百年光學史

思羽/編譯

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百年光學史

思羽/編譯

● 光學學會自從1916年創立之日起，便聚集了全球光學領域的科學家、工程師、商界領袖和學生，這些人士在光學和光子學領域的工作早已改變了整個世界。

1916年6月，也就是一個世紀之前，阿爾伯特·愛因斯坦預測了時空漣漪——如今以引力波之名為人所知——的存在。今年早些時候，我們慶祝了人類觀測到引力波現象的喜訊，這個讓人驚訝的觀測結果是全球范圍內一千多位科學家合作的成果，觀測中使用了鏡子和激光制成的高靈敏度天線。這項近期的里程碑和許多其他科學成就一樣，都運用了無數理論上的、觀測上的和技術上的創新。在此值得進行一番反思，回顧百年間光學領域科學群體產生的龐大知識，允許我們能以更強的深度和準確性觀察世界的技術突破，以及那些為了擴展科學不同分支的知識疆界和應用領域而獻出一生的人。

今年標志著光學學會成立100周年。光學學會聚集了全球光學和光子學領域的專業人士及學生。在過去的一個世紀里，無論是科研界，還是消費者，都享受了以光學為基礎的科學及應用技術迅猛發展帶來的福利。光學和光子學的成長在許多方面反映了現代物理學從20世紀初至今的問世及拓展。應用光學和光譜學長久以來發揮了核心作用，使得物理學誕生了新發現，新的物理學知識又激發了光學和光子學上的進步，轉而為空間、時間和物質的研究創造出強有力的工具。比如說，激光已經變成了科學探索不可或缺的工具。擁有不可思議密度和靈敏度的固態探測器被用于科學成像，從地球上的望遠鏡到火星上的攝像機都少不了它。激光冷卻上的創新已經給予我們前所未有的了解量子世界的渠道，激光頻率梳技術對于基礎科學和應用科學來說，都是極其精準的測量工具。

光學學會的誕生

光學學會于1916年建立，在建立之前的50年里，人類在對光和光應用的理解上取得了翻天覆地的進步。19世紀60年代，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）最早確定了光的本質是一種電磁波。在19世紀下半葉，電力照明開始應用，甚至現代光纖光學都初現雛形。1905年，愛因斯坦對光電效應的描述暗示光是由離散的能量包構成的，這種能量包后來被命名為光子。光的雙重性質——既有光子特性，也有波動特性——激發出多種工程創新。

隨著第一次世界大戰席卷歐洲，對技術革新的需求變得越發急迫。在那種背景下，位于華盛頓哥倫比亞特區的美國標準局的一位科學家珀利·納丁（Perley Nutting）認識到，有必要組織一個科學家園，為光學工程和技術領域的科學家們服務。納丁接受了伊士曼柯達公司的一個職位，遷居紐約州羅切斯特后，他和當地的科研人士一起組成了羅切斯特應用光學促進會。在一年之內，這個團體擴大了野心和領域，在1916年建立了美國光學學會（OSA），學會的重心是促進應用光學的發展。（2008年，學會認識到規模已經遍及全球，改名為光學學會。）最初的會費僅僅是5美元一年。1916年12月28日，學會在哥倫比亞大學召開了首次會議，開啟了光學的新紀元。

光學進步幫助觀察宇宙

在20世紀早期，科學家對宇宙的認識有了重大的突破，這在很大程度上要歸功于在觀測天空時用到的光學技術的進步。

天文學家喬治·埃勒里·海爾（George Ellery Hale）擔任了美國光學學會的第一任副主席。1916年，他被授予了美國光學學會名譽會員身份，這是美國光學學會會員中最卓越的一類，通常每年只授予一名會員。海爾陶醉于太陽的研究，在麻省理工學院讀本科時就發明了太陽單色光照相儀，并使用它發現了太陽渦流和其他現象。后來，他率先建造了幾臺打破紀錄的太空望遠鏡，包括位于葉凱士天文臺的40英寸（100厘米）口徑折射望遠鏡和威爾遜山天文臺的60英寸口徑海爾反射望遠鏡、100英寸口徑胡克反射望遠鏡。

激起海爾畢生對光學的熱情的，是他孩提時父母買給他的一臺小型顯微鏡。他14歲時就建造了自己的第一臺天文望遠鏡；他最后的項目是位于帕洛馬山天文臺的200英寸口徑海爾反射望遠鏡，海爾于1938年逝世，這臺望遠鏡直到他去世十年后才完工。

賀光學百年

“光學學會創建一百周年不僅是記錄學會和光學研究領域遺產的契機，更是一次探索激動人心的科技突破的未來的良機。光學研究仍然有巨大的潛力，能夠對付眾多挑戰，譬如支持保健醫療的研究，繼續支持互聯網的爆發性發展。我們僅僅處在光學技術應用的起點，光學學會與會員們會繼續站在最前沿，推進光學研究。”

——光學學會主席艾倫·威爾納（Alan Willner）

“光學學會是在科學合作成為挑戰的環境背景下成立的。學會的創建者預見到，有必要將行業和學術界里最具科學智慧的頭腦聚集在一起，分享彼此的想法，追逐技術突破。今日，學會為全球光學服務，擔當催化劑的角色。我們對學會的科學家和公司領袖感到自豪，其中包括34位諾貝爾獎得主，他們會激發下一代的科學發現。”

——光學學會首席執行官伊麗莎白·羅根（Elizabeth Rogan）

“世紀中葉在光學上的發現創造出新發現和新技術應用領域。比如說，先進制造使用高能激光切割和粘合材料。近期發現引力波，也是因為激光技術才變得可能，它已經開啟了一個可能存在種種發現的新領域，勢必永久改變天體物理學。”

——光學學會首席科學家格雷戈里·夸爾斯（Gregory J.Quarles）

用攝影術描繪未來

自從喬治·伊士曼（George Eastman）發明的柯達照相機在1888年帶著那句著名口號“你只需按動快門，剩下的交給我們來做”進入大眾市場后，照相機技術一直在進步。1928年，美國光學學會創建了首個、也是最具威望的獎項，來表彰弗雷德里克·艾夫斯（Frederic Ives）。艾夫斯是現代照相凸版制版法的發明人，也是彩色攝影技術、三色印刷法和三維立體攝影技術方面的先驅。艾夫斯的兒子赫伯特（Herbert）在1924~1925年間擔任美國光學學會主席。

肯尼斯·米斯（C.E.Kenneth Mees）在伊士曼柯達公司工作的43年間，給科學攝影學帶來了眾多進步，其中包括敏感的感光乳膠的研發工作，這項發明使得捕捉暗淡的天文圖像成為可能。1961年，在米斯去世后，一項美國光學學會的獎項以米斯的名字來命名，以表紀念。

另一個奠基性的時刻發生在1947年美國光學學會的會議上，當時寶麗來公司的共同創始人埃德溫·蘭德（Edwin Land）首次向公眾演示了他新發明的即時顯影裝置。在上世紀60年代到80年代的極盛時期里，寶麗來拍立得相機為數百萬戶家庭生活中的特別時刻記錄下珍貴畫面。蘭德說，他發明拍立得相機的靈感來自于三歲女兒的提問：“我為什么不能立刻看到這些照片？”1972年，蘭德因為他的成就被授予了美國光學學會名譽會員身份。

激光引領新紀元

電磁輻射的受激發射允許光相干放大和緊聚焦，產生一道顏色格外純凈的高能光束。這些獨一無二的特性使得激光有了廣泛的應用，從雜貨店的掃描器、辦公室內的打印機到精準手術和精準制造。

盡管愛因斯坦在1917年就描述了受激發射原理，直到1953年展示受激發射過程的設備才實際建造出來。 在那一年，查爾斯·湯斯（Charles Townes）、詹姆斯·戈登（James Gordon）與赫伯特·蔡格（Herbert Zeiger）在哥倫比亞大學建造了他們稱之為微波激射器的裝置，這個簡稱代表的是“輻射受激發射下的微波放大器”。這支研究團隊后來發現，并不單單是他們在做這方面的研究：在蘇聯的列別捷夫物理研究所，亞歷山大·普羅霍羅夫（Aleksandr Prokhorov）和尼古拉·巴索夫（Nicolay Basov）幾乎在同一時間獨立研發出一臺氨微波激射器。湯斯、普羅霍羅夫與巴索夫共同榮獲了1964年的諾貝爾物理學獎。湯斯在1963年成為美國光學學會會員，他和普羅霍羅夫后來都被授予了光學學會名譽會員身份。如今，微波激射器被運用在原子鐘、射電望遠鏡和與航天器聯絡的地面站上。

1960年，休斯科研實驗室的西奧多·梅曼（Theodore Maiman）發明了紅寶石激光器，微波激射器技術從微波延伸到可見光頻率。梅曼的創造建立在湯斯與阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）的理論工作基礎上，第一次實驗就大獲成功，這個吉兆暗示激光技術最終會被證明是許多領域的顛覆者。

很快，一大波全新的激光技術接踵而來。20世紀60年代晚期，唐納德·赫里奧特（Donald Herriott）帶領的貝爾實驗室研究團隊發明了第一臺連續運轉的激光器——紅外氦氖激光器。赫里奧特是美國光學學會的會員，后來還擔任學會主席。半導體二極管激光器不久后也出現了。盡管激光在早期被視為“一種得要尋找問題的解決方案”，但自從誕生之日起，激光已經在眾多科學、技術、醫療、軍事和工業應用上扮演了核心角色。

通過光連接世界

在激光創造的所有社會變化中，或許沒有一樣能和激光對通訊的影響相提并論。激光是將全球人士相互連接的光纖光學技術的核心。一道激光光束通過一條玻璃纖維，能為五十多萬條電話通話或數千個互聯網連接和電視頻道傳遞編碼信息。

激光被人類發明后不久，科學家就開始探索激光如何能夠與波導管相互作用，其中包括了玻璃光纖。50年前，在英國標準電信實驗室工作的美國光學學會會員高錕 （Charles Kao）與喬治·霍克漢姆（George Hockham）意識到，提高玻璃的純度能允許光信號傳輸距離突破100公里，這個數據比當時能獲得的最優質的玻璃纖維的表現提高了大約五倍。高錕如今被稱作“光纖之父”，憑借其研究工作，他與其他人一起獲得了2009年諾貝爾物理學獎。

1970年，康寧玻璃公司科學家彼得·舒爾茨（Peter Schultz）、羅伯特·莫勒（Robert Maurer）和唐納德·凱克（Donald Keck）共同創造了第一根電信級別的光纖。凱克后來被提名為美國光學學會名譽會員。在20世紀80年代，美國光學學會會員、在南安普頓大學任教的大衛·佩恩（David Payne）研發出了摻鉺光纖放大器，它利用受激后的鉺離子產生的受激發射來增強光信號，允許光信號傳播更遠的距離。

用光譜學探索物質

印度物理學家、美國光學學會名譽會員拉曼（C. V.Raman）在1928年發現，當一件透明物體散射一道單色光時，會引起被散射光的頻率的位移，這是物體的特性。這個發現使得拉曼獲得了1930年度諾貝爾物理學獎，并被命名為拉曼效應。它是拉曼光譜學的基礎，這項技術時至今日仍然被用來分析材料和生物學樣本的化學組成或“分子指紋”。

在20世紀60年代，激光當即給光譜學帶來了收獲。激光的強勁、相干的光束在寬廣的波長范圍都可調諧，為研究原子和分子開辟了新的方法。后來擔任過美國光學學會主席的阿瑟·肖洛開拓了敏感技術，在測量氫原子譜線時獲得之前從未想象過的精確度。美國光學學會會員、哈佛大學的尼古拉斯·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）采用四波混頻和其他非線性現象，擴大了光譜研究可用的波長范圍——這是至關重要的一步，尤其是對于生物學上的應用來說。肖洛和布隆伯根分享了1981年諾貝爾物理學獎的一半獎金。肖洛在1983年成為了美國光學學會榮譽會員，布隆伯根在1984年成為了美國光學學會榮譽會員。

攝影術數字化

1969年，被稱為“感光耦合組件”（CCD）的電子光傳感器被發明出來，標志著攝影術數字新紀元的開始。在貝爾實驗室工作的美國光學學會會員威拉德·博伊爾 （Willard Boyle）與喬治·史密斯（George E.Smith）提出了CCD背后的核心概念——這項研究工作使得他們與別人分享了2009年諾貝爾物理學獎。沒過多久，CCD就在眾多科學和消費電子應用上找到了用武之地；到了20世紀70年代中期，CCD成像裝置被裝載到衛星和太空望遠鏡上。一代代專業數字攝影機、攝像機和面向消費市場的攝錄影機都是基于這項技術。

盡管對于大多數消費電子產品來說，CCD如今在很大程度上被CMOS焦平面陣列映襯得黯然失色，但CCD仍然繼續被廣泛使用在諸如生物醫學成像、夜視裝置、天文學等專業應用上。比如說，斯隆數字巡天使用54個CCD來產生迄今為止最大規模的統一化巡天數據。

美國光學學會名譽會員伽博·丹尼斯（Dennis Gabor）在20世紀40年代晚期發明了全息技術，他為此榮獲了1971年諾貝爾物理學獎。在激光發明之后，美國光學學會會員埃米特·利斯（Emmett Leith）和朱里斯·烏帕特尼克斯（Juris Upatnieks）在密歇根大學研發出了現代全息技術，同時在1962年，蘇聯瓦維洛夫國立光學研究所的尤里·丹尼蘇克（Yuri Denisyuk）也獨立研發出了此技術。現代全息技術能夠在攝影膠片上捕捉到三維真實世界的物體。研究迅速引起全球范圍對全息術的興趣。

激光冷卻產生新的物質狀態

1985年，貝爾實驗室的朱棣文（Steven Chu）、巴黎高等師范學校的克洛德·科昂-唐努德日（Claude Cohen-Tannoudji）、美國國家標準技術研究所的威廉·菲利普斯（William Phillips）領導的團隊構思出一套復雜的方法，使用激光把原子冷卻到微開爾文，或者甚至是納開爾文的程度。他們的方法為量子物理學領域的全新而重要的實驗開啟了大門，因為它們允許研究者讓原子慢下來，在接近絕對零度的溫度下觀測原子。朱棣文、科昂-唐努德日和菲利普斯因為這個研究工作而獲得了1997年諾貝爾物理學獎；朱棣文后來擔任了第12任美國能源部長。上述三位都是光學學會的名譽會員。

1995年，光學學會會員、實驗天體物理聯合研究所的埃里克·康奈爾（Eric Cornell）與卡爾·威曼（Carl Wieman），以及在麻省理工學院工作的沃爾夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle）創造出一種全新的物質狀態，被命名為“玻色-愛因斯坦凝聚”。激光冷卻在這個過程起到核心作用。玻色-愛因斯坦凝聚最初由薩特延德拉·玻色（Satyendra Bose）與愛因斯坦在20世紀20年代做出預測，顯示出宏觀量子現象，為基礎物理學的全新實驗方法鋪平道路，這些實驗方法還有潛力促成技術創新。研究者將堿性金屬原子冷卻到絕對零度以上的幾十億分之一度，獲得玻色-愛因斯坦凝聚；這份研究工作讓他們獲得了2001年諾貝爾物理學獎。從那時起，許多同位素、分子、準粒子和光子都產生了玻色-愛因斯坦凝聚。

頻率梳將精確度提高到新層次

在超快速激光器上的進步為學者鋪平了道路，光學學會會員、馬克斯·普朗克量子光學研究所的特奧多爾·亨施（Theodor Hansch）和實驗天體物理聯合研究所的約翰·霍爾（John Hall）一起創造出超精準光學頻率梳，這項研究讓他們榮獲了2005年諾貝爾物理學獎的一半獎金。這些用來測量光的頻率的工具在需要高度精準的領域得到了無數應用。它們也是光學原子鐘、高精準光譜學和GPS技術的基礎。它們獨一無二的特性對于基礎物理學方面的實驗也是一次恩賜，譬如主要用于基本常數測量的高靈敏度測試，以及用于追蹤化學反應如何進行的過程。亨施在2008年被授予了光學學會名譽會員身份。

2005年度諾貝爾物理獎的另一半獎金頒發給了在哈佛大學工作的光學學會會員羅伊·格勞伯（Roy Glauber），他的工作闡述了光學相干性的量子力學理論，為成果格外豐碩的量子光學學科奠定基礎。量子光學聚焦于亞微觀尺度下光與物質之間的相互作用。

顯微鏡學揭露出不可見一面

20世紀里，顯微鏡學有著了不起的發展。在20世紀30年代，光學學會名譽會員、格羅寧根大學的弗里茨·塞爾尼克（Frits Zernike）研發了相襯顯微技術，它以某種方式結合了被透明標本散射后的光線和背景中未被散射的光線，創造出以前只有當細胞被殺死并染色后才能看見的結構的高反差圖像。從而，顯微鏡這個工具能夠讓研究者直接觀察活細胞和它們的細胞器官。盡管這位荷蘭物理學家的發明的重要性沒有立刻被人們認識到，但是當德國軍隊在1941年清點所有可能為二戰服務的發明物時，相襯顯微鏡被列在首位。戰后，數千臺相襯顯微鏡被制造出來，迅速成為了生物醫學研究的標準設備。塞爾尼克被授予1953年度諾貝爾物理學獎。

激光的出現以及熒光蛋白標記技術的發展，催生出新的顯微方法，用來觀察復雜的生物過程，譬如基因表達、神經元發育和癌細胞擴散。光學學會會員莫爾納爾（W.E.Moerner）和光學學會會員斯特凡·赫爾（Stefan Hell）、埃里克·白茲格（Eric Betzig）以那些發展為基礎，進一步研發出“超分辨率顯微技術”，這個類別的技術使用激光激發的熒光來克服衍射所固有的分辨率極限，生成單個分子的圖像。他們為此分享了2014年度諾貝爾化學獎。

LED照亮可持續發展之路

壽命長、高效節能的LED在現今為科學儀器、消費電子產品、一般固態照明和許多其他技術提供光亮，它的制造已經有幾十年的歷史。20世紀60年代初期，得州儀器公司的工程師以20世紀初的發現為基礎，取得了第一個能實際使用的LED專利。因為在LED進入消費市場的頭十年里，只有紅光LED，所以早期的那些LED大多數被當成指示燈來使用。

20世紀70年代，新的半導體材料出現后，綠光、橘光和黃光的LED成為可能，但藍光——生成白光時的關鍵顏色——LED仍然無法制造。直到1993年，光學學會會員天野浩、赤崎勇和中村修二才創造出第一個實用的藍光LED。不久后，結合了不同顏色的白光LED也出現了。后來，研究者研發出好幾種其他方法來用制造白光LED，包括有一項技術是將藍光或紫外線LED涂上發出多種顏色光的磷光劑。因為研發出高效藍光LED，天野浩、赤崎勇和中村修二榮獲了2014年度諾貝爾物理學獎。

如今，LED是眾多儀器設備和消費電子產品中的基本部件，從數據傳輸系統、紅綠燈到智能手機屏幕，不一而足。它們的高效引人注目，且尺寸小，壽命長，這些特點使得LED適合許多用途，從能源和材料角度來看，具有較低的環境成本。LED正在改變人類住宅、辦公室和街道的照明方式。

光學的光明未來

光學學會成立一百周年以來，已經從一個小團體成長為一個全球性團體，學會中有19 275名科學家、工程師和其他專業人士，他們都投入在推進光學和光子學的知識和應用事業上。

近期觀測到引力波一事，只是許多引人注目的科學成就中的一項而已，這些成就都是因為光學研究和以光學為基礎的技術的發展才變成可能。想象一下，假如美國光學學會的創立者們在1916年能瞥見之后100年間種種不可思議的發展，他們會想些什么。盡管今時今日光學的某些能力也許看起來像是20世紀初的基本原理和前沿技術的合理延伸，但許多現在被視為理所當然的工具和技術在當時會看起來像純粹的科幻小說。

在未來的幾年里，可以預計光學領域會有眾多令人激動的新進展，從最切實際的到充滿奇想的進展。通訊和信息技術仍然是發展活躍的領域，研究者和工程師在研究低損耗光纖、高速網絡和相關技術。生物醫學領域即將開始成像、治療學和微創手術上的創新。當基于光的傳感器變得越來越復雜，它們的用處看起來幾乎無限。就連操弄光的“隱形斗篷”和激光推進的衛星也許都比我們想象中更加唾手可得。

假如從過去獲得的經驗是未來的指針，那么隨著光學學會步入第二個一百年，我們能期待在基礎物理學、天文學和地球科學上出現驚人的進展。

［資料來源：Physics Today］［責任編輯：絲 絲］

本文作者安妮·約翰遜（Anne Johnson）與南茜·拉蒙塔涅（Nancy Lamontagne）是北卡羅來納州教堂山市“創意科學寫作”工作室的成員，也是多媒體科學傳播人士。