SPIE前任CEO的20年经验总结：光子学领域这七大热点不容忽视

SPIE前任CEO的20年经验总结：光子学领域这七大热点不容忽视

       大多青年人对数字成像以及互联网之前的时代没有太多记忆。拿最常见的X光检查为例，在那个时代，X光片不仅面积大不易携带，而且必须得等到湿化学处理后才能将其转交医生诊断。也许只有真正经历过这样的时代，才能真正感受到现在电子传输的便捷性。1969年，美国贝尔实验室的George E. Smith 和Willard Boyle发明了CCD，两人也因此获得了2009年诺贝尔物理学奖。当时，成像技术和计算领域的融合尚处于起步阶段。如今，AI技术到底会给影像行业带来机遇还是挑战，还是一个未知。

      现代生活很大程度上依赖于半导体芯片和存储器。可有多少人知道智能手机中有百亿个硅晶体管处理器？又能有多少人了解整个器件的制造，尤其是微型处理器和存储芯片的制造需要多么强大、高效、可靠的激光器？又有多少人了解印刷电路的晶体管尺寸只有7 nm？当然这个数字很快又会刷新为5 nm，然后3 nm。

      光子学技术的革新以及摩尔定律的影响向我们提出了新的挑战。半导体技术的进步将需要创造性的飞跃。5 nm的长度只有大约25个硅原子，该尺度量子效应的影响会非常明显。提高信息进出芯片速度的同时，我们也需要重新思考密集信息处理过程中产生的热量。未来，光子将在信息、移动设备和数据中心等领域取代电子。1980年，许多人认为阿贝极限是光刻技术的魔咒，可现在科研人员已经提出各种方法来突破阿贝极限。科学界和工程界在不断缔造奇迹，他们不仅极大地推动了技术的发展，还推动了全球经济达到今天的高度。所以，我对光子学改变未来世界的力量深信不疑！

       新技术持续为竞争激烈的汽车制造业助力，无人驾驶领域的技术突破更是不断涌现。各式光子传感器早已应用于汽车安全行驶系统。汽车后视摄像头和盲点探测器给驾驶带来极大便利；基于摄像头的电动汽车自动驾驶让我们瞥见了未来广阔的应用前景；激光雷达传感系统有力地保障了驾驶人安全驰骋；光子陀螺使复杂精密的大型客机几乎完全自动驾驶；量子光子罗盘即将实现；激光测速、激光测风很可能取代皮托管，从而有望减少相关事故的发生（皮托管的探测器入口容易被堵住，造成事故）。光子学将持续为运输系统的技术革新注入强劲动力。

       虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）是势头正劲的光子学应用。虽然这些概念并不新鲜，但随着光子学头盔及其处理能力的进步，市场实现似乎迫在眉睫。娱乐性和游戏性可能是其抓住广大消费者眼球的关键所在。该项技术在医疗、培训等方面的应用前景同样不容小觑。

      2017年，全球新增太阳能发电量约100千兆瓦。作为环境友好型资源，太阳能时代必定是大势所趋，但实现过程步履艰辛，向以太阳能为代表的可再生能源的过渡还远远没有完成。数据显示，所有可再生能源产电量总和只占了美国总发电量的五分之一。太阳能极具经济竞争力，进一步的技术提升可使其优势更为明显。存储问题、传统发电方式的竞争、政治支持脚步的放缓，仍无法撼动太阳能成为新建发电厂的首选。无论化石燃料时代的终结是因为资源枯竭，还是出于保护脆弱的地球，光子都将在提供可行性替代方案中发挥至关重要的作用。

      全球目前有数十亿人选择使用LED灯照明。作为高效照明设备的典型代表，这些光子工程的产物已为众多国家和地区减轻了的电力需求负担。同时，世界范围内也在着力解决“光贫困”给近十亿人口带来的困扰。

      医疗保健可能是光子学最为活跃的应用领域。激光可用来矫正视力、减缓视网膜退化，飞秒激光技术更是为白内障患者带来福音。随着光学相干断层扫描（OCT）和视网膜成像技术的进步，眼部检查还可以做到对相关神经变性疾病的早期预警，这将有利于对相关疾病的研究，并最终有望减缓病患痛苦。

      基因组学在很大程度上依赖于功能强大的光学处理器。获取基因数据的费用在以超越摩尔定律的速率下降。人们有望应用类似光学技术来解开其他生物组学的奥秘。

     纵观科学的各个领域，我们欣喜地看到光子学的广泛应用。欧洲核子研究组织（CERN）、意大利格兰萨索科学研究所（GSSI）和日本的超级神岗实验（Super Kamiokande）等粒子检测中都采用了光学探测器。光学技术在化学研究中应用极广。激光可用来分析从等离子体、火星岩石标本到人类眼睛、皮肤等各种形态的物质。精密的LIGO激光系统验证了百年前的假设，Exawat激光也将很快验证我们对真空物理学的理解。阿秒探针在原子和分子水平上加深了人们对基本动力学的理解。天文学一直依赖于光学……我很幸运有机会看到利用哈勃望远镜拍摄的蔚蓝地球以及浩渺星辰的照片，尤其对冥王星叹为观止。

       光子学的进步为未来提供无限可能。其关键之处在于我们能多快、多有效地释放光子学潜能。不得不承认，即使到现在，提到光子学，仍有相当一部分人会满脸疑惑，或者简单粗暴地认为光学就是眼镜。不得不说，我们要走的路还有很远。

      在与光子学的学生接触过程中，我感到很欣慰，因为他们是一群天资聪颖、目标明确的年轻人。我一直坚信光子学领域是职业生涯的理想选择，光子学的应用范围也将进一步扩大。但我并没有看到将光学技术充分应用到制造业、农业、能源等行业的有效激励措施。我殷切地希望有更多光学科学家能找到将光学知识和技术应用到各个领域的不竭动力和有力支持。

      光学和光子学行业多年的从业经验使我坚信：光子学大有可为，未来可期。总有一天当我们回首往事，会说：是的，这是光子的时代。

      请相信：光子学，巅峰将至。

[1] Eugene G. Arthurs, Eugene G. Arthurs, "Perspectives on the future of photonics: the best is yet to come," Advanced Photonics 1(1), 010501 (28 January 2019).  

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