博大精深的中文裡小數點前和小數點後分別有不同的名稱，小數點前是十進位，也就是數學課曾經學過，數字由小到大或由右到左分別表示的位數：個100、十101、百102、千103、萬104，或者是歷史課上學習度量衡單位時，有背過長度的單位『里引丈尺寸分厘』，這裡面常用的就是公里(Km)、公尺(m)，既然有進就會有退；小數點後稱為十退位，較廣為人知的十退位是公分10-1 (長度單位cm)，公厘10-2 (長度單位mm)，接著是毫米10-3、絲10-4、忽10-5、微米10-6(長度單位μm)、纖10-7、沙10-8、塵但現在稱奈米(長度單位nm)10-9、埃10-10…等。
知道十退位的存在後，你是否曾經想過為什麼顯微鏡會被命名為顯微鏡Microscope Lens，如果把這個名字還原回英文，並且將它依照字首和字尾來做拆解，Micro-scope,字首的MICRO就是10-6微小的微米，字尾的SCOPE可以解釋是某個範圍，然而要把那些微小的待測物體放大到可以被人眼所看到的範圍，科學家們結合了不同尺寸的LENS(包含接物鏡、目鏡、鏡筒，載物台和反射鏡)，這一系列的光學透鏡將物體的影像放大來解決這個問題，到後來就演變成現代的顯微鏡了。隨著科技的進步，當人們開始探索光學小宇宙時，漸漸發現一般的光學顯微鏡已經無法滿足需求；因為在六零年代雷射被發明後，隨著入射光波長的變化，當要控制不同波段的光就變得越來越困難，特別是想要將光控制在奈米尺度的時候，必須先突破波長的繞射極限，簡單來說在光學領域中，任何光學儀器例如：顯微鏡、相機或望遠鏡的焦段和解析度都會因繞射物理特性而受到限制，如果光學儀器的分辨率性能已達到此極限，這個就稱繞射極限；努力克服難題的科學家們開始探討近場光學的細節時，要先找到突破極限的方法，奈米光學的新篇章就此展開，關於奈米光學饗宴可以參考物理專文『散射式近場光學顯微鏡』。
因為雷射的跨時代發明，可以被應用的光波長範圍有所不同，原先使用的一般結構的光學顯微鏡：使用透鏡結合相關光學元件來觀察載物台上待測物的機台也必須在架構有相對的變動；最大的不同是近場光學顯微鏡使用探針取代接物鏡，這樣新的結構讓近場光學實現了檢測奈米級樣品的無繞射成像，並有效地突破繞射極限，也就有了Nano-scope needle，接續前面有提到的十退位，一樣先把英文Nano-scope needle (顯塵針) 逐字解釋，字首的Nano是灰塵的塵10-9也就是英文直接音譯成中文的奈米，這個在討論護國神山台灣積體電路的晶片製程時常會聽到的晶圓尺寸單位。可惜從前因為技術和儀器的限制，某些光學現象無法有合理化的解釋，所以也無法透過實驗重現的方式，來驗證可能的理論或假說進而得知某些光學現象發生的原因，當時的科學家開始萌生了不同的想法，並進而開啟奈米光學這個新的篇章。
隨著科學家在處理光與物質的相互作用，衍伸出不同的想法並發展出新的實驗技能，所以奈米光學的種子在七零年代被種下，也可以想像成小嬰兒剛出生，並且在八零年代逐漸被傳播開來，相當於襁褓時期懵懂的嬰兒已經透過不間斷的學習，茁壯成長到上小學，會自由的跑跳了，所以八零年代的奈米光學已經在技術發展上超越倍數成長了。接著九零年代，眾多成熟技術的養分讓奈米光學大躍進，就像離家念書的孩子已經開創屬於自己的一片天空。
話說重頭，在六零年代初期的科學家是受到什麼啟發讓日後有奈米光學？當時並沒有要追求小尺寸，也不是要探討光的粒子性或波動性，而是美國的科學家們運用受激輻射(Stimulated emission)的原理在加州休斯實驗室發明了改變時代的那道光，也就是現在被廣為運用的雷射(LASERS)。
不同於之前光學顯微鏡使用一般的光和光學透鏡，但可測量的範圍須受限於入射光繞射極限，一九六零年的年五月美國科學家梅曼 (英文全名Theodore H. Maiman)，他利用固態的紅寶石晶體首次發展出雷射，實驗中運用高強度的閃光燈照射到鍍有銀的紅寶石上，這個受到強光刺激的紅寶石的表面有先被鑽了一個小孔，當強光進入後就可以產生一個相當集中的纖細紅色光柱，這個是紅寶石雷射(RUBY LASER)的前身，接著同一年也有氣體氦氖雷射 (He-Ne laser) 的發明，兩年後(一九六二年)雷射二極體出現，因為工作物質是半導體，所以又稱為半導體雷射。因為這幾個跨時代的新發明，光學領域才有了不同波段的光源，再將它運用到新的儀器之後，就可以往更進階的研究去發展了。
七零年代初期，這些奈米光學的小種子開始發芽，像是早期英國的化學家們發現了表面增強拉曼光譜Surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS)；或是首次嘗試運用了單分子光學檢測的靈敏實驗檢測做研究單分子化學分析的方法，使用非光學的方式並且透過研究了離子通道的膜片鉗技術，這個技術在十多年後成熟，就是現在掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope (STM)、原子力顯微鏡(AFM)：其主要原理是藉由針尖和試片之間的原子作用力得到回饋，以測得試片上樣品表面的結構；其中SERS是一九七三年的時候英國的科學家馬丁(Martin Fleischmann)發現了吸附在電化學粗糙銀上的表面增強拉曼光譜；控制光動態的光學鑷子都是這個時代的產物，關於光鑷的詳細資料可參考之前的物理專文『聚焦的雷射光-光鑷物理』，接著奈米光學到了八零年代開始往各種不同方向發展。
二十世紀末期的八零年代：利用光學陷阱或電磁陷阱來捕捉單個原子，並研究它受激發後的單一原子的量子躍遷，這個是屬於量子物理和量子計算的範疇，所以不在本篇文章中列入討論。話說八零年代已經有許多成熟的顯微鏡技術，例如：掃描近場光學顯微鏡Scanning Near-Field Optical Microscopy (SNOM)，它的原理是使用探針上的亞波長來收集光，缺點是分辨率會受使用孔徑大小的限制；但如果就觀測尺寸上來說這時候已經正式進入奈米階段，不管是掃描穿隧顯微鏡，或是讓單一原子被看到的原子力顯微鏡，這兩種顯微鏡都可以提供給使用者待測物表面相關的資訊(Topogaphy)，後續還有掃描近場光學顯微鏡、腔體量子電動力學(Cavity Quantum Electrodynamics ，Cavity QED)這個領域是研究在高品質光學腔或微波腔中，原子與光場之間相互作用。
時光飛逝，到了九零年代就開始像是光學小宇宙爆發般，這個年代產生很多成熟的相關技術，例如：將奈米光學技術利用近場增強，並且配合高靈敏的傳導訊號，就可以在室溫條件下用來檢測單一分子的訊號：可在室溫偵測的單分子，將奈米光學應用到顯微鏡相關的研究，可在低溫研究的基礎上做的共聚焦光譜學，還有全內反射式螢光顯微鏡(Total internal reflection fluorescent microscope，TIRFM)；並將之前有孔徑的掃描近場光學顯微鏡(SNOM)進化成無孔徑的掃描近場光學顯微鏡，這兩者的差別在於無孔徑SNOM其探針尖端本身亦可作為散射元件，進而實現更高的分辨率(通常會小於十奈米)，只是在操作上較複雜，需要在分辨率和信號強度之間做出取捨，好處是無孔徑的SNOM能夠避免探針發熱和金屬塗層相關的偽影問題；多光子顯微鏡；單一半導體量子點；也因為光學鑷子技術的成熟，利用單分子顯微鏡解決生物學問題；接著可利用在生物或醫學研究的先進成像技術：多光子顯微鏡，這個先進的成像技術後來被應用在生物和醫學研究中，利用多光子激發的非線性，可以對活體組織和細胞進行高分辨率的成像；當時的科學家也努力讓掃描近場光學顯微鏡變成為常規工具；低溫下的超分辨率定位；將受激輻射損耗(STED)顯微鏡和改進軸向解析度的雷射掃描螢光顯微鏡(4Pi顯微鏡)結合產生出4P- STED顯微鏡，螢光樣品被放在兩個相對透鏡共同焦點上，但激發和檢測透過單一透鏡進行，這樣的結合提高了分辨率；膠體半導體量子點(Colloidal Quantum Dots, CQDs)：這是一種奈米尺寸半導體，其大小約為二到十二奈米，可藉由尺寸調整，形狀和組成的變換來改變光學的特性，這個技術後來被應用在發光二極體、太陽能電池等領域；單金屬奈米粒子的光譜和顯微鏡；這個時期各項發明在天時、地利、人和有了顯著的大躍進。
進入二十一世紀後，透過電腦光學模擬軟體的運算，研究人員有機會製作出利用奈米材料來操控光子的光學奈米天線，這種奈米天線的尺寸比傳統在戶外看到的無線通訊天線尺寸小很多，因為奈米天線的尺寸通常小於一百奈米遠小於入射光的波長，因此可以解決宏觀尺度下無法探究的光學特性。單分子等離子體增強螢光；超材料等離子體；還有三種超解析度的顯微技術像是受激輻射耗損的STED、光激活定位顯微鏡PALM、隨機光學重建顯微鏡STORM，這些超解析度顯微鏡不僅克服了光的繞射極限，也實現了比傳統顯微鏡更高的成像分辨率；之後單分子消光，單光子源變得常見其中單分子顯微鏡也在生物物理學中常被應用；像是兩個量子發射器特過單光子耦合，晶體中的單一稀土離子、單一位標記蛋白質的光學檢測等等；接著超快電子顯微鏡(Ultrafast electron microscope， UEM)拍攝到雷射光子和自由電子之間的交互作用，這種光子引發近場電子顯微鏡(Photon-induced near-field electron microscopy，PINEM)，又將顯微術提高到另一個境界，詳情可參考去年九月份物理雙月刊『阿秒科學的電子顯微術』。
近場物理中很知名的光學物理學家Lukas Novotny引用另一位物理奇才：費曼先生在一九五九年的物理學會演說時講過的話『在底層還有很多空間：進入新領域的物理』 "There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics " ，將這句話改寫 『亞波長尺寸底下還有很多空間』"There is plenty of room at the subwavelength scale" ，也就是在微小尺度下，還存在許多未被充分利用的物理現象和應用潛力，在奈米光學二十年的研討會上介紹了奈米光學的近代發展，因為1960年五月美國科學家梅曼利用紅寶石晶體首次發展出雷射，接著在七零年代奈米光學的小種子開始發芽，像是表面電漿和光學鑷子都是這個時代的產物，可參考之前的物理專文『聚焦的雷射光-光鑷物理』，接著到了八零年代開始往各種不同方向發展，像是掃描穿隧顯微鏡、近場光學顯微鏡、到了九零年代就開始有很多的相關技術成熟的開始被應用到顯微鏡相關的研究，這個領域不會被侷限在控制交互作用，或是控制運動，有興趣的讀者可以去觀看這個前幾年釋出的奈米光學二十年的影片，也許你也會像我一樣對奈米光學產生興趣唷！
參考文件
https://zh.wikipedia.org/wiki/激光/激光器
https://zh.wikipedia.org/wiki/表面增強拉曼光譜
20 years of nano-optics from MPI for Science of Light
