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百年光学史

2016-10-09 20:08 作者：编辑：郭晴天

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　　百年光学史

　　● 光学学会自从1916年创立之日起，便聚拢了全球光学领域的科学家、工程师、商界领袖和学生，这些人士在光学和光子学领域的工作早已改变了整个世界。

1916年6月，也就是一个世纪之前，阿尔伯特?爱因斯坦预测了时空涟漪――如今以引力波之名为人所知――的存在。今年早些时候，我们庆祝了人类观测到引力波现象的喜讯，这个让人惊讶的观测结果是全球范围内一千多位科学家合作的成果，观测中使用了镜子和激光制成的高灵敏度天线。这项近期的里程碑和许多其他科学成就一样，都运用了无数的理论、观测和技术，并不断创新。在此值得进行一番反思，回顾百年间光学领域科学群体产生的庞大知识，允许我们能以更强的深度和准确性观察世界的技术突破，以及那些为了扩展科学不同分支的知识疆界和应用领域而献出一生的人。

今年标志着光学学会成立100周年。光学学会聚集了全球光学和光子学领域的专业人士及学生，在过去的一个世纪里，无论是科研界，还是消费者，都享受了以光学为基础的科学及应用技术迅猛发展带来的福利。光学和光子学的成长在许多方面反映了现代物理学从20世纪初至今的问世及拓展。应用光学和光谱学长久以来发挥了核心作用，使得物理学诞生了新发现，新的物理学知识又激发了光学和光子学上的进步，转而为空间、时间和物质的研究创造出强有力的工具。比如说，激光已经变成了科学探索不可或缺的工具。拥有不可思议密度和灵敏度的固态探测器被用于科学成像，从地球上的望远镜到火星上的摄像机都少不了它。激光冷却上的创新已经给予我们前所未有的了解量子世界的渠道，激光频率梳技术对于基础科学和应用科学来说，都是极其精准的测量工具。

　　光学学会的诞生

光学学会于1916年建立之前的50年里，人类对光和光的用处的理解上取得了翻天覆地的进步。19世纪60年代，詹姆斯?克拉克?麦克斯韦（James Clerk Maxwell）最早确定了光的本质是一种电磁波。在19世纪下半叶，电力照明开始应用，甚至现代纤维光学都初现雏形。1905年，爱因斯坦对光电效应的描述暗示光是由离散的能量包构成的，这种能量包后来被命名为光子。光的双重理解――作为光子和作为一种波――激发出多种工程创新。

随着第一次世界大战席卷欧洲，对技术革新的需求变得越发急迫。在那种背景下，在位于华盛顿哥伦比亚特区的美国标准局工作的一位科学家珀利?纳丁（Perley Nutting）认识到，有必要组织一处科学家园，为光学工程和技术领域的科学家们服务。纳丁接受了伊士曼柯达公司的一个职位，迁居纽约州罗切斯特后，他和当地的科研人士一起组成了罗切斯特应用光学促进会。在一年之内，这个团体扩大了企图心和领域，在1916年建立了美国光学学会（OSA），学会的重心是促进应用光学的发展。（2008年，学会认识到规模已经遍及全球，改名为光学学会。）最初的会费仅仅是5美元一年。1916年12月28日，在哥伦比亚大学召开了学会的首次会议，开启了光学的新纪元。

　　光学进步帮助观察宇宙

在20世纪早期，科学家对宇宙的认识有了重大的突破，这在很大程度上得要归功于在观测天空时用到的光学技术的进步。

天文学家乔治?埃勒里?海尔（George Ellery Hale）担任了美国光学学会的第一任副主席。在1916年，他被授予了美国光学学会名誉会员身份，这是美国光学学会会员中最卓越的一类，通常每年只授予一名会员。海尔陶醉于太阳，在麻省理工学院读本科时就发明了太阳单色光照相仪，并使用它发现了太阳涡流和其他现象。后来，他率先建设了几台打破纪录的太空望远镜，包括位于叶凯士天文台的40英寸（100厘米）口径折射望远镜和威尔逊山天文台的60英寸口径海尔反射望远镜、100英寸口径胡克反射望远镜。

激起海尔毕生对光学的热情的，是他孩提时父母买给他的一台小型显微镜。他14岁时就建造了自己的第一台天文望远镜；他最后的项目是位于帕洛马山天文台的200英寸口径海尔反射望远镜，海尔于1938年逝世，这台望远镜直到他去世十年后才完工。

　　用摄影术描绘未来

自从乔治?伊士曼（George Eastman）发明的柯达照相机在1888年带着那句著名口号“你只需按动快门，剩下的交给我们来做”进入大众市场后，照相机技术一直在进步。1928年，美国光学学会创建了首个、也是最具威望的奖项，表彰弗雷德里克?艾夫斯（Frederic Ives），艾夫斯是现代照相凸版制版法的发明人，也是彩色摄影技术、三色印刷法和三维立体摄影技术方面的先驱。艾夫斯的儿子赫伯特在1924~1925年间担任美国光学学会主席。

C.E.肯尼斯?米斯（C.E.Kenneth Mees）在伊士曼柯达公司工作的43年间，给科学摄影学带来了众多进步，其中包括敏感的感光乳胶的研发工作，这项发明使得捕捉暗淡的天文图像成为可能。1961年，在米斯去世后，一项美国光学学会的奖项用米斯的名字来命名，以表纪念。

　　贺光学百年

“光学学会创建一百周年不仅是记录学会和光学研究领域遗产的契机，更是一次探索激动人心的科技突破的未来的良机。光学研究仍然有巨大的潜力，能够对付众多挑战，譬如支持保健医学的研究，继续支持互联网的爆发性发展。我们仅仅处在光学技术应用的起点，光学学会与会员们会继续站在最前沿，推进光学研究。”

――光学学会主席艾伦?威尔纳（Alan Willner）

“光学学会是在科学合作成为挑战的环境背景下成立的。学会的创建者预见到，有必要将行业和学术界里最具科学智慧的头脑聚集在一起，分享彼此的想法，追逐技术突破。今日，学会为全球光学服务，担当催化剂的角色。我们对学会的科学家和公司领袖感到自豪，其中包括34位诺贝尔奖得主，他们会激发下一代的科学发现。”

――光学学会首席执行官伊丽莎白?罗根（Elizabeth Rogan）

“世纪中叶在光学上的发现创造出全新的发现和技术应用领域。比如说，先进制造使用高能激光切割和结合材料。近期发现引力波，也是因为激光技术才变得可能，它已经开启了一个可能存在种种发现的新领域，势必永久改变天体物理学。”

――光学学会首席科学家格雷戈里?夸尔斯（Gregory J. Quarles）

另一个奠基性的时刻发生在1947年美国光学学会的会议上，当时宝丽来公司的共同创始人埃德温?兰德（Edwin Land）首次向公众演示了他新发明的即时显影装置。在上世纪60年代到80年代的极盛时期里，宝丽来拍立得相机为数百万户家庭的生活中的特别时刻记录下珍贵画面。兰德说，他发明拍立得相机的灵感来自于三岁女儿的提问：“我为什么不能立刻看到这些照片？”1972年，兰德因为他的成就被授予了美国光学学会名誉会员身份。

　　激光引领新纪元

电磁辐射的受激发射允许光相干放大和紧聚焦，产生一道颜色格外纯净的高能光束。这些独一无二的特性使得激光有了广泛的应用范围，从杂货店的扫描器、办公室内的打印机到精确手术和精确制造，不一而足。

尽管爱因斯坦在1917年就描述了受激发射原理，直到1953年展示受激发射过程的设备才实际建造出来。在那一年，查尔斯?汤斯（Charles Townes）、詹姆斯?戈登（James Gordon）与赫伯特?蔡格（Herbert Zeiger）在哥伦比亚大学建造了他们称之为微波激射器的装置，这个简称代表的是“辐射受激发射下的微波放大器”。这支研究团队后来发现，并不单单是他们在做这方面的研究：在苏联的列别捷夫物理研究所，亚历山大?普罗霍罗夫（Aleksandr Prokhorov）和尼古拉?巴索夫（Nicolay Basov）几乎在同一时间独立研发出一台氨微波激射器。汤斯、普罗霍罗夫与巴索夫共同荣获了1964年的诺贝尔物理学奖。汤斯在1963年成为美国光学学会会员，他和普罗霍罗夫后来都被授予了光学学会名誉会员身份。如今，微波激射器被运用在原子钟、射电望远镜和与航天器联络的地面站上。

1960年，休斯科研实验室的西奥多?梅曼（Theodore Maiman）发明了红宝石激光器，微波激射器技术从微波延伸到可见光频率。梅曼的创造建立在汤斯与阿瑟?肖洛（Arthur Schawlow）的理论工作基础上，第一次实验就大获成功，这个吉兆暗示激光技术最终会被证明是许多领域的颠覆者。

很快，一大波全新的激光技术接踵而来。20世纪60年代晚期，唐纳德?赫里奥特（Donald Herriott）带领的贝尔实验室研究团队发明了第一台连续运转的激光器――红外氦氖激光器。赫里奥特是美国光学学会的会员，后来还会担任学会主席。半导体二极管激光器不久后也出现了。尽管激光在早期被视为“一种得要寻找问题的解决方案”，但自从诞生之日起，激光已经在众多科学、技术、医疗、军事和工业应用上扮演了核心角色。

　　通过光连接世界

在激光创造的所有社会变化中，或许没有一样能和激光对通讯的影响相提并论。激光是将全球人士相互连接的纤维光学技术的核心。一道激光光束通过一条玻璃纤维，能为五十多万条电话通话或数千个互联网连接和电视频道传递编码信息。

激光被人类发明后不久，科学家就开始探索激光能够如何与波导管相互作用，其中包括了玻璃光纤。50年前，在英国标准电信实验室工作的美国光学学会会员高锟（Charles Kao）与乔治?霍克汉姆（George Hockham）意识到，提高玻璃的纯度能允许光信号传输距离突破100公里，这个数据比当时能获得的最优质的玻璃纤维的表现提高了大约五倍。高锟如今被称作“光纤之父”，凭借他的研究工作与他人一起获得了2009年诺贝尔物理学奖。

1970年，康宁玻璃公司科学家彼得?舒尔茨（Peter Schultz）、罗伯特?莫勒（Robert Maurer）和唐纳德?凯克（Donald Keck）共同创造了第一根电信级别的光纤。凯克后来被提名为美国光学学会名誉会员。在20世纪80年代，美国光学学会会士、在南安普顿大学任教的大卫?佩恩（David Payne）研发出了掺铒光纤放大器，它利用受激后的铒离子产生的受激发射来增强光信号，允许光信号传播更远的距离。

　　用光谱学探索物质

印度物理学家、美国光学学会名誉会员拉曼（C.V.Raman）在1928年发现，当一件透明物体让一道单色光散射时，它会引起被散射光的频率的位移，而那是物体的特性。这个发现使得拉曼获得了1930年度诺贝尔物理学奖，并被命名为拉曼效应。它是拉曼光谱学的基础，这项技术时至今日仍然被用来分析材料和生物学样本的化学组成或“分子指纹”。

在20世纪60年代，激光当即给光谱学带来收获。激光的强劲、相干的光束在宽广的波长范围都可调谐，为研究原子和分子开辟了新的方法。后来担任过美国光学学会主席的阿瑟?肖洛开拓了敏感技术，在测量氢原子谱线时获得之前从未想象过的精确度。美国光学学会会士、哈佛大学的尼古拉斯?布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）采用四波混频和其他非线性现象，扩大了光谱研究可用的波长范围――这是至关重要的一步，尤其是对于生物学上的应用来说。肖洛和布隆伯根分享了1981年诺贝尔物理学奖的一半奖金。肖洛在1983年成为了美国光学学会会员，布隆伯根在1984年成为了美国光学学会会员。

　　摄影术数字化

1969年，被称为“感光耦合组件”或CCD的电子光传感器被发明出来，标志着摄影术的数字新纪元的开始。在贝尔实验室工作的美国光学学会会员威拉德?博伊尔（Willard Boyle）与乔治?史密斯（George E.Smith）提出了CCD背后的核心概念――这项研究工作使得他们与别人分享了2009年诺贝尔物理学奖。没过多久，CCD就在众多科学和消费电子应用上找到了用武之地；到了20世纪70年代中期，CCD成像装置被装载到卫星和太空望远镜上。一代代专业数字静物摄影机、摄像机和面向消费市场的摄录影机都是基于这项技术。

尽管对于大多数消费电子产品来说，CCD如今在很大程度上被CMOS焦平面阵列映衬得黯然失色，CCD仍然继续被广泛使用在诸如生物医学成像、夜视装置、天文学等专业化应用上。比如说，斯隆数字化巡天使用54个CCD来产生迄今为止最大规模的统一化巡天数据。

美国光学学会名誉会员加博尔?德奈什（Dennis Gabor）在20世纪40年代晚期发明了全息术，他为此荣获了1971年诺贝尔物理学奖。在激光发明之后，美国光学学会会士埃米特?利斯（Emmett Leith）和朱里斯?乌帕特尼克斯（Juris Upatnieks）在密歇根大学研发出了现代全息技术，同时在1962年，苏联瓦维洛夫国立光学研究所的尤里?丹尼苏克（Yuri Denisyuk）也独立做出同个发明。现代全息技术能够在摄影胶片上捕捉到三维真实世界的物体。研究迅速地引起全球范围对全息术的兴趣。

　　激光冷却产生新的物质状态

1985年，贝尔实验室的朱棣文（Steven Chu）、巴黎高等师范学校的克洛德?科昂-唐努德日（Claude Cohen-Tannoudji）、美国国家标准技术研究所的威廉?菲利普斯（William Phillips）领导的团队构思出一套复杂的方法，使用激光把原子冷却到微开尔文，或者甚至是纳开尔文的程度。他们的方法为量子物理学领域的全新而重要的实验开启了大门，因为它们允许研究者让原子慢下来，在接近绝对零度的温度下观测原子。朱棣文、科昂-唐努德日和菲利普斯因为这个研究工作而获得了1997年诺贝尔物理学奖；朱棣文后来担任了第12任美国能源部长。上述三位都是光学学会的名誉会员。

1995年，光学学会会员、在实验天体物理联合研究所工作的埃里克?康奈尔（Eric Cornell）与卡尔?威曼（Carl Wieman），在麻省理工学院工作的沃尔夫冈?克特勒（Wolfgang Ketterle）创造出一种全新的物质状态，被命名为“玻色?爱因斯坦凝聚”。激光冷却在这个过程起到核心作用。玻色?爱因斯坦凝聚最初由萨特延德拉?玻色（Satyendra Bose）与爱因斯坦在20世纪20年代做出预测，显示出宏观量子现象，为基础物理学的全新实验方法铺平道路，这些实验方法还有潜力促成技术创新。研究者将碱性金属原子冷却到绝对零度以上的几十亿分之一度，获得玻色?爱因斯坦凝聚；这份研究工作让他们获得了2001年诺贝尔物理学奖。从那时起，许多同位素、分子、准粒子和光子都产生了玻色?爱因斯坦凝聚。

　　频率梳将精确度提高到新层次

　　在超快速激光器上的进步为学者铺平了道路，光学学会会士、在马克斯?普朗克量子光学研究所工作的特奥多尔?亨施（Theodor H?nsch）和实验天体物理联合研究所的约翰?霍尔（John Hall）一起创造出超精准光学频率梳，这项研究让他们荣获了2005年诺贝尔物理学奖的一半奖金。这些用来测量光的频率的工具在需要高度精准的领域得到了无数次应用。它们也是光学原子钟、高精准光谱学和GPS技术的基础。它们独一无二的特性对于基础物理学方面的实验也是一次恩赐，譬如主要用于基本常数测量的高灵敏度测试，以及用于追踪化学反应如何进行的过程。亨施在2008年被授予了光学学会名誉会员身份。

　　2005年度诺贝尔物理奖的另一半奖金颁发给了在哈佛大学工作的光学学会会员罗伊?格劳伯（Roy Glauber），他的工作是阐述了光学相干性的量子力学理论，为成果格外丰硕的量子光学学科奠定基础。量子光学聚焦于亚微观尺度下光与物质之间的相互作用。

　　显微学揭露出不可见一面

20世纪里，显微学有着了不起的发展。在20世纪30年代，光学学会名誉会员、格罗宁根大学的弗里茨?泽尔尼克（Frits Zernike）研发了相衬显微技术，它以某种方式结合了被透明标本散射后的光线和背景中未被散射的光线，创造出以前只有当细胞被杀死并染色后才能看见的结构的高反差图像。从而，显微镜这个工具能够让研究者直接观察活细胞和它们的细胞器官。尽管这位荷兰物理学家的发明的重要性没有立刻被人认识到，但是当德国军队在1941年清点所有可能为二战服务的发明物时，相衬显微镜被列在首位。战后，数千台相衬显微镜被制造出来，迅速成为了生物医学研究的标准设备。泽尔尼克被授予1953年度诺贝尔物理学奖。

激光的出现以及荧光蛋白标记技术的发展，催生出新的显微方法，用来观察复杂的生物过程，譬如基因表达、神经元发育和癌细胞扩散。光学学会会员莫纳（W.E.Moerner）和光学学会会员斯特凡?黑尔（Stefan Hell）、埃里克?白兹格（Eric Betzig）以那些发展为基础，添砖加瓦，研发出“超分辨率显微技术”，这个类别的技术使用激光激发的荧光来克服衍射所固有的分辨率极限，生成单个分子的图像。他们为此分享了2014年度诺贝尔化学奖。

　　LED照亮可持续发展之路

寿命长、能量转换效率高的LED在现今为科学仪器、消费电子产品、一般固态照明和许多其他技术提供光亮，它的制造已经有几十年的历史。20世纪60年代初期，得州仪器公司的工程师以20世纪初的发现为基础，取得了第一台能实际使用的LED的专利。因为在LED进入消费市场的头十年里，只有红光LED，所以早期的那些LED大多数被当成指示灯来使用。

20世纪70年代，新的半导体材料出现后，绿光、橘光和黄光的LED成为可能，但蓝光――生成白光时的关键颜色――LED仍然无法制造。直到1993年，光学学会会员天野浩、赤崎勇和中村修二才创造出第一个实用的蓝光LED。不久后，结合了不同颜色的LED的白光LED也出现了。后来，研究者研发出好几种其他方法来用LED制造白光，包括有一项技术是将蓝光或紫外线LED涂上发出多种颜色光的磷光剂。因为研发出高效蓝光LED，天野浩、赤崎勇和中村修二荣获了2014年度诺贝尔物理学奖。

如今，LED是众多仪器设备和消费电子产品中的基本部件，从数据传输系统、红绿灯到智能电话屏幕，不一而足。它们的高效引人注目，尺寸小，寿命又长，这些特点使得LED非常适合许多用途，从能源和材料角度来看，具有较低的环境成本。LED正在改变人类住宅、办公室和街道的照明方式。

　　光学的光明未来

　　光学学会成立一百周年以来，已经从一个小团体成长为一个全球性团体，学会中有19 275名科学家、工程师和其他专业人士，他们都投入在推进光学和光子学的知识和应用事业上。

　　近期观测到引力波一事，只是许多引人注目的科学成就中的一项而已，这些成就都是因为光学研究和以光学为基础的技术的发展才变成可能。想象一下，假如美国光学学会的创立者们在1916年能瞥见之后100年间种种不可思议的发展，他们会想些什么。尽管今时今日光学的某些能力也许看起来像是20世纪初的基本原理和前沿技术的合理延伸，但许多现在被视为理所当然的工具和技术在当时会看起来像纯粹的科幻小说。

　　在未来的几年里，可以预计光学领域会有众多令人激动的新进展，从最切实际的到充满奇想的进展，不一而足。通讯和信息技术仍然有些活跃领域有待发展，研究者和工程师在研究低损耗光纤、高速网络和相关技术。生物医学领域即将开始成像、治疗学和微创手术上的创新。当基于光的传感器变得越来越复杂，它们的用处看起来几乎无限。就连操弄光的“隐形斗篷”和激光推进的卫星也许都比我们想象中更加唾手可得。

　　假如从过去获得的经验是未来的指针，那么随着光学学会步入第二个一百年，我们能期待在基础物理学、天文学、地球科学上出现惊人的进展。