光通信研究的美国南加州大学科学家阿兰·维尔纳说：“弯曲光传输信息的距离确实是一大挑战，但最新研究证明，我们完全能够做到。未来它还会带给我们更多惊喜。”
（四）探索光运动效应的新信息
1．研究光与物质互动效应的新成果
（1）发现光与原子作用的新效应。2006年8月18日，美国宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授库尔特·吉布尔主持的研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们在理论上发现了激光与原子反应的一种新效应。
吉布尔说：“与经过小的管口会加速的水不同，聚焦光束中靠近中间的光子具有较少的动量。”研究小组在这篇论文中，分析了原子吸收一个光子后的速度变化，得到了让人惊讶的效应：较细激光光束中的光子，传递给原子的动量比较粗激光光束小。
爱因斯坦提出，光是由携带不连续的一包一包能量的光子组成的。当光子与原子碰撞时，原子得到一个由光子动量决定的反弹速度，这与台球桌上的两个球相碰撞类似。物理学家们一般认为，聚焦的激光光束可以看成两个或更多束无限宽的光波的强度叠加的结果。而该研究小组的发现，提供了一个对原子被这种各个方向叠加的光波碰撞问题的新理解。
吉布尔说：“你也许会认为，原子会随机地从其中的一束光中吸收一个光子，但是这篇论文证明了原子会同时地被这些光束作用，而且奇怪的是，它得到的反弹速度，比单一用其中任何一束光束来碰撞原子得到的速度都要小。”
吉布尔的研究给下一代更精确的理论物理实验作了重要的修正。这些实验中的一部分使用原子干涉仪测量精确的原子反弹速度，来确定其精细结构（一种物质和电磁场相互作用的理论描述）。吉布尔说：“重要的是，我们现在对原子钟和原子干涉仪背后的物理，有了更深的理解。”
（2）创造出光—物质耦合作用强度的新纪录。2016年10月，物理学家组织网报道，加拿大滑铁卢大学量子计算研究所弗恩·戴兹领导的研究团队，在《自然·物理学》杂志上发表论文称，他们创造了迄今最强的光—物质耦合新纪录，强度是之前的10倍多。研究人员表示，这一最新成果将使很多目前无法进行的物理学研究成为可能。
为了获得这种强耦合作用，该研究团队构建了一个铝电路，接着将其放入稀释制冷剂内，让其冷却到绝对零度之上百分之一摄氏度。在如此寒冷的温度下，电路具有超导特性，这意味着电流经过它们时没有电阻或者不会失去能量。这些铝电路中所谓的超导量子比特遵循量子力学法则，而且其行为类似人造原子。
为控制这一超导电路的量子状态，研究人员使用微波脉冲发送光子进入超导电路中，并施加了一个小型磁场。通过测量光子的传输情况，研究人员确定了量子比特的共振现象。弗恩·戴兹解释说，他们测量出的共振频率范围，比量子比特本身的频率更宽。这意味着，光子和量子比特之间，存在着非常强的相互作用。
弗恩·戴兹说：“借助最新研究，我们正在使对光—物质相互作用的研究，进入一个新领域，进入量子光学领域。我们的电路有潜力作为量子模拟器，供研究自然界中其他有趣的量子系统所用。光和量子比特之间这种强烈的量子耦合，有助于科学家们进一步探索与生物过程、高温超导等奇特材料甚至相对论有关的物理学研究。”
2．研究光产生磁效应的新成果
（1）认为偏振光产生的有效磁场可控制量子位。2009年7月7日，美国国家标准和技术研究院科学家纳森·伦德布雷德领导的研究小组对媒体表示，他们在不影响其相邻量子位所存信息的情况下，设计出量子处理器中，借助偏振光来产生有效磁场操纵单一量子位的方法，此举攻克了量子计算机开发中的一个难关。他们相信，新的研究成果，有望帮助期待已久的量子计算机，从梦想向现实又前进了一步。
研究人员认为，在研发量子计算机的过程中，人们遇到的最大挑战是在保持对信息载体控制的同时，又能将信息载体从其所处的环境中分离出来。量子处理器的信息载体为量子位，它们同时具有“开”和“关”的双重性。这使得量子计算机有能力处理常规计算机难以处理的问题，如破译复杂的密码。
量子计算机开发途径之一，是利用分离的单个铷原子作为量子位。每个铷原子具有8个不同的能态，因此人们可从中选出两个能态代表“开”和“关”。理论上讲，这两个能态应该对杂散的磁场表现出“场迟钝”，也就是不受杂散磁场的影响。然而，过去的研究发现，在选择了铷原子“场迟钝”的能态作为量子位后，铷原子同时出现了量子位对有目的的人为操纵不敏感现象。
该研究小组为解决利用磁场控制单个原子，同时避免杂散磁场干扰的问题，选择了相同原子的两个能态对。每个能态对承担不同的任务：一对作为“记忆”量子位用以存储信息，另一对作为“工作”量子位用以计算。每对能态对表现出了“场迟钝”，同时记忆和工作能态之间的转换则表现出“场敏感”，能够受磁场的控制。当记忆量子位需要执行计算时，附加磁场便可以让它变化，同时不影响其周围的记忆量子位。
借助处理每个独立能态对的技术，研究人员通过成功地将一组原子进行组对，从而展示了研究成果。伦德布雷德表示，原子组对的方法简化了问题，原先人们需要从众多的量子位中挑选出一个量子位，现在则是从两个中选一个。过去，人们通常需要用电流产生的磁场来选择量子位，如今利用偏振光束产生的有效磁场便能做到二选一。
研究小组开发的偏振光技术，可以沿用到从大量的量子位群中挑选特殊的量子位，在量子处理器中，对单独量子位进行作用时而不干扰其周围的量子位。伦德布雷德认为，要建造一台量子计算机，这些问题都必须得到解决，他们的研究为如何建造量子计算机打下了基础。
（2）发现光也能产生巨大的磁效应。2011年4月，物理学家组织网报道，美国密歇根大学电工程与计算机科学、物理与应用物理系教授斯蒂芬·兰德主持，他的同事威廉姆·菲舍等人参与的研究小组，近日在《应用物理学》杂志上发表研究成果称，他们发现光也能产生巨大的磁效应，有望开发出存储太阳能的“光电池”，替代传统的半导体太阳能电池。据悉，校方正在为制造“光电池”的方法，申请专利保护。
这项发现可能推翻物理学的百年教条。光具有电性和磁性，但一直以来，科学家认为光的磁场效应非常弱，可以被忽略。
该研究小组发现，当光以适当的强度，通过一种绝缘材料时，光场所产生的磁效应，比以前预期的要强1亿倍，在这种情况下，磁感应强度相当于很强的电效应。该方法的原理是此前未曾研究过的“光整流”。菲舍说，传统光整流中，光只能通过其电场效应，将一些特殊的对称晶体材料中正负电荷分开形成电压，而新研究发现，在适当的条件下，光在其他材料中能通过磁场效应产生“光整流”。
兰德解释说：“在传统太阳能电池中，光进入材料被吸收，产生热量分离电荷。在我们的研究中，光不是被吸收，而是将能量存储在磁矩中，这将带来一种不需要半导体的新型太阳能电池，热负荷很低。强光也能产生很高的磁感应强度，最终提供一种类似电容供电器的光容式电源。”
这项新发现如果转化为产品，将使太阳能发电更廉价。他们将在实验室里利用激光研究，然后拓展到太阳光。菲舍说：“目前，制造太阳能电池，需要大量的半导体加工工序。而我们只需一些镜片来集聚阳光，一些纤维来传导。玻璃就是很好的材料，透明陶瓷可能会更好。不需要复杂的工序。”
（五）推进光学原理的应用研究
1．运用光学原理推进新材料研究
（1）运用光学原理开发出高导电性的有机金属。2014年8月，法国斯特拉斯堡大学尼古拉斯·杰赛普教授领导的一个研究小组，在《美国化学学会会刊》上发表研究成果称，他们运用光学原理开发出一类新的有机材料，不仅导电性高，而且非常柔软、有弹性，成功克服了有机材料导电性差等难题。
研究人员表示，尽管有机材料经常被用作半导体，比如有机发光二极管和有机晶体管等，但拥有像金属一样的高导电性的有机材料仍然非常稀少。有机金属研发领域存在的一个问题是，良好的导电性能要求材料具有很高的结晶度，但晶体结构却不利于材料的加工和成型。
研究人员表示，针对上述难题，他们采用新方法，推出一种新材料。研究人员称，当使用光脉冲照射时，该材料能够重组其分子以纠正结构缺陷，因此，新材料可以组装为低结晶度结构，然后通过一个光脉冲转换成为具有高导电性的材料。
杰赛普说：“历史上已经使用无机材料，如掺有杂质的硅、铜、银等，开发出很多电子设备。这些材料来自有限的自然资源，需要进行昂贵的提取和处理，才能适用于制造业。另外，我们还面临着电子垃圾的大问题，因为许多电子器件所用的无机材料对环境具有相当大的毒性，回收不仅困难而且成本昂贵。”他接着指出，“有机金属则提供了另一种选择，它比较便宜，易于生产，而且环保。除了替代无机材料用于我们目前使用的电子设备中，我们还可以用其来构建具有新性质和结构的设备。”
据报道，这种新材料是一种由大量3-氨基三芳香基胺（TATA）分子堆叠构成的一维超分子聚合物。虽然这些有机纳米线最初也会像其他有机材料一样受到结构缺陷的影响，但向其施加相对低能量的光脉冲，可以纠正TATA分子堆叠时的角误差，实际上赋予了这种聚合物自愈的能力。实验结果表明，光脉冲照射将这种超分子聚合物的导电率，提高了四个数量级。这也是首次证明，超分子聚合物也能拥有与最好的共轭聚合物类似的电子、磁性和光学特征。
由于具有重量轻、成本低、可一次性使用等优点，高导电性有机金属在有机电子器件领域拥有广泛的应用前景，包括透明电极、印刷电子电路、热电材料和内存设备等。
杰赛普说：“未来的研究计划，既包括这些材料在设备中的应用，也将涵盖对其基本性质的探索。在应用方面，我们正在尝试把这些有机组件整合为适用于电子电路的金属互连构件，测试这些材料在太阳能电池中的效率，以及开发用于可控垂直器件结构的方法。基础研究方面的工作，则涉及光学和等离激元光子学领域的操纵手段，以及对材料导电性的进一步阐明和控制。”
（2）运用光学原理控制活性材料粒子的运动和变形。2016年4月，瑞典隆德大学网站报道，该校约雅金·斯滕哈马尔领导的研究小组，同德国杜塞尔多夫大学、英国爱丁堡大学和剑桥大学的科学家们一起，研制出一种模型。利用这一模型，某类光能控制活性粒子的运动，这种光能使粒子、细菌和海藻等微生物自动形成某种类似泵的事物，上演一出精彩的“变形记”。
研究人员表示，他们能借助某一波长的光，让活性材料进入运动状态并控制其运动。这一研究未来有望广泛应用于环保、医学以及可编程新材料的研制等领域。
以前，已经有研究人员人工合成了此类“泵”，但最新研究的新奇之处在于，它用光来使活性粒子构建自己的泵，并在其周围移动。科学家们可以通过调整光，在不同方向操控粒子。斯滕哈马尔说：“最新模型让我们能找到一种廉价且简单的方式，来输送并控制细菌以及其他活性材料。”
这是一个非常新的研究领域，但未来可能大有用武之地。活性粒子能在燃料比如糖的帮助下移动。一个可能的应用领域是让活性粒子将药物或纳米传感器传送到身体特定位置。另外，在环境科学领域，活性粒子或许能像机器人一样，找到浮油，并释放出化学物质分解污染物。
斯滕哈马尔也指出，该研究最大应用潜能将在材料科学领域，借助新的模型，使用活性粒子来构建可编程材料有望成为现实。通过改变外部环境，我们或许能改变材料的结构、属性和功能，从而研制出今天还无法制造的新材料。
2．运用光学原理推进新设备研究
（1）用光学原理制成可灵活侦察屋内敌情的侦察器。2016年8月，《俄罗斯报》报道，特警准备对一所恐怖分子藏身的房屋发动强攻前，该怎样侦察屋内敌情呢？不要想象那些高大上的昆虫仿生摄像仪、微型旋翼无人机了，俄罗斯特警打算运用光学原理，制成一个能满地滚的“小球”电子侦察器，并把它从窗户扔进去侦察。
据报道，负责领导警察部门并承担反恐任务的俄罗斯内务部日前宣布，以官方采购的方式斥资700万卢布，向莫斯科的“赛特”特种装备公司购买6套“小球”侦察器，首套产品在2016年11月前到货。
这种侦察器之所以叫“小球”，就是因为它的外形是一个直径9厘米的球体。仅重610克的这个“小球”，携带的侦察装置有4组内置摄像机、一个传声筒和一个音视频信号发射器。当“小球”立正站好时，上述摄像机的4个取景镜头均以相同间距，横向分布在“小球”的“北半球”。每个镜头周围都有6个发光二极管光源围绕，可在光线昏暗的地方为拍摄“补光”。
但是如何才能让“小球”站得端端正正呢？为此，研究人员在小球内设置了一个定位调控系统，不管将“小球”怎么扔出去，无论它撞到什么物体，翻滚多长时间，“小球”底部一个形似肚脐的区域都会最终触地，让“小球”站正，使球内各装置正常工作。此外，“小球”周身的缓冲塑料及其内部支撑结构，可保障它被多次投掷出去，甚至从距地5米高处落下也不会摔坏。
另外，如果不启用发光二极管光源，“小球”可贴地连续向斜上方拍摄50分钟，所获得的音视频资料会通过无线电信号实时传输到最远50米处的一个监视遥控操作台上。“小球”内4组摄像机所拍的360度全景画面，可同时显示在操作台屏幕上，操控人员也可通过屏幕一侧的按键，切换画面进行观察。
当然，这个“小球”也有“脆弱”的一面。例如，其正常工作温度不能超出45℃~-20℃这一区间，也不适合在雨水和潮湿环境下长时间工作，因此必须将“小球”及其操作台，装入专门的手提箱保存和运输。
（2）利用光学原理开发出超灵敏纳米探测装置。2017年5月15日，美国加州大学圣地亚哥分校一个研究团队在《自然·光子学》杂志上发表论文称，他们利用光学原理开发出一种超灵敏探测装置，其灵敏度要高出原子力显微镜10倍，能够收集并量化微弱的力和声音。研究人员称，这一装置可以感受到细菌移动产生的力量，能“听”到心肌细胞跳动的声音。
该装置是一种直径只有人类头发直径1%的纳米光纤，由极薄的二氧化锡纤维制成，表面涂上聚乙二醇薄层，并嵌有金纳米粒子。其工作原理是：当被光线照射时，金纳米粒子会与光相互作用，将光散射。这些光信号以特定的强度出现，可以用传统显微镜观察到。当光纤被置于含有活细胞的溶液中时，来自细胞的力或声波会撞击金纳米粒子，将它们推入聚乙二醇涂层，从而更接近光纤，粒子与光的相互作用会更强烈，产生的光信号会更强。通过对光信号进行分析，研究人员可检测出光纤从周围细胞拾取的力或声音的强度。
这一装置被放置在含有活幽门螺旋杆菌的溶液中时，它可以检测到10万亿分之一牛顿的力，这也是幽门螺旋杆菌在肠道中移动产生的力量。而若把其放置在小鼠心肌细胞的培养液中，它能检测到心肌细胞跳动的声音，这比人耳所能听到的最弱音量还要低1000倍。
该装置的关键是聚乙二醇涂层，它就像一个弹簧垫，要足够灵敏才能被细胞产生的微弱的力或声波压缩到不同的厚度。而这一涂层是可以调整的：如果想要测量更大的力，可以使用更硬的涂层；如果要测量的力很小，则可以使用像水凝胶一样的较软涂层。
研究人员表示，作为一种超灵敏的纳米机械探测工具，新装置为研究一些微弱力提供了有力支持。它不仅能够收集微弱的力和声音，还可以对其进行量化；不仅比原子力显微镜更灵敏，也比原子力显微镜更小巧。他们计划使用这种纳米光纤来测量单个细胞的生物活性和机械行为；改善这种光纤的“听力”，以创建超灵敏的生物听诊器，并用于开发新的成像技术。
（3）运用光学原理研制飞行器控制检测系统。2017年8月，俄罗斯媒体报道，在俄前景研究基金的支持下，俄罗斯有关部门组成一个研究小组，近期完成了最新的用于航空飞行器的控制检测系统研发，该系统运用光学原理，并借鉴生物体神经系统而开发出来。
研究小组负责人表示，该系统不会影响飞行器的原有结构，可在任何时间对飞行器部件的状态进行评估，并计算出该部件的剩余使用时间，安装该系统将大大提高现代飞行器的安全性。
研究人员表示，相对于目前世界上已有的类似系统，该系统将通过光纤在飞机内部传导信号，更远距离的信号传递则采用激光的方式，而不同于其他类似系统采用电信号的方式。采用光学探测器及光纤传递信号，能更准确迅速的检测飞机部件出现的缺陷，从而显著提高飞行安全。
3．运用光学原理推进天文学研究
运用光学原理建造“先进处女座”引力波天文台。2015年11月26日，国外媒体报道，在意大利比萨附近，科学家运用光学原理建成“先进处女座”引力波天文台，不久将开展实验搜寻引力波。
作为“先进处女座”项目的国际研究小组成员之一，比萨大学科学家弗朗哥·弗拉斯科尼博士表示：“或许我们有机会在地球上首次探测到引力波，如果实验成功，那将证明爱因斯坦100年前的预言是完全正确的。”
1915年11月25日，阿尔伯特·爱因斯坦向普鲁士科学院提交了场方程的最终版本，这些场方程支撑了他的广义相对论。广义相对论是现代物理学的支柱，完全改变了我们对空间、时间和引力的看法和理解。通过广义相对论，人类已对宇宙空间有了深入了解，从宇宙扩张到行星运动以及黑洞存在，等等。然而，爱因斯坦还提出了引力波的存在，其核心是扭曲时空结构的能量纹波，它类似于向池塘中扔石头后水面荡漾开的涟漪。任何有质量的物体只要运动，就会产生引力波。人类更是如此。物体质量越大，运动越剧烈，产生的引力波就越大。爱因斯坦预言，整个宇宙都沉浸于引力波中。
尽管天文学家能间接证明引力波的存在，但是直接观测到这些宇宙奇观，目前还是一件不可能的事。为此，研究小组对原有仪器的灵敏度做出了重大改进。弗拉斯科尼博士解释说：“这种可以探测引力波的科技手段也是最新研发出来的。在过去的10年中，我们进行了大量复杂的科学研究，如今才打造出这种光学干涉仪。”
科学家希望观测到来自诸如恒星爆炸或黑洞碰撞等剧烈宇宙事件发射的引力波，以及引力波经过地球时产生的微小变形。以光学原理为基础建造的“先进处女座”引力波天文台，由两根相同的3千米长管道组成，两根管道按L形铺就。在天文台中发射一束激光，之后激光一分为二，分别顺两根管道发射出去，在碰到管道末端的镜面后再反射回来，如此反复多次反射后重新结合。整个过程显得有点复杂，它利用了激光的一个属性，即激光是一束密集的光，而光又是一种波。想象一下，当海洋中的两个波相互碰撞，一个处于顶部，一个处于底部，这两个波就会相互抵消。
实验中也会发生同样情况。如果这两个光波沿管道运行的距离相同，那么它们就会相互抵消，不会产生信号。然而，如果一个引力波穿过管道，它会令周边发生细微的变形，微量改变管道的长度，量级仅相当于原子直径的一小段。波在时空中运动的方式意味着，一根管道会被拉伸，而另一根会被压缩，结果导致一束激光运行的距离略长，而另一束激光运行的距离略短。最后的结果是，当一分为二的光束会以一种不同的方式再次结合：光波会相互干涉，而不是相互抵消，这样一来科学家就可以探测到信号。
三、光原理研究的新方法和新设备
（一）研究光运动原理的新方法
1．研究制造或控制光的新方法
（1）提出制造最快闪光的新方法。2009年10月7日，奥地利维也纳技术大学发表新闻公报说，他们完成的一项新研究表明，利用高能重离子对撞，能制造出世界上最快的闪光，其持续时间只有几个攸秒（1攸秒为10-24秒）。科学家说，这项技术将来可以用于观察原子核内部的情形。
研究人员表示，要精确研究分子光谱和结构，需要波长短的快速闪光。闪光越快，可观察到的粒子越小，观察也越精确。目前，最先进的闪光X射线技术，在实验中能持续几个阿秒（1阿秒为10-18秒）。但研究表明，如果利用高能重离子对撞，可以制造持续几个攸秒的闪光。攸秒是光线穿越原子核所需的时间，因此利用这项技术可以观察原子核内部的情形。
公报说，高能重离子对撞是美国布鲁克海文国家实验室的研究重点。2005年，科学家曾在这个实验室利用相对论重离子对撞机，制造出“夸克胶子等离子体”。“夸克胶子等离子体”是一种全新的物质形态，广泛存在于宇宙诞生后的百万分之几秒内，持续时间为几个攸秒。
科学家说，利用高能重离子对撞，还能制造出一些光子，能量高达数十亿电子伏，所形成的高能闪光持续时间与“夸克胶子等离子体”一样仅几个攸秒。奥地利维也纳技术大学理论物理研究所，与德国马克斯·普朗克核物理研究所科学家的计算表明，高能重离子对撞“适合成为制造最快闪光的新光源”。
（2）发现一种控制太赫兹波的新方法。2006年11月2日，英国巴斯大学发表新闻公报说，该校一个研究小组发现了一种控制太赫兹波的新方法，可大大提高利用太赫兹波探测物质内部结构的能力，在疾病诊断、药物分析、材料探伤和爆炸物检测等诸多方面有很大应用潜力。
太赫兹波是指频率在0.1~10太赫兹，波长为3000微米至30微米范围内的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的“探针”用来对物质内部进行深入研究。
由于此前人们没有掌握使太赫兹波很好聚焦的技术，它的应用受到很大限制。利用传统的透镜和反射镜，仅能使太赫兹波聚焦到波束直径不足1毫米的程度，导致分辨率不足。这样的波束远远不能用于研究生物细胞等微小物体，就像最小刻度为1毫米的尺子，不能用来测量长度仅几微米的东西。
新闻公报说，巴斯大学研究人员发现，普通金属线不能很好地引导太赫兹波进行聚焦，但如果在普通金属线的表面切开一些小槽，其聚焦能力就会大大增强。将这样的金属线制作成逐渐变细的形状，使其一端成为一个非常微小的点，金属线就能引导太赫兹波聚焦到这个点上，形成直径只有几微米的波束。
理论上分析，由于频率与生物大分子的振动频率吻合，太赫兹波在生物医学方面有特殊优势，可用于详细探测机体组织结构，方便研究伤口愈合、肿瘤生长等情况。它还能用来探测大气层、研究分子运动、探测毒品与爆炸物和对材料进行无损探伤等。要实现这些功能，必须研制出性能良好的波源，提供稳定、分辨率高的太赫兹波波束。新成果使得科学家离实现这一目标又近了一步。
2．探索存储光的新方法
用新型光陷阱成功“冻住”光束1秒钟。2005年8月，澳大利亚国立大学物理学家杰文·朗戴尔与其同事组成的一个研究小组在《物理评论通讯》上报告说，他们成功地用新型光陷阱，把光束“冻结”1秒钟，这远远超过此前最长1毫秒的记录。
据悉，利用新型光陷阱，首次成功地把一个光脉冲“冻住”足足1秒钟的时间，是以前最好成绩的1000倍。把“冻住”光束的时间大大延长，意味着可能据此找到实用方法，以便制造光计算机或量子计算机用的存储设备。
要使光停住脚步，需要一种特殊的陷阱，其中一个条件是，原子温度极低，几乎静止，以至于每个原子都有着同样的量子态。通常情况下，这样一团冻结的原子是不透明的，但仔细校准后的激光能够在其中“切割”出一条通道。如果一个光脉冲从另一方向传播过来时，陷阱相对于它来说是透明的。一旦切断激光，陷阱立刻又变得不透明，光脉冲就被困在陷阱里。倘若恢复激光照射，光脉冲就会继续传播。
陷阱的秘密在于，它并不像普通陷阱困住物体那样困住光线，而是通过建立“量子冲突”来保存住光脉冲的信息。激光和光脉冲对原子的作用是相反的，导致原子发生“纠缠”，处于两种量子态的混合状态。切断激光时，原子吸收光脉冲，但光脉冲并没有丢失，原子仍然纠缠在不同量子态中，光脉冲的信息给它们留下了印记。只要原子不移动或改变，就能完全保有光脉冲的信息。
以前的光陷阱，只能坚持约1毫秒，随后就由于原子的移动而崩溃。这次科学家利用掺有稀土元素镨的硅酸盐晶体，制造出一种“超级光陷阱”。由于晶体是固态的，而且镨的磁稳定性非常好，因此这种陷阱保存光脉冲信息的时间，比气体陷阱或不够稳定的晶体陷阱，要长得多。
（二）运用光学方法的新成果
1．运用光谱分析方法的新进展
（1）首次实现芯片上的原子光谱分析。2007年6月，美国加州大学加州大学圣克鲁兹分校电子工程副教授霍尔格·施密特主持，巴斯金工程学院博士后杨文革参与的研究小组，在《自然·光子学》上发表论文认为，原子光谱是一种用途非常广泛的技术，利用光和物质间相互作用，原子光谱常常通过物质吸收或放出光的波长来辨别它们。传统原子光谱系统包含很多大型组分，而他们发明的集成、平坦装置，使得芯片平台上的集成电路中原子和分子分析变得可能。
施密特认为，这一技术可望应用于激光的频率稳定、气体探测感应器，以及量子信息处理过程等。他说：“为了稳定激光，需要大型的铷蒸汽室。而我们的方法可以更简单地做到这一点。”
为了实现原子光谱，研究人员把一个铷储存库结合到芯片上，再将这一储存库结合到一个中空的波导上，因此光线传导的路径上就充满了铷原子。施密特表示这使得活性区域的体积比传统的气室小8000万倍。他说：“我们使用铷来进行验证，但是其他任何气体介质都是可用的。”
除了用于激光频率稳定外，铷蒸汽还广泛用于量子光学实验以及降低光速等。施密特表示：“量子信息过程的基本概念，已经通过大型铷体系得到验证，但是如果需要实际使用的话，就需要小型集成的便携设备。”
（2）首次完成反物质原子的光谱分析。2016年12月19日，丹麦科学家杰弗里·汉斯特领导的研究团队在《自然》杂志网络版发表研究报告称，他们对反物质原子进行首次光谱测量，实现了反物质物理学研究长期以来的一个目标。该成果体现了粒子物理学研究的重大进展，标志着人类向高精度测试物质与反物质行为是否不同，迈进了重要一步。
当今，宇宙为何看起来几乎全由普通物质构成，这是物理学界的一个重大谜题。因为根据粒子物理学经典模型的预测，在大爆炸发生之后应存在等量的物质和反物质。光照射可以激发原子，当原子恢复至基态时会发光，光的频率分布形成，可以借用其光谱精确地测量出原子属性，这也是光谱学的基本原理。但是，反物质难以产生和捕捉，因为反物质一旦与物质接触就会湮灭，这为科学家测量其属性带来挑战。
欧洲核子研究中心反质子减速器的最新进展，让研究人员有能力得以捕捉和测量反质子与反氢原子。汉斯特是欧核中心反氢激光物理装置项目成员，现在，他的研究团队在圆柱形真空腔内成功磁捕获反氢原子。这一真空腔长仅280毫米，直径为44毫米，研究人员通过真空腔上的窗口向里面照射激光，测量了反原子1S—2S的跃迁（从基态向激发态跃迁）情况。
研究团队报告称，反氢的跃迁频率与氢的跃迁频率一致。氢的光谱已经得到高精度表征，因此反氢光谱学的改进，应可以促成对物质—反物质对称性的高敏度测试。
反氢激光物理装置，是欧核中心捕获反原子的“利器”。该项目组，此前曾用特殊磁场，将反氢原子“抓住”达1000秒，还曾首次对反物质与引力的相互作用进行直接分析。
2．运用光学方法测量重力的新成果
首次用光学方法直接测量重力曲率。2015年3月，意大利一个由物理学家组成的研究小组在《物理评论快报》杂志上发表论文称，他们第一次用光学方法成功实施了直接测量重力曲率的实验。这一成果，标志着他们可能改进牛顿重力常数G。
很多年来，科学家已经发明了很多种复杂的方法来测量重力，最新的方法是利用原子干涉法。这种方法通过原子的量子机械波动性质，使相关距离测量具有较高精度。直到现在，研究人员已经能够测量随高度增加而变化的重力，在几英尺的范围内都能测出重力渐变。
新的研究成果能测量由大质量引起的引力变化，这种变化梯度被称为重力曲率。据报道，为了直接测量梯度的变化，需要在三个不同高度进行测量。测量临近两个点的重力，产生两个不同的结果，再分别除以两个点之间的距离，得出不同的值，形成梯度。在三个点测量重力则能计算出变化率，即重力曲率。这个测量方法最初在2002年被提出，意大利研究人员的实验正是基于这个假设进行的。
为了用光学方法同时在三个位置测量重力，研究人员在一米长管内的三个不同高度创建了三个超冷原子羽流。管子的上半部分被钨合金材料包裹，用来增加引力场的变化。用能引起羽流一分为二的激光脉冲来辐射原子，一部分原子吸收了光子，另一部分则仍处于基础状态。在测量时间段内，增加的动量让第一部分原子下降了一段距离，引起了两部分之间的量子波周期差异。然后，研究人员将增加两波脉冲，让这两部分重新组合，并让他们能够相互干涉。正如预测的那样，测量这种干涉作用，能计算出重力加速度和曲率的变化。
研究人员相信，用他们的光学方法能够很好地改进对G常数的测量，这在地理和地图绘制等工作中意义非凡。
（三）研究光运动原理的新设备
1．开发光线调制与操控设备的新成果
（1）设计出太赫兹多像素光波调制器。2009年5月31日，《每日科学》网站报道，美国莱斯大学物理学家丹尼尔·米特尔曼领导，他在桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室的同事参与的研究小组，在美国巴尔的摩召开的“2009年激光与电学暨国际量子电子学会议”上发表研究报告说，他们首次设计出一款多像素太赫兹频率（THz）光波调制器，将来有望广泛应用于生物光谱学和半导体结构成像方面的研究。
太赫兹辐射波在光学领域被称为远红外线，它是指频率从0.37THz~10THz，波长介于无线波中的毫米波与红外线之间的电磁辐射区域。它所产生的T射线在物体成像、医疗诊断、环境检测、通信等方面具有广阔的应用前景。对太赫兹辐射的正式研究，可以追溯到很多年前，但直到1990年高效生成和检测辐射的方法成为可能后，该研究才变得越来越普遍。
该研究小组使用一种特异材料，来控制太赫兹波束的流出。之所以称为特异材料，是因为它包含数组微观分裂的金属环，这些圆环可由附近的电极控制。通过调节圆环的电容来调整辐射水平。也就是说，赫兹光（即T射线）可以通过调制器进行转换，由调制器决定光线能否通过。该调制器由16个像素组成，呈4×4阵列。
米特尔曼称，第一次对太赫兹波束进行电控非常重要。要使光束能够穿过整个平面，而不呈现线性爆裂状态，进而促成光波成像，这是第一步。调制器的切换速度大约为1兆赫，与现今数据传输的最快速率相比并不算快。但他认为，对许多T射线成像任务来说，高带宽并不是必需的。目前他们正在设计一个较大的32×32像素阵。
（2）研制出让光线操纵变得简单的新型非线性设备。2011年8月1日，美国每日科学网站报道，美国杜克大学普拉特工程学院，电子和计算机工程学研究生阿勒克·罗斯主持的研究小组，在《物理学评论快报》上发表研究成果称，他们利用此前研发的“超材料”，制造出一台新的非线性设备，使操纵光子变得像用电子设备操纵流动的电子一样随心所欲。这项成果，使光子元件取代通信领域的电子元件，又向前迈进了一步。
当光穿过一个物体时，即使光可能会被反射、折射或强度有所减弱，但透出来的仍是同样的光线，这就是我们所熟知的线性。然而，某些“非线性”材料会背离这个经验法则，光子和这种非线性的材料相互作用会让光子的频率增加一倍，波长减少一半，新光线名为第二谐波，这个非线性的过程则称为二次谐波（也被称为倍频）。
罗斯指出，在正常情况下，第二谐波的行进方向，由所用的非线性材料严格限定。之前研制出的一些非线性设备，以及天然非线性材料，都很难控制第二谐波的方向。
该研究小组，以一种由包裹在玻璃纤维内的金属，与线缆一起组成“超材料”。这是一种人工复合结构或复合材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质。能引导第二谐波行进方向的非线性设备，正是用它构建出来的。
新设备大小为6英尺×8英尺，高约1英尺，由在电路板上使用的纤维玻璃材料一块一块并行排列而成。每块纤维玻璃使用铜环进行蚀刻，每个铜环有一个细小的裂缝，一个二极管横跨其上，当光通过铜环时，会激活二极管，导致铜环失去对称性，从而使整个设备具有非线性。研究人员表示，这个设备能让入射光的频率加倍，同时也能让入射波朝他们想要的方向反射。
光学设备能更快更有效地传输信息，比如，用光纤取代电线就让通讯产业的面貌大为改观，因此，科学家们希望能用光子元件取代电子元件。罗斯说：“毫无疑问，通信领域未来的弄潮儿将是光子设备，而能像电子设备控制电流的方式来控制光子非常重要。非线性超材料的独特之处，在于对光的掌控能力，这一点在全光通讯中尤其突出。”早在2006年，杜克大学研究人员就首次证明，这种超材料能让光线绕过物体，使物体隐形。2009年，他们又证明，该超材料能像下一代透镜一样工作。
2．开发散色与分光设备的新成果
（1）发明微观光学研究纳米尺度的散色装置。2011年9月，瑞典查默斯理工学院米卡埃尔·卡尔等人组成的研究小组，在英国《自然·通迅》杂志上发表研究报告说，他们发明了一种纳米尺度的散色装置。实验表明，一束同时含有红光和蓝光的光线，向前照射时，如果其左右分别出现一个金纳米微粒和一个银纳米微粒，红光和蓝光就会从这束光线中分离出来，各自偏向一方。
瑞典研究人员研制出的这种装置，其主要结构，是在玻璃板上放有相距约20纳米的一个金纳米微粒和一个银纳米微粒，当一束光从中通过时，其中的红光会偏向金纳米微粒方向，而蓝光会偏向银纳米微粒方向。
实际上，这个散色装置的原理，与人们熟知的牛顿用三棱镜把阳光分散为七色光相似。但它有一个重大突破，因为纳米装置本身的尺度，已经小于可见光的波长，在这样的尺度中，三棱镜散色的原理已经不再适用。
本次发明是建立在“等离子共振”原理基础上的。在微观尺度上，光线从物体表面经过时，会和其表面的电子产生共振，金和银表面电子活动的特征并不相同，正好分别对应了红光和蓝光的频率特征，于是产生了金银纳米微粒在前吸引，光线也跟着分出红蓝两色的现象。
研究人员说，这种纳米尺度上的散色装置，可用于制作光敏探测器，它的灵敏程度可能达到探测由一个分子引起的光线变化，适用于在低浓度环境中探测有毒物质，比如可在医学上，用来探测疾病初期出现的少量与病变相关的分子，帮助诊断病情。
（2）开发出迄今最小的分光器。2015年5月19日，美国犹他大学电气和计算机工程副教授拉杰什·梅农领导的研究团队，在《自然·光子学》杂志发表研究成果称，他们在研制比现有机器快数百万倍的下一代计算机和移动设备方面，迈进了一大步：他们开发出了迄今最小的超紧凑型分光器，可将光波划分为两个独立的信息通道。这个新装置，使制造利用光而非电子来计算和传输数据的硅光子芯片，更接近现实。
梅农说：“光是你可以用来传递信息的最快的事物。但这些信息，必须被转换为电子才能进入你的笔记本电脑，而这种转换会让速度变慢。”
互联网依靠光子携带信息通过光纤网络，一旦一个数据流抵达家庭或办公室终端，光子必须先转换为电子，路由器或计算机才能够处理信息。如果数据流在计算机的处理器内保持光的形态，就可能消除这个瓶颈。梅农说：“我们的愿景是用光来完成这一切。计算速度最终可提高数百万倍。”
为此，研究人员在硅芯片上创建了一个更小型的、看起来有点像条形码的极化分光器，可将引导入射光拆分为二。之前的这种分光器大小超过了100微米×100微米，而梅农团队采用了新算法来设计分光器，使其尺寸缩小到2.4微米×2.4微米，相当于人类发丝宽度的1/50，已经接近物理尺度的极限，这使得单一芯片上集成的分光器数量有望达到数百万个。
新型分光器的潜在优势并不止于提高计算机的处理速度。其设计使用的是现有的制造硅芯片的工艺，因此生产成本更低。此外，由于光子芯片“运送”的是光子而不是电子，内置这种技术的移动设备，如智能手机或者平板电脑，将比现在能耗更低、电池寿命更长、产生的热量更少。
硅光子学可显著提高机器的能力和速度，比如用于超级计算机、数据中心的服务器，以及无人驾驶汽车和无人机专用的可检测碰撞的计算机，并最终“走向”家用电脑和移动设备，改善从游戏到视频流等应用程序。目前，英特尔和IBM等公司，均在着力研发首个硅光子学超级计算机，但其仍将使用保持部分电子学的混合处理器。梅农认为，他的分光器有望在三年内应用于这些计算机，而对连接速度要求更高的数据中心，也可能很快采用这项技术。