§4.13光能学
星光在炁海里流动，我们生活在光的海洋世界里。因为有了光，我们才能够看见多彩缤纷的事物。光源产生的光线战胜了夜魔，驱走了黑暗，带来了光明，照亮了环境，让我们能够看见东西，辨别方向。万物生长靠太阳，靠的就是太阳光。没有光就没有生物，光对生物的生存十分重要。阳光是我们最熟悉的光，然后是月光、星光、火光、电光、生物光等等。光是看不见摸不着的东西，只有照射在物体上才能够被我们看见和发现。如果是全部透光或者全部吸光或者不是正对光源，我们依然不能够看见光。
光学是既老迈又年轻的学科。对光的研究形成了许多的光知识（光理论、光技术、光产品和光产业），例如：光场、辐射光场、光学技术、光学探测、光信息技术（光纤放大器、光纤通信、光计算机、光信息处理、光显示、光存贮、激光打印、激光印刷、光电混频、光纤器件、光电子器件）、激光光谱、非线性光谱技术、光学晶体（激光晶体）、光波技术、非线性光子学、强光光学、光武器、光学跟踪测量、光频调控压缩放大、光物理学、光化学、光生物学、光医学、灯技术、镜技术（光学器件和光学仪器）、光传感器、光电管、光导管、光敏电阻、激光技术等等。光学探测技术包括可见光照相、红外光照相、紫外光照相、多光谱探测（多光谱照相、扫描、电视摄像）等。夜视方面有红外夜视仪、微光夜视仪、微光电视、热成像仪、夜光技术（夜光手套、夜光公路、夜光鞋、夜光报纸、夜光布、夜光雨伞）。光电子信息技术和微电子技术一样，已经成为信息技术的核心。激光技术正在蓬勃发展。
第一台激光器由梅曼在1960年7月制造成功：用红宝石作为发光物质，以脉冲氙灯为光源，产生的是红激光，波长为6943埃。其后各种激光器不断诞生，有固体激光、气体激光、半导体激光、准分子激光、染料激光、自由电子激光等。激光技术是1960年段的重大科技成就之一，是光学、光谱学和电子学结合的产物。激光具有高亮度（能量大）、高单色性、高方向性（发散角很小）的特点。一束激光照射远在40万公里的月球上能够集中在2700米的范围内。1mm的激光光束在100公里远处直径只有30cm以内。激光技术得到广泛应用，例如激光测距器、测速仪、导航仪、焊接机、遥测仪、激光精细检测、激光拉曼散射、光谱技术等。激光除雾是利用大功率红外激光器照射天空中的雾，使之消散，是机场的重要用途。雾就是水滴或者冰粒，经过激光加热使之汽化，使空气呈现透明。激光武器所产生的光具有“死光”之称，有很强的破坏力，是摧毁敌方目标的有力武器。激光医学是激光在医学上的应用，是利用激光进行看病和治病的学科，已经成为激光应用中最重要的领域，可以用做激光刀、激光清除病灶、激光疗法、激光诊断、激光成像、激光细胞加工。
激光通信技术。空间信息高速公路使炁海充满了各种信息。短波可以传播声音，微波可以传播声音和图象，普通光不适应于作为传播信息（由于分散、损耗大、传播距离短）。激光是最理想的通信方式，我们已经从电通信跨入光通信时代。激光具有特殊的性质：激光之间不相互干扰，不受电磁场干扰，脉冲短，保密性好，容量大，速度快，准确性好，十分适合卫星通信。
激光窃听术是利用激光反映声波引起的玻璃、纸张的振动进行的，声音引起的振动使激光反射出现变化，通过接收器接收和解调就能够知道讲话的内容。
激光制冷。通常激光是热的，热到能够把物体射穿。但是激光能够使有些物体发生变冷的现象。当光照射在荧光物质上，如果发射的荧光的能量比光的能量大（频率高），就说明荧光从物体上吸收了热，使温度降低，达到制冷目的。利用激光是因为激光的频率稳定，能够激发一些物体发生荧光。现在的激光制冷效率还比较低，但是在低温领域将有特殊的制冷应用，是其他的制冷方法无法替代的。
水下激光电视技术。水环境同炁海环境有很大的不同。水对光的衰减很厉害，可视距离很短，眼睛一般只能够看几米远，水下摄影可以达到50米远。实验表明，蓝绿光在水中的传输性最好，是水的光学窗口。生产蓝绿光是用水下激光器进行的。
电子激光分为毫米波自由电子激光（利用电子束生产的激光）、红外波段自由电子激光和紫外波段自由电子激光。自由电子激光在1977年才问世，是一门很年轻的学科。自由电子激光具有一系列的优点，是其他激光无法比拟的，例如使光的能量更高，而光粒子更小，引起人们的广泛重视。自由电子激光的发展历程可以分为起步阶段（1977~1980年代中期），技术发展阶段（80~90年代），目前发展的基本方向主要在科学、医疗、军事上的应用，离实际应用还有很大的距离。产生自由电子激光的仪器有放大器型和振荡器型两大类。毫米波自由电子激光都是以放大器形式工作的，采用几MeV的电子束产生，具有高增益的特点，可以单次通过摇摆器，获得高功率的激光。由于毫米波自由电子激光对电子束的条件要求比较低，实验简单，是早期（1985年以前）进行理论研究的主要手段。毫米波自由电子激光可以达到GW量级的激光功率和34%的电子束能量转换效率，可以作为微波加热源；红外波段自由电子激光能量在几十MeV，通过用射频直线加速器提供电子束。这些电子束是由很多微电子脉冲组成的，需要用震荡器来提高其能量，就是借助光腔技术（通过激光和电子的多次作用的方法）使这些电子变成激光；紫外波段自由电子激光和x射线波段自由电子激光需要的电子能量要求在几百MeV以上，相关的技术难度比较大。贮存环是提高电子能量的首选，技术比较成熟，但是缺点是体积庞大，造价昂贵，电子束能量损失大，输出功率受到限制。利用射频光阴极电子枪配合RF直线加速器产生软x射线自由电子激光，利用磁场、微波、气体、等离子体、多级激励制成的摇摆场（泵浦场）也可以减少激光的波长，提高功率。
非线性光子学也叫做非线性光学，是研究光和光学媒质相互作用呈现非线性关系的学问。非线性光子学的重要应用是光谱技术。光谱技术是非线性光学的一个重要应用，是揭示物质精细结构及探测物质组成实时演化的重要工具，在化学、燃烧学、生物学和物探学等许多科学技术领域也有重要应用。非线性光学的另外一个重要应用是光学技术和信息光波技术（光纤通信、光信息处理和显示、存贮、光计算等），广泛应用于光的控制、光波转换、改善光波传输等许多领域，是信息工程的有力武器。非线性光学的理论和实践开始于1961年，是世界众多科学家集体智慧的结晶。在理论方面，比较杰出的是美国科学家N.柏朗姆波根，他在1962~1965年进行了理论上的创建性的工作，因此荣获1981年诺贝尔物理学奖。非线性光学的基本内容有光学倍频、和差频、四波混频、光学参量效应、非线性光散射、光学相位共轭、双光子吸收、非线性激光光谱等等。在应用上，所依靠的主要媒质是光学晶体，其他是金属蒸汽、分子气体、液体、有机物、光电子器件、光纤器件等。光学晶体在1980年代中期得到了迅速发展。中国科学家在生产非线性光学晶体方面取得了可喜的成绩，有卓越的贡献，有很多晶体是世界首创的。非线性光学的实用技术受到相应的光学晶体的限制。1980年代中期，出现了一些非常优秀的光学晶体，这些新材料有更高的非线性电极化率（表示非线性关系的物理量）或者良好的性质。半导体光电子器件是继微电子集成组件后的电子技术的重大发展。