从紫外线消毒到迷你光剑：光学技术最新发展趋势

从条码读码器到处方眼镜片，从传输全球网络通信的光纤到挽救生命的激光手术技术，光学物理学在我们的日常生活中无处不在。科学研究和技术发展不断推进我们对于如何利用光的力量造福人类社会的了解和认识。另外，光学还是一种非常酷的技术，尤其是光剑！请继续阅读本篇博客文章，了解光学技术领域的一些最新发现和发展成果。

使用紫外线消毒以提高安全性

由于新冠肺炎疫情（COVID-19）的原因，2020年可能被称为“消毒剂年”，因为许多公共场所和家庭可能经历比以往任何时候都更深入的清洁和消毒。紫外线（UV）光谱灯也因其消毒特性而受到关注。虽然使用紫外线（特别是UV-C）对医疗设施和公共交通枢纽等场所进行消毒早已成为一种普遍做法，但这种应用因紫外线有可能杀死SARS-CoV-2（一种导致COVID-19疫情的冠状病毒）而具有了全新的重要性。

最近，加拿大滑铁卢大学进行的一项研究表明，紫外线可以进一步预防疾病。苯扎氯铵（BAK）是医院、家庭和食品加工厂使用的许多消毒剂中的一种常见活性成分。然而，在较高的浓度下，它可能对人类和环境具有毒性。该大学的研究人员发现，将苯扎氯铵（BAK）暴露在UVC灯光下可以中和其毒性，并且不会降低其对杀死病毒和有害细菌的有效性。这使我们可以更安全地使用苯扎氯铵（BAK），以保持各类场所和设施不受COVID病毒的感染。¹

与此同时，日本大阪大学的研究人员开发出了一种固态二次谐波发生（SHG）设备，可将红外（IR）辐射转换为紫外光。波长范围为220-230 nm的深紫外线（DUV）光源对于消毒和灭菌非常有效。然而，目前尚未成功开发出经久耐用且高效的DUV光源。如果能够取得这一突破，可能会促进更实用的日常使用设备的开发，以提供强大的紫外线消毒能力。

由太阳能驱动的微型飞机翱翔于大气中间层

中间层是地球大气层的一部分，位于外太空边缘，距离地球表面上方大约30-50英里。由于那里的空气太稀薄（分子太少），热气球和传统型飞机无法飞到那里。这使得科研人员收集大气中间层的相关信息变得很困难。大气中间层可能会产生神秘的云彩和奇异的光爆发，并含有陨石遗留的铁和金属离子。

来自宾夕法尼亚大学的科学家们现在找到了一种方法来制造可以在大气中间层条件下飞行的光驱动微型飞行器，其由一侧经过涂层处理的1 厘米宽的聚酯薄膜圆盘和碳纳米管制成。“当用与自然光相当的光线强度照射时，这种聚酯薄膜圆盘会加热，并与顶侧和底侧的入射气体分子发生不同的相互作用，从而产生净反冲力。”²这种反冲力能够使飞行器保持升高，包括在没有空气的情况下，如下面的视频所示，飞行器在真空室中的活动说明了这一点。这种微型飞机可以携带重量10毫克以下的物品，比如轻型相机或科学仪器，这使它们能够收集到以前无法获得的来自上层大气的数据。

对北极光的新认识

极光包括北极光和南极光，拉丁语名称分别为Aurora borealis和Aurora australis，被称为“大自然的灯光秀”，在芬兰语中称为“狐狸之火”。数千年来，极光现象一直让人类着迷。现在，科学家们已经能够了解这些闪烁的光线是如何形成的。

 

我们知道，太阳风携带的电子通过级联进入地球的上层大气中，与行星磁场（磁层）相互作用，并与氧、氮及其他分子发生碰撞，产生数十亿次微小的光爆发。数十年来，科学家们一直怀疑这些电子在地球磁场中形成了一种称为“阿尔文波”的波纹。恵顿学院进行的一项新实验表明，这的确是极光产生背后的原理，同时也表明类似的现象可能存在于火星和木星上。³

近红外发光材料领域的最新发展

近年来，近红外（NIR）发光材料（在波长约为700-2500 nm的NIR区域内自然发光的材料）引起了越来越多的关注。近红外光具有独特的特性，尤其是其能够穿透生物组织并确保所产生的干扰最小化，使其可能在光学物理学、化学和生物学领域产生多种潜在应用。举例来说，一些开发人员正在探索将这些有机近红外光发射器用于先进的LED。医学成像科学家们正在研究多通道成像、光遗传学、激光、检测等多种应用。

近红外发光材料的一些主要应用包括有机染料和碳纳米材料（可用于各种生物成像）、无机纳米粒子（可用于量子点和半导体应用）、蛋白质（可用于基因治疗，比如病毒载体递送）、光源及检测（可以潜在改进光纤激光器和LED）以及其他应用。（图片来源）

迄今为止，稳定性不佳、量子技术产品良率低、可调性有限等问题一直阻碍着近红外发光材料在实验室之外的应用。但是，科学家们持续取得了进展，最近，新一波的研究已经在了解和控制有机近红外材料方面取得了进展。了解更多…

量子显微镜可捕捉到更多的细节

显微镜为科学和医学研究与实践带来了福音，使人们能够近距离观察单个细胞及细胞结构。然而，用于生物应用的现代显微镜在其所能达到的精度方面存在固有的限制。它们的工作原理是将强光照射在被观察的物体上，但当光线强度达到某个点后，足够强烈的光线将会破坏人体细胞。现在，一种新型量子显微镜有望克服这一问题。

澳大利亚昆士兰大学的研究人员们创造了一种显微镜。该显微镜采用两个激光光源，其中一个激光束通过专门设计的晶体发送，该晶体可以对光线进行“挤压”。这是通过在激光束中的光粒子（光子）中引入量子相关性来实现的。“光子被耦合成关联光子对，并且如果任何光子带有的能量不同于其他光子，该光子将被丢弃，而不是进行配对。此过程降低了光束的强度，同时降低了噪音，从而实现更精确的成像。”⁴ 

通过使用这种光挤压技术，研究人员们能够使测量精度提高35%。光学显微镜通常用于检查细胞，以进行癌症及其他疾病诊断；新型量子显微镜可以提高这些医学测试的灵敏度和速度。 了解更多…

一位艺术家绘制的量子显微镜图示。（图片来源：昆士兰大学）

光剑和太空战

没错，美国杨百翰大学的全息研究小组已经创造出了现实生活中的微型光剑——当然，绿色光剑是尤达（Yoda）的，红色光剑是达斯·维德（Darth Vader）的。此外，他们还“设计了企业号星际飞船与克林贡战列巡洋舰之间战斗的相同小型版本，其中包含光子鱼雷发射和打击敌方军舰，您可以用肉眼看到这些。”⁵

该团队取得的最新进展基于他们在数年前开创的一种称为“光阱显示器”的技术。这种显示器的工作原理是使用激光束捕获半空中的单个粒子，然后将其四处移动，以形成一条激光照射路径。这些图像漂浮在太空中，这是迈向沉浸式交互全息技术未来的激动人心的一步。

光源测量

对于在人体上或人体周围使用光波的任何应用或产品，尤其是在医疗领域，非常重要的一点是必须进行仔细的测量和质量测试。虽然近红外光谱和紫外光谱中的光线可以成为一种功能强大的工具，但如果控制不当，也可能会对人体组织造成损害。在设计阶段以及在光源生产过程中，使用测量系统的质量测试方案可以帮助确保在正确的波长下发射光线，以优化有效性和安全性。

瑞淀光学系统和来自柯尼卡美能达传感事业部 (KM Sensing) 关联公司的同事们共同投入数十年时间开发出了先进的光学技术，用于测量和分析各种光源，包括近红外光、可见光谱（波长约为380-740 nm）和紫外光辐射。

光线和色彩分布
瑞淀的ProMetric® 成像色度计和光度计可以对亮度和色度进行精确的空间测量。这些色度计和亮度计经过专门设计，采用科学级图像传感器，提供一系列高分辨率选项，并经过标定，可以复制人眼对亮度和色彩的视觉反应。ProMetric Y成像系统也可用于辐射测量模式，例如，用于测量可见光谱以外的NIR近红外光发射器。

紫外光测量及标准
多年来，柯尼卡美能达传感事业部一直提供紫外光测量仪器，并帮助设定了紫外光LED标定标准，以解决蓝光危害问题。柯尼卡美能达传感事业部提供一体化系统，用于确定各种测量数量和工具，以验证测量结果。了解更多有关他们可用于实验室和生产应用的紫外光测量仪器。

测量NIR近红外光发射器
瑞淀的NIR近红外光辐射强度测量镜头 可以对近红外光光源及其分布进行快速且准确的测量，比如用于面部识别及其他3D感测应用的光源。NIR近红外光辐射强度测量镜头解决方案将我们的ProMetric Y 成像辐射计和TT-NIRI™ 软件搭配使用，可以测量波长为850 nm或940 nm的NIR近红外光发射器的角度分布和辐射强度。该镜头使用傅里叶光学元件，可通过单次测量采集到+/- 70度范围内的完整数据锥。

 

瑞淀的NIR近红外光辐射强度测量镜头解决方案使用ProMetric Y成像辐射计来测量LED、激光器等近红外光光源的输出，包括泛光光源、飞行时间（TOF）发射器和衍射光学元件（DOE）产生的结构光图形。

 

引用文献

1. Manlong Xu, Jacob G. Sivak, David J. McCanna. “Neutralization of the eye and skin irritant benzalkonium chloride using UVC radiation.” Cutaneous and Ocular Toxicology, 2021; 1 DOI: 10.1080/15569527.2021.1902339
2. Delbert, C., “The Carbon Nanotube Aircraft That Will Take Us to the Edge of Space.” Popular Mechanics, March 2, 2021.
3. Schroeder, J.W.R., Howes, G.G., Kletzing, C.A. et al., “Laboratory measurements of the physics of auroral electron acceleration by Alfvén waves.” Natural Communications 12, 3103 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-23377-5
4. Crane, L., “Quantum microscope can examine cells in unprecedented detail.” NewScientist, June 9, 2021.
5. “Hologram experts can now create real-life images that move in the air.” In ScienceDaily, May 7, 2021, reporting on published journal article: Rogers, W. and Smalley, D., “Simulating virtual images in optical trap displays.” Scientific Reports, 2021; 11 (1) DOI: 10.1038/s41598-021-86495-6