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2015国际光年:盘点诺贝尔奖里的激光光学相关

2015-12-03 11:40
小鱼时代
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  2015年,距阿拉伯学者伊本·海赛姆的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来,光技术带给人类文明巨大的进步。为此,联合国宣布2015年为“光和光基技术国际年”(简称国际光年),以纪念千年来人类在光领域的重大发现。

  中科院上海光机所与中国科普博览网站合作,讲述了几个诺贝尔奖中光学研究重大突破的故事,以及它们给人类社会带来的改变。

  2014年诺贝尔物理学奖

  蓝光LED——开启“新光明”

  2014年诺贝尔物理学奖的奖杯由赤崎勇、天野浩与中村修二共举,照亮奖杯的,是他们发明的蓝光LED。

  诺贝尔物理学奖贴着“高冷”的标签,蓝光LED却好像和这神秘的高冷气质没什么关系。真相只有一个——蓝光LED推动了整个LED照明产业迈向实用化。

  LED照明需要红绿蓝三原色汇聚成白光。红光LED和绿光LED早在上世纪六七十年代相继诞生,蓝光LED的研发却卡壳了。敲碎这层壳的正是赤崎勇和天野浩师徒,他们首次突破瓶颈发明蓝光LED。随后,中村修二研发出生产高效蓝光LED的技术,三原色集合完毕,真正开启了“新光明”时代。

  LED照明究竟意味着什么呢?我们可以这样算一笔数据账,全球每年总消耗电量约200000亿千瓦时,其中19%用于照明。若将所有照明灯具更换为LED节能灯,那么每年全球至少节约用电15200亿千瓦时。这些节约的电量相当于全年减少用煤至少5亿吨,减少二氧化碳排放13亿吨,减少二氧化硫排放420万吨。

  蓝光LED用20年实现了LED照明的华丽转身,如今更是用途广泛,用手机聊天、用电脑工作、用电视消遣,都有蓝光大显身手。白炽灯点亮了20世纪,21世纪将由LED灯点亮。

  2009年诺贝尔物理学奖

  光纤——通信新时代

  数百年来,科学家们长期致力于研究如何更快更远更好地传递信息。从电报到有线电话,再到电缆的普遍使用,科技的进步让我们足不出户而知天下事。

  20世纪60年代,华裔科学家高琨提出用光代替电流,用玻璃纤维代替导线的设想,并在1966年发表了划时代论文《为光波传递设置的介电纤维表面波导管》,理论分析了这一“天方夜谭”的可行性。1970年,美国康宁公司研制出损耗为20dB/km的光纤,使光在光纤中进行远距离传输成为可能,光纤通信新纪元自此拉开序幕,“光纤之父”高琨也因此站上了2009年的诺贝尔物理学奖奖台。

  “光纤”全称“光导纤维”,由石英、玻璃等透明的光学材料拉制而成,是用于传输光的圆柱形光波导。其典型结构由纤芯和包层组成,当光从一端射入,其与轴线的夹角小于某一值时,由于纤芯折射率高,包层折射率相对较低,便会在纤芯和包层界面处发生全反射,从而光可以在纤芯中曲折前进而不穿出包层。此时若我们把信息加到光上,它便与光一起传输到另一端,实现了信息的传递。

  我们可以比较两组数据:第一,现阶段光纤通信可实现同时传输24万路的信号,其容量比微波通信增加一千倍;第二,在确保通信质量的前提下,普通电缆或微波通信的中继距离为1.5至60公里,而现阶段光纤可实现2000至5000公里的无中继传输。

  1971年诺贝尔物理学奖

  全息术——亦真亦幻

  电影《阿凡达》中的3D沙盘让潘多拉星球的地形地貌一览无余,真是酷炫到没有朋友!但这种技术其实离我们并不遥远,丹尼斯·盖博教授在1947年发明的全息术就已经将这种魔法照进了现实,他也因此获得了1971年的诺贝尔物理学奖。

  相比于传统摄影技术,全息技术创造性地记录了物体上各点的空间位置,一举突破了二维的局限,这样人们通过全息图就能够看到逼真的三维物体像了。

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