思羽/編譯

?

百年光學(xué)史

思羽/編譯

● 光學(xué)學(xué)會自從1916年創(chuàng)立之日起，便聚集了全球光學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師、商界領(lǐng)袖和學(xué)生，這些人士在光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的工作早已改變了整個世界。

1916年6月，也就是一個世紀(jì)之前，阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)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(xiàn)象的喜訊，這個讓人驚訝的觀測結(jié)果是全球范圍內(nèi)一千多位科學(xué)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(xiàng)近期的里程碑和許多其他科學(xué)成就一樣，都運(yùn)用了無數(shù)理論上的、觀測上的和技術(shù)上的創(chuàng)新。在此值得進(jìn)行一番反思，回顧百年間光學(xué)領(lǐng)域科學(xué)群體產(chǎn)生的龐大知識，允許我們能以更強(qiáng)的深度和準(zhǔn)確性觀察世界的技術(shù)突破，以及那些為了擴(kuò)展科學(xué)不同分支的知識疆界和應(yīng)用領(lǐng)域而獻(xiàn)出一生的人。

今年標(biāo)志著光學(xué)學(xué)會成立100周年。光學(xué)學(xué)會聚集了全球光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人士及學(xué)生。在過去的一個世紀(jì)里，無論是科研界，還是消費(fèi)者，都享受了以光學(xué)為基礎(chǔ)的科學(xué)及應(yīng)用技術(shù)迅猛發(fā)展帶來的福利。光學(xué)和光子學(xué)的成長在許多方面反映了現(xiàn)代物理學(xué)從20世紀(jì)初至今的問世及拓展。應(yīng)用光學(xué)和光譜學(xué)長久以來發(fā)揮了核心作用，使得物理學(xué)誕生了新發(fā)現(xiàn)，新的物理學(xué)知識又激發(fā)了光學(xué)和光子學(xué)上的進(jìn)步，轉(zhuǎn)而為空間、時間和物質(zhì)的研究創(chuàng)造出強(qiáng)有力的工具。比如說，激光已經(jīng)變成了科學(xué)探索不可或缺的工具。擁有不可思議密度和靈敏度的固態(tài)探測器被用于科學(xué)成像，從地球上的望遠(yuǎn)鏡到火星上的攝像機(jī)都少不了它。激光冷卻上的創(chuàng)新已經(jīng)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(shù)對于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)來說，都是極其精準(zhǔn)的測量工具。

光學(xué)學(xué)會的誕生

光學(xué)學(xué)會于1916年建立，在建立之前的50年里，人類在對光和光應(yīng)用的理解上取得了翻天覆地的進(jìn)步。19世紀(jì)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(zhì)是一種電磁波。在19世紀(jì)下半葉，電力照明開始應(yīng)用，甚至現(xiàn)代光纖光學(xué)都初現(xiàn)雛形。1905年，愛因斯坦對光電效應(yīng)的描述暗示光是由離散的能量包構(gòu)成的，這種能量包后來被命名為光子。光的雙重性質(zhì)——既有光子特性，也有波動特性——激發(fā)出多種工程創(chuàng)新。

隨著第一次世界大戰(zhàn)席卷歐洲，對技術(shù)革新的需求變得越發(fā)急迫。在那種背景下，位于華盛頓哥倫比亞特區(qū)的美國標(biāo)準(zhǔn)局的一位科學(xué)家珀利·納?。≒erley Nutting）認(rèn)識到，有必要組織一個科學(xué)家園，為光學(xué)工程和技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家們服務(wù)。納丁接受了伊士曼柯達(dá)公司的一個職位，遷居紐約州羅切斯特后，他和當(dāng)?shù)氐目蒲腥耸恳黄鸾M成了羅切斯特應(yīng)用光學(xué)促進(jìn)會。在一年之內(nèi)，這個團(tuán)體擴(kuò)大了野心和領(lǐng)域，在1916年建立了美國光學(xué)學(xué)會（OSA），學(xué)會的重心是促進(jìn)應(yīng)用光學(xué)的發(fā)展。（2008年，學(xué)會認(rèn)識到規(guī)模已經(jīng)遍及全球，改名為光學(xué)學(xué)會。）最初的會費(fèi)僅僅是5美元一年。1916年12月28日，學(xué)會在哥倫比亞大學(xué)召開了首次會議，開啟了光學(xué)的新紀(jì)元。

光學(xué)進(jìn)步幫助觀察宇宙

在20世紀(jì)早期，科學(xué)家對宇宙的認(rèn)識有了重大的突破，這在很大程度上要?dú)w功于在觀測天空時用到的光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

天文學(xué)家喬治·埃勒里·海爾（George Ellery Hale）擔(dān)任了美國光學(xué)學(xué)會的第一任副主席。1916年，他被授予了美國光學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員身份，這是美國光學(xué)學(xué)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(xué)院讀本科時就發(fā)明了太陽單色光照相儀，并使用它發(fā)現(xiàn)了太陽渦流和其他現(xiàn)象。后來，他率先建造了幾臺打破紀(jì)錄的太空望遠(yuǎn)鏡，包括位于葉凱士天文臺的40英寸（100厘米）口徑折射望遠(yuǎn)鏡和威爾遜山天文臺的60英寸口徑海爾反射望遠(yuǎn)鏡、100英寸口徑胡克反射望遠(yuǎn)鏡。

激起海爾畢生對光學(xué)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(yuǎn)鏡；他最后的項(xiàng)目是位于帕洛馬山天文臺的200英寸口徑海爾反射望遠(yuǎn)鏡，海爾于1938年逝世，這臺望遠(yuǎn)鏡直到他去世十年后才完工。

賀光學(xué)百年

“光學(xué)學(xué)會創(chuàng)建一百周年不僅是記錄學(xué)會和光學(xué)研究領(lǐng)域遺產(chǎn)的契機(jī)，更是一次探索激動人心的科技突破的未來的良機(jī)。光學(xué)研究仍然有巨大的潛力，能夠?qū)Ω侗姸嗵魬?zhàn)，譬如支持保健醫(yī)療的研究，繼續(xù)支持互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)性發(fā)展。我們僅僅處在光學(xué)技術(shù)應(yīng)用的起點(diǎn)，光學(xué)學(xué)會與會員們會繼續(xù)站在最前沿，推進(jìn)光學(xué)研究。”

——光學(xué)學(xué)會主席艾倫·威爾納（Alan Willner）

“光學(xué)學(xué)會是在科學(xué)合作成為挑戰(zhàn)的環(huán)境背景下成立的。學(xué)會的創(chuàng)建者預(yù)見到，有必要將行業(yè)和學(xué)術(shù)界里最具科學(xué)智慧的頭腦聚集在一起，分享彼此的想法，追逐技術(shù)突破。今日，學(xué)會為全球光學(xué)服務(wù)，擔(dān)當(dāng)催化劑的角色。我們對學(xué)會的科學(xué)家和公司領(lǐng)袖感到自豪，其中包括34位諾貝爾獎得主，他們會激發(fā)下一代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”

——光學(xué)學(xué)會首席執(zhí)行官伊麗莎白·羅根（Elizabeth Rogan）

“世紀(jì)中葉在光學(xué)上的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造出新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。比如說，先進(jìn)制造使用高能激光切割和粘合材料。近期發(fā)現(xiàn)引力波，也是因?yàn)榧す饧夹g(shù)才變得可能，它已經(jīng)開啟了一個可能存在種種發(fā)現(xiàn)的新領(lǐng)域，勢必永久改變天體物理學(xué)?！?/p>

——光學(xué)學(xué)會首席科學(xué)家格雷戈里·夸爾斯（Gregory J.Quarles）

用攝影術(shù)描繪未來

自從喬治·伊士曼（George Eastman）發(fā)明的柯達(dá)照相機(jī)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(jìn)入大眾市場后，照相機(jī)技術(shù)一直在進(jìn)步。1928年，美國光學(xué)學(xué)會創(chuàng)建了首個、也是最具威望的獎項(xiàng)，來表彰弗雷德里克·艾夫斯（Frederic Ives）。艾夫斯是現(xiàn)代照相凸版制版法的發(fā)明人，也是彩色攝影技術(shù)、三色印刷法和三維立體攝影技術(shù)方面的先驅(qū)。艾夫斯的兒子赫伯特（Herbert）在1924~1925年間擔(dān)任美國光學(xué)學(xué)會主席。

肯尼斯·米斯（C.E.Kenneth Mees）在伊士曼柯達(dá)公司工作的43年間，給科學(xué)攝影學(xué)帶來了眾多進(jìn)步，其中包括敏感的感光乳膠的研發(fā)工作，這項(xiàng)發(fā)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(xiàng)美國光學(xué)學(xué)會的獎項(xiàng)以米斯的名字來命名，以表紀(jì)念。

另一個奠基性的時刻發(fā)生在1947年美國光學(xué)學(xué)會的會議上，當(dāng)時寶麗來公司的共同創(chuàng)始人埃德溫·蘭德（Edwin Land）首次向公眾演示了他新發(fā)明的即時顯影裝置。在上世紀(jì)60年代到80年代的極盛時期里，寶麗來拍立得相機(jī)為數(shù)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(fā)明拍立得相機(jī)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?yàn)樗某删捅皇谟枇嗣绹鈱W(xué)學(xué)會名譽(yù)會員身份。

激光引領(lǐng)新紀(jì)元

電磁輻射的受激發(fā)射允許光相干放大和緊聚焦，產(chǎn)生一道顏色格外純凈的高能光束。這些獨(dú)一無二的特性使得激光有了廣泛的應(yīng)用，從雜貨店的掃描器、辦公室內(nèi)的打印機(jī)到精準(zhǔn)手術(shù)和精準(zhǔn)制造。

盡管愛因斯坦在1917年就描述了受激發(fā)射原理，直到1953年展示受激發(fā)射過程的設(shè)備才實(shí)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(xué)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(fā)射下的微波放大器”。這支研究團(tuán)隊(duì)后來發(fā)現(xiàn)，并不單單是他們在做這方面的研究：在蘇聯(lián)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(dú)立研發(fā)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(xué)獎。湯斯在1963年成為美國光學(xué)學(xué)會會員，他和普羅霍羅夫后來都被授予了光學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員身份。如今，微波激射器被運(yùn)用在原子鐘、射電望遠(yuǎn)鏡和與航天器聯(lián)絡(luò)的地面站上。

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

很快，一大波全新的激光技術(shù)接踵而來。20世紀(jì)60年代晚期，唐納德·赫里奧特（Donald Herriott）帶領(lǐng)的貝爾實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了第一臺連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器——紅外氦氖激光器。赫里奧特是美國光學(xué)學(xué)會的會員，后來還擔(dān)任學(xué)會主席。半導(dǎo)體二極管激光器不久后也出現(xiàn)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(jīng)在眾多科學(xué)、技術(shù)、醫(yī)療、軍事和工業(yè)應(yīng)用上扮演了核心角色。

通過光連接世界

在激光創(chuàng)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(xué)技術(shù)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(shù)千個互聯(lián)網(wǎng)連接和電視頻道傳遞編碼信息。

激光被人類發(fā)明后不久，科學(xué)家就開始探索激光如何能夠與波導(dǎo)管相互作用，其中包括了玻璃光纖。50年前，在英國標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室工作的美國光學(xué)學(xué)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(shù)據(jù)比當(dāng)時能獲得的最優(yōu)質(zhì)的玻璃纖維的表現(xiàn)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(xué)獎。

1970年，康寧玻璃公司科學(xué)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(chuàng)造了第一根電信級別的光纖。凱克后來被提名為美國光學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員。在20世紀(jì)80年代，美國光學(xué)學(xué)會會員、在南安普頓大學(xué)任教的大衛(wèi)·佩恩（David Payne）研發(fā)出了摻鉺光纖放大器，它利用受激后的鉺離子產(chǎn)生的受激發(fā)射來增強(qiáng)光信號，允許光信號傳播更遠(yuǎn)的距離。

用光譜學(xué)探索物質(zhì)

印度物理學(xué)家、美國光學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員拉曼（C. V.Raman）在1928年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(fā)現(xiàn)使得拉曼獲得了1930年度諾貝爾物理學(xué)獎，并被命名為拉曼效應(yīng)。它是拉曼光譜學(xué)的基礎(chǔ)，這項(xiàng)技術(shù)時至今日仍然被用來分析材料和生物學(xué)樣本的化學(xué)組成或“分子指紋”。

在20世紀(jì)60年代，激光當(dāng)即給光譜學(xué)帶來了收獲。激光的強(qiáng)勁、相干的光束在寬廣的波長范圍都可調(diào)諧，為研究原子和分子開辟了新的方法。后來擔(dān)任過美國光學(xué)學(xué)會主席的阿瑟·肖洛開拓了敏感技術(shù)，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(xué)學(xué)會會員、哈佛大學(xué)的尼古拉斯·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）采用四波混頻和其他非線性現(xiàn)象，擴(kuò)大了光譜研究可用的波長范圍——這是至關(guān)重要的一步，尤其是對于生物學(xué)上的應(yīng)用來說。肖洛和布隆伯根分享了1981年諾貝爾物理學(xué)獎的一半獎金。肖洛在1983年成為了美國光學(xué)學(xué)會榮譽(yù)會員，布隆伯根在1984年成為了美國光學(xué)學(xué)會榮譽(yù)會員。

攝影術(shù)數(shù)字化

1969年，被稱為“感光耦合組件”（CCD）的電子光傳感器被發(fā)明出來，標(biāo)志著攝影術(shù)數(shù)字新紀(jì)元的開始。在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的美國光學(xué)學(xué)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(xiàng)研究工作使得他們與別人分享了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。沒過多久，CCD就在眾多科學(xué)和消費(fèi)電子應(yīng)用上找到了用武之地；到了20世紀(jì)70年代中期，CCD成像裝置被裝載到衛(wèi)星和太空望遠(yuǎn)鏡上。一代代專業(yè)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)、攝像機(jī)和面向消費(fèi)市場的攝錄影機(jī)都是基于這項(xiàng)技術(shù)。

盡管對于大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)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(xù)被廣泛使用在諸如生物醫(yī)學(xué)成像、夜視裝置、天文學(xué)等專業(yè)應(yīng)用上。比如說，斯隆數(shù)字巡天使用54個CCD來產(chǎn)生迄今為止最大規(guī)模的統(tǒng)一化巡天數(shù)據(jù)。

美國光學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員伽博·丹尼斯（Dennis Gabor）在20世紀(jì)40年代晚期發(fā)明了全息技術(shù)，他為此榮獲了1971年諾貝爾物理學(xué)獎。在激光發(fā)明之后，美國光學(xué)學(xué)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(xué)研發(fā)出了現(xiàn)代全息技術(shù)，同時在1962年，蘇聯(lián)瓦維洛夫國立光學(xué)研究所的尤里·丹尼蘇克（Yuri Denisyuk）也獨(dú)立研發(fā)出了此技術(shù)?，F(xiàn)代全息技術(shù)能夠在攝影膠片上捕捉到三維真實(shí)世界的物體。研究迅速引起全球范圍對全息術(shù)的興趣。

激光冷卻產(chǎn)生新的物質(zhì)狀態(tài)

1985年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣文（Steven Chu）、巴黎高等師范學(xué)校的克洛德·科昂-唐努德日（Claude Cohen-Tannoudji）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的威廉·菲利普斯（William Phillips）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)構(gòu)思出一套復(fù)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(xué)領(lǐng)域的全新而重要的實(shí)驗(yàn)開啟了大門，因?yàn)樗鼈冊试S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?yàn)檫@個研究工作而獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎；朱棣文后來擔(dān)任了第12任美國能源部長。上述三位都是光學(xué)學(xué)會的名譽(yù)會員。

1995年，光學(xué)學(xué)會會員、實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)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(xué)院工作的沃爾夫?qū)た颂乩眨╓olfgang Ketterle）創(chuàng)造出一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，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(jì)20年代做出預(yù)測，顯示出宏觀量子現(xiàn)象，為基礎(chǔ)物理學(xué)的全新實(shí)驗(yàn)方法鋪平道路，這些實(shí)驗(yàn)方法還有潛力促成技術(shù)創(chuàng)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(xué)獎。從那時起，許多同位素、分子、準(zhǔn)粒子和光子都產(chǎn)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(jìn)步為學(xué)者鋪平了道路，光學(xué)學(xué)會會員、馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的特奧多爾·亨施（Theodor Hansch）和實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所的約翰·霍爾（John Hall）一起創(chuàng)造出超精準(zhǔn)光學(xué)頻率梳，這項(xiàng)研究讓他們榮獲了2005年諾貝爾物理學(xué)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(zhǔn)的領(lǐng)域得到了無數(shù)應(yīng)用。它們也是光學(xué)原子鐘、高精準(zhǔn)光譜學(xué)和GPS技術(shù)的基礎(chǔ)。它們獨(dú)一無二的特性對于基礎(chǔ)物理學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)也是一次恩賜，譬如主要用于基本常數(shù)測量的高靈敏度測試，以及用于追蹤化學(xué)反應(yīng)如何進(jìn)行的過程。亨施在2008年被授予了光學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員身份。

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

顯微鏡學(xué)揭露出不可見一面

20世紀(jì)里，顯微鏡學(xué)有著了不起的發(fā)展。在20世紀(jì)30年代，光學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員、格羅寧根大學(xué)的弗里茨·塞爾尼克（Frits Zernike）研發(fā)了相襯顯微技術(shù)，它以某種方式結(jié)合了被透明標(biāo)本散射后的光線和背景中未被散射的光線，創(chuàng)造出以前只有當(dāng)細(xì)胞被殺死并染色后才能看見的結(jié)構(gòu)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(xì)胞和它們的細(xì)胞器官。盡管這位荷蘭物理學(xué)家的發(fā)明的重要性沒有立刻被人們認(rèn)識到，但是當(dāng)?shù)聡婈?duì)在1941年清點(diǎn)所有可能為二戰(zhàn)服務(wù)的發(fā)明物時，相襯顯微鏡被列在首位。戰(zhàn)后，數(shù)千臺相襯顯微鏡被制造出來，迅速成為了生物醫(yī)學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。塞爾尼克被授予1953年度諾貝爾物理學(xué)獎。

激光的出現(xiàn)以及熒光蛋白標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，催生出新的顯微方法，用來觀察復(fù)雜的生物過程，譬如基因表達(dá)、神經(jīng)元發(fā)育和癌細(xì)胞擴(kuò)散。光學(xué)學(xué)會會員莫爾納爾（W.E.Moerner）和光學(xué)學(xué)會會員斯特凡·赫爾（Stefan Hell）、埃里克·白茲格（Eric Betzig）以那些發(fā)展為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研發(fā)出“超分辨率顯微技術(shù)”，這個類別的技術(shù)使用激光激發(fā)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?yōu)榇朔窒砹?014年度諾貝爾化學(xué)獎。

LED照亮可持續(xù)發(fā)展之路

壽命長、高效節(jié)能的LED在現(xiàn)今為科學(xué)儀器、消費(fèi)電子產(chǎn)品、一般固態(tài)照明和許多其他技術(shù)提供光亮，它的制造已經(jīng)有幾十年的歷史。20世紀(jì)60年代初期，得州儀器公司的工程師以20世紀(jì)初的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，取得了第一個能實(shí)際使用的LED專利。因?yàn)樵贚ED進(jìn)入消費(fèi)市場的頭十年里，只有紅光LED，所以早期的那些LED大多數(shù)被當(dāng)成指示燈來使用。

20世紀(jì)70年代，新的半導(dǎo)體材料出現(xiàn)后，綠光、橘光和黃光的LED成為可能，但藍(lán)光——生成白光時的關(guān)鍵顏色——LED仍然無法制造。直到1993年，光學(xué)學(xué)會會員天野浩、赤崎勇和中村修二才創(chuàng)造出第一個實(shí)用的藍(lán)光LED。不久后，結(jié)合了不同顏色的白光LED也出現(xiàn)了。后來，研究者研發(fā)出好幾種其他方法來用制造白光LED，包括有一項(xiàng)技術(shù)是將藍(lán)光或紫外線LED涂上發(fā)出多種顏色光的磷光劑。因?yàn)檠邪l(fā)出高效藍(lán)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(xué)獎。

如今，LED是眾多儀器設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品中的基本部件，從數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、紅綠燈到智能手機(jī)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(diǎn)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(huán)境成本。LED正在改變?nèi)祟愖≌?、辦公室和街道的照明方式。

光學(xué)的光明未來

光學(xué)學(xué)會成立一百周年以來，已經(jīng)從一個小團(tuán)體成長為一個全球性團(tuán)體，學(xué)會中有19 275名科學(xué)家、工程師和其他專業(yè)人士，他們都投入在推進(jìn)光學(xué)和光子學(xué)的知識和應(yīng)用事業(yè)上。

近期觀測到引力波一事，只是許多引人注目的科學(xué)成就中的一項(xiàng)而已，這些成就都是因?yàn)楣鈱W(xué)研究和以光學(xué)為基礎(chǔ)的技術(shù)的發(fā)展才變成可能。想象一下，假如美國光學(xué)學(xué)會的創(chuàng)立者們在1916年能瞥見之后100年間種種不可思議的發(fā)展，他們會想些什么。盡管今時今日光學(xué)的某些能力也許看起來像是20世紀(jì)初的基本原理和前沿技術(shù)的合理延伸，但許多現(xiàn)在被視為理所當(dāng)然的工具和技術(shù)在當(dāng)時會看起來像純粹的科幻小說。

在未來的幾年里，可以預(yù)計(jì)光學(xué)領(lǐng)域會有眾多令人激動的新進(jìn)展，從最切實(shí)際的到充滿奇想的進(jìn)展。通訊和信息技術(shù)仍然是發(fā)展活躍的領(lǐng)域，研究者和工程師在研究低損耗光纖、高速網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域即將開始成像、治療學(xué)和微創(chuàng)手術(shù)上的創(chuàng)新。當(dāng)基于光的傳感器變得越來越復(fù)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(jìn)的衛(wèi)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(jīng)驗(yàn)是未來的指針，那么隨著光學(xué)學(xué)會步入第二個一百年，我們能期待在基礎(chǔ)物理學(xué)、天文學(xué)和地球科學(xué)上出現(xiàn)驚人的進(jìn)展。

［資料來源：Physics Today］［責(zé)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(chuàng)意科學(xué)寫作”工作室的成員，也是多媒體科學(xué)傳播人士。