人類光學(xué)史迎來第三次跨越：這一次，我們要親手“設(shè)計”光的命運

從自然仿生的結(jié)構(gòu)色到功能強大的超材料，從超薄超透鏡到前沿光計算，一系列技術(shù)突破匯聚在一起，預(yù)示著人類即將重新定義光的價值與應(yīng)用邊界。

超透鏡結(jié)構(gòu)的微觀圖像（《自然》2026年）

放眼未來，光學(xué)技術(shù)的變革將無處不在：建筑外墻搭載智能結(jié)構(gòu)色與光學(xué)調(diào)控結(jié)構(gòu)后，可根據(jù)光照強度自動調(diào)節(jié)顏色、反射陽光，實現(xiàn)自主控溫與節(jié)能降耗；汽車玻璃集顯示、傳感、防曬、通信等功能于一體，車窗可化身車載屏幕，同時實時監(jiān)測路況；通信與計算領(lǐng)域的全光一體化系統(tǒng)將打通數(shù)據(jù)傳輸與運算壁壘，構(gòu)建速度更快、容量更大的新一代信息網(wǎng)絡(luò)……

更具深遠意義的是，在這場變革中，人類的角色正在發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。梳理數(shù)千年的光學(xué)發(fā)展史，人類對光的探索大致可分為三個階段：第一個階段是“認(rèn)識光”，從牛頓的色散實驗到麥克斯韋的電磁場理論，人類一步步讀懂了光的物理屬性；第二個階段是“利用光”，激光器、光纖通信、太陽能電池等發(fā)明將光轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，人類借助光改造世界；而今天，我們正式邁入第三個階段“設(shè)計光”。

“設(shè)計光”并非簡單地點亮光源，而是主動設(shè)計光的一切行為：決定傳播方向、調(diào)配色彩、控制偏振狀態(tài)、定義光與物質(zhì)的交互方式。這些曾經(jīng)完全由自然規(guī)律主導(dǎo)的現(xiàn)象，如今都成為人類可以自主設(shè)計、自由調(diào)控的對象。

在超材料與微納光學(xué)領(lǐng)域，中國科研團隊正在發(fā)揮日益重要的引領(lǐng)作用。國內(nèi)科學(xué)家已探索出多條成熟技術(shù)路線：利用膠體顆粒自組裝技術(shù)制備光子晶體，構(gòu)建大面積、高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)色薄膜；依托平面超表面技術(shù)實現(xiàn)超高分辨率的結(jié)構(gòu)色圖像；通過柔性微納結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)出可隨外力、溫度、濕度變化的動態(tài)變色材料；結(jié)合智能響應(yīng)材料打造可程序化調(diào)控的可編程結(jié)構(gòu)色體系。

我國自主研發(fā)的能高效打印結(jié)構(gòu)色超材料的設(shè)備（《自然》2026年）

值得一提的是，在結(jié)構(gòu)色超材料打印方面，我國科研人員將噴墨打印、納米自組裝與微納加工技術(shù)相結(jié)合，把過去復(fù)雜昂貴的超材料制備工藝轉(zhuǎn)化為低成本、可大面積量產(chǎn)的數(shù)字化制造技術(shù)，讓這項源自自然的光學(xué)技術(shù)真正具備了大規(guī)模普及的可能。

不妨?xí)诚霐?shù)十年后的場景：一座數(shù)字光學(xué)工廠里，沒有轟鳴的機床，也沒有復(fù)雜的光刻流水線，核心設(shè)備就是一臺臺數(shù)字光學(xué)打印機，全程對接人工智能設(shè)計平臺。工作人員輸入應(yīng)用需求后，AI系統(tǒng)在數(shù)分鐘內(nèi)完成微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真驗證與方案優(yōu)化，隨后自動匹配原材料、下發(fā)生產(chǎn)指令給打印機——數(shù)小時后，一枚功能完整的集成光子芯片便制造完成。這樣的場景看似充滿科幻色彩，但其所需的技術(shù)如今都已具備實驗室雛形。

數(shù)億年前，熱帶雨林中的藍閃蝶為了生存與繁衍，在漫長進化中演化出獨特的納米結(jié)構(gòu)，造就了翅膀上迷人的藍色。這抹來自自然的色彩，在數(shù)億年后啟發(fā)人類開啟了一場影響深遠的光學(xué)革命。

從解讀蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)色到研發(fā)人工超材料，從復(fù)刻自然光學(xué)智慧到創(chuàng)造自然界本不存在的光學(xué)功能，從傳統(tǒng)玻璃鏡頭到納米級超薄超透鏡，從電子計算到前沿光計算——人類一步步完成了從“模仿自然”到“超越自然”的跨越，勾勒出一個全新的光學(xué)時代。

當(dāng)后人回望21世紀(jì)的科技發(fā)展史，這段時光必將被銘記——這是人類第一次真正掌握“設(shè)計光”的能力，而超材料與微納光學(xué)正是這場偉大革命的起點。光的故事延續(xù)了億萬年，而人類與光的全新篇章正在拉開序幕。

（作者分別為中國科學(xué)院化學(xué)研究所博士、研究員）