普象-让好设计发光

光，波和粒子同时相互作用，会产生许多不同的视觉现象，其中一些对我们来说比其他现象更为熟悉。 古典光学可以解释在大气，玻璃和晶体中看到的各种光学奇特现象。 然而，在20世纪和21世纪，光学的其他分支出现了，即量子，非线性和变换。

光学分支

在日常生活中，我们可以观察到相当容易解释的现象。 例如，折射是由光波的速度变化引起的，而虹彩的原因是光的多次反射和波的干涉。 它们是直到19世纪末流行的经典光学的一部分。 它由两个分支组成：几何光学（其中的光被认为是直线射线的通量）和波动光学（其将光的波动性质添加到前一种）。

虽然这两种类型足以解释许多现象，但从经典光学的角度来看，仍有一些问题尚未解决。 例如，仅当光束由粒子组成这一事实时，才可以解释在光引起物质发射电子时发生的光电效应。 爱因斯坦是第一个提出这一建议的人，进一步的研究证明他是正确的。 这些粒子被称为光子，并且出现了光学的新分支，称为量子光学。

在量子光学框架中研究的最著名的现象是受激发射，这是激光物理学的核心原理。 在激光中，可以将任何状态的材料（气态，液态，固态或等离子）泵浦能量，从而使其原子进入激发态。 这将启动光子发射过程，该过程随时间增加，并导致光束狭窄且相干。

光学的第二个重要分支是非线性。 从某种意义上说，它连接到量子光学器件，它描述的现象只有在高光强度下才能观察到，通常是由于使用激光引起的。 非线性光学研究材料在不同光强度的影响下光学特性的变化。 这意味着穿过非线性材料的光波可以被放大或减小。 在线性介质中，由于叠加原理，它们保持不变，这在非线性光学中不起作用。

另一类光学器件，即转换光学器件，是通过使用超常材料来引导光线的，超常材料是具有光学特性的人造材料，在天然材料中是不可能的。 例如，有些超材料的折射率为负-当物体浸入这种物质时，看起来好像是朝相反的方向弯曲。

潜在的应用

量子光学和非线性光学都被认为是计算技术发展的基础。 前者连接到量子计算机，其中一些计算机使用光子量子位，这是信息的基本单位，类似于常规处理器中的位。 量子计算机中使用的原理更多地是量子性质的，而不是光学性质的，因为它们对于不同类型的粒子是通用的，因此在此我们将不对其进行详细讨论。

在这项研究中，对我们来说更有趣的是非线性现象。 像光子的量子性质一样，非线性材料可以带来基于光学处理器的另一代设备。

这种类型的组件有望提高信息传输的速度。 当前，要通过光纤发送信号，必须将其从电能转换为光，这需要时间和能量。 在全光学系统中，将消除此约束。

光学计算在需要大量计算能力的操作（例如机器学习）中也会更加有效，因为光子比电子传输信息的速度更快。 到目前为止，已有光学处理器的原型，但是这些设备尚未在实验室之外生产。

非线性材料在光学芯片中用作晶体管，因为它们可以改变光波。 尽管可以使用非线性组件创建逻辑电路，但它们仍然太大且耗能巨大，无法在计算系统中使用。

尽管所有前面的示例都主要涉及光的可测量特性，但变换光学的可能应用更多地是关于视觉感知。 潜在地，超材料可以用来使物体周围的光线弯曲，从而使它们变得不可见。 目前，这还不可能，因为可见光包括许多频率，所有这些频率都应由材料引导。 到目前为止，只有这项技术的原始原型，但是研究人员希望在未来五年内实现完全的隐形。