1916年6月，也就是一个世纪前，Albert Einstein预言了时空结构的涟漪——引力波的存在。2016年早些时候，全球1000多名科学家通力合作，使用由镜子和激光组成的极其灵敏的天线，证实了引力波的存在。和许多载入史册的科学成就一样，这个最新的里程碑式发现也是建立在无数的理论、观测和技术创新的基础之上。在这样一个时代,有更多的突破性技术让我们能够以前所未有的深度和精度观察我们的世界,有更多的人把自己的一生奉献给科学事业，有更多的科学分支来拓展我们知识的边界。

2016是美国光学学会成立100周年，这是一个由光学专业人士和学生组成的世界性团体。在过去的一个世纪里，研究者和消费者都享受到了光科技的急剧扩张带给我们的益处。在许多领域，光学的发展都引领了20世纪至今的现代物理学的进步。长期以来，应用光学和光谱学在物理学的新发现中起着核心作用;反过来，新物理学也推动了光学和光子学的发展，为空间、时间和物质的研究创造了强大的工具。例如，激光已经成为科学研究中不可缺少的工具。拥有惊人灵敏度的固态探测器从地球上的望远镜到火星上的照相机都有所应用。激光冷却技术使我们以前所未有的方式探索量子世界，激光频率梳技术大大扩展了基础科学和应用科学的测量精度。

但这份清单还远未结束。在这篇文章中，我们将对过去一个世纪以来光学的里程碑式进步和让我们从中得到无数好处的先驱科学家们进行一次梳理。你可以访问OSA一百周年纪念网站了解更多。

一个领域的成熟促成了一个学会的诞生

在1916年光学学会诞生之前的50年里，我们对光的理解和应用有了巨大的进步。19世纪60年代，麦克斯韦首先将光的本质确定为电磁波。19世纪末，我们看到了光电照明技术应用的曙光。1905年，爱因斯坦对光电效应的描述表明：光是由离散的能量——光子构成的。对光的双重理解——光子和波，引发了各种工程创新。

第一次世界大战在欧洲肆虐之际，对技术创新的需求日益迫切。在这种背景下，华盛顿标准局的科学家Perley Nutting认识到，需要为光学工程和技术建立一个有组织的科学家园。在搬到纽约的罗彻斯特之后，Nutting开始在伊士曼柯达公司(Eastman Kodak)工作，他和一些当地的知名人士组成了"罗彻斯特应用光学协会"(Rochester Association for the Advancement of Applied Optics)。在一年之内，这个组织扩大了它的野心和影响力，在1916年成立了美国光学学会(OSA)，其重点是推进应用光学。1916年12月28日，该学会在哥伦比亚大学召开了第一次会议，开启了光科学的新纪元。

光学的进步给宇宙带来了新的光明

20世纪初，科学家们在理解宇宙方面取得了重大突破，这在很大程度上要归功于用于观察天空的光学技术的进步。

著名天文学家George Ellery Hale担任了OSA的第一任副主席。1916年，他被授予了最杰出荣誉会员奖项，这个奖每年只授予一名成员。Hale在麻省理工学院(MIT)读本科时就发明了太阳摄谱仪，并利用它发现了太阳涡旋和其他现象。后来，他带头建造了破纪录的望远镜，包括耶基斯天文台的40英寸(100厘米)折射望远镜，以及威尔逊山天文台的60英寸Hale和100英寸Hooker反射式望远镜。

Hale一生对光学的热爱是由他父母小时候给他买的一台小小显微镜激发的。他在14岁时建造了第一个望远镜。他的最后一个项目是帕洛玛天文台的200英寸Hale反射式望远镜，这台望远镜在1938年他去世10年后完成。

用摄影描绘未来

伴随着经典的广告语："只要你按下按钮，其他的我们来做"，George Eastman的柯达相机在1888年上市了。在这之后，照相技术一直在不断进步。

1928年，OSA设立了第一个也是最负盛名的奖项，用来纪念现代凸版照相印刷术的发明者Frederic Ives。Ives也是彩色摄影、三色印刷和立体摄影的先驱。Ives的儿子Herbert于1924年-1925年担任了OSA的主席。

另一位杰出人士C. E. Kenneth Mees，在伊士曼柯达公司(Eastman Kodak)工作的43年里，也为科学摄影带来了诸多进步，包括开发了能够捕捉微弱天文图像的感光乳剂。1961年，在他死后，一个OSA奖项以他的名字命名以纪念他。

另一个突破性的时刻出现在1947年的OSA会议上，当时宝丽来的联合创始人Edwin Land首次向公众展示了他的新型实时摄影系统。从20世纪60年代到80年代，宝丽来拍立得相机处于全盛时期，Land说这款相机的灵感来自于他三岁的女儿的问题：为什么我现在不能看到这些照片? 1972年，Land因他的成就被授予OSA荣誉会员。

激光开创了一个新时代

受激发的电磁辐射让光被连续放大和密集聚焦，从而创造出一种非常纯净的高能光束。这些独特的特性让激光从商店扫描仪到办公室打印机再到精密外科手术等各种领域都得到了广泛的应用。

虽然爱因斯坦在1917年就已经描述了受激辐射的基本原理，但是直到1953年，第一个展示这个过程的装置才被制造出来。那一年，哥伦比亚大学的Charles Townes, James Gordon和 Herbert Zeiger发明了被称作"微波激射器"（maser）的装置。这个研究小组后来发现，他们并不是孤军奋战:在苏联的列别捷夫物理研究所，Aleksandr Prokhorov和Nicolay Basov几乎同时独立地开发出了另一一种微波激射器。Townes, Prokhorov和Basov共同获得了1964年的诺贝尔物理学奖。Townes在1963年成为了OSA成员，他和Prokhorov后来都被授予OSA荣誉会员。如今，微波激射器被用在原子钟、射电望远镜以及与宇宙飞船通信的地面站等各种装置上。

1960年，在休斯研究实验所的Theodore Maiman开发出激光（laser）之后，微波激射器技术从微波频段扩展到了可见光频段。他的发明基于Townes和 Arthur Schawlow的理论工作，这一技术改变了许多领域的游戏规则。

一大波新的激光技术紧随其后。后来在1960年，贝尔实验室的Donald Herriott，发明了第一个持续运行的激光器，一个氦氖激光器。他是OSA成员，后来成为了OSA主席。半导体二极管激光器也很快出现了。激光在许多科学、技术、医疗、军事和工业应用中都发挥了核心作用。

通过光连接世界

在激光创造的所有社会变革中，也许没有什么比它对通信的影响更重要。激光是光纤技术的核心，而光纤技术将全世界的人们连接在一起。一束激光沿着一缕玻璃传输，可以为50多万次电话交谈、数千次互联网连接来编码信息。

激光发明后不久，科学家们就开始研究它如何与包括玻璃光纤在内的波导相互作用。五十年前，OSA的成员，英国电讯标准实验室的Charles Kao和George Hockham意识到提高玻璃的纯度可以使光信号的传输距离达到100公里，大约是当时最好的玻璃纤维传输距离的五倍。Kao，今天被称为光纤之父，因为他的工作获得了2009年诺贝尔物理学奖。

1970年，康宁玻璃公司的科学家Peter Schultz, Robert Maurer和Donald Keck创造了第一个电信级光纤，他们后来都被授予了OSA荣誉会员的称号。

上世纪80年代，英国南安普顿大学的OSA研究员David Payne开发了掺铒的光纤放大器，这个放大器利用铒离子来增强光信号，使其能够传输更远的距离。

利用光谱探索物质

印度物理学家、OSA荣誉会员Raman在1928年发现，当一种透明物质散射一束单色光时，会导致散射光频率的变化，这种变化反映了这种物质的特点。这一发现为他赢得了1930年的诺贝尔物理学奖，这种效应也被称为拉曼效应，它是今天拉曼光谱技术的基础。拉曼光谱现在被用来分析材料的化学组成。

在20世纪60年代，激光很快带来了光谱学上的进步。它的强而相干的光束可以在很宽的波长范围内进行调谐，为研究原子和分子开辟了新的途径。后来担任OSA主席的Schawlow开创了敏感技术，这种技术使人们在测量氢谱线时达到了以前难以想象的精度。哈佛大学的OSA研究员Nicolaas Bloembergen用四波混合和其他非线性现象来解释光谱研究的波长范围，这是其生物应用的关键一步。Schawlow和Bloembergen分享了1981年的诺贝尔物理学奖。1983年，Schawlow成为OSA荣誉会员;1984年, Bloembergen也成为了OSA荣誉会员。

摄像走向数码时代

1969年发明的电荷耦合器件(CCD)电子光传感器标志着摄影的数字时代开始了。OSA成员Willard Boyle和贝尔实验室的George E. Smith开发了让CCD得以工作的核心程序，这为他们赢得了2009年的诺贝尔物理学奖。没过多久，CCD就进入了众多的科学和消费应用领域；到20世纪70年代中期，CCD成像设备被安装在卫星和望远镜上。一代又一代的专业数码相机和摄像机都是基于这项技术。

尽管对于大多数的家用电子产品，CCD现在已经被CMOS技术所取代，但CCD仍然广泛应用于生物医学成像、夜视设备，特别是天文学等特殊领域。例如，目前规模最大的斯隆数字巡天望远镜(Sloan Digital Sky Survey)使用了54台CCD。

激光发明后,OSA的成员Emmett Leith、密歇根大学的Juris Upatnieks和苏联Vavilov国家光学研究所的Yuri Denisyuk 在1962年开发了现代全息技术，这种技术可以在摄影胶片上捕捉真实世界的三维物体图像。这项研究很快引起了全世界对全息术的兴趣。

激光冷却产生一种新的物质状态

1985年，贝尔实验室的Steven Chu，巴黎高等师范学院的Claude Cohen- Tannoudji和NIST的William Phillips领导的团队通过复杂的设计，用激光将原子冷却到微开尔文到纳米开尔文级别的温度。他们的方法让研究人员能够在接近绝对零度的温度下减慢原子速度并观察它们，从而开启了量子物理学的新大门。Chu，Cohen-Tannoudji和Phillips因为他们的杰出工作而获得了1997年诺贝尔物理学奖;Chu后来成为美国第12任能源部长。他们都是OSA的荣誉会员。

OSA成员Eric Cornell、JILA的Carl Wieman和MIT的Wolfgang Ketterle在1995年创造了一种新的物质状态——玻色爱因斯坦凝聚态，他们所使用的核心技术就是激光冷却。玻色爱因斯坦凝聚态最早是由Satyendra Bose和Einstein在20世纪20年代提出的，它宏观地展示了量子现象，为基础物理学和潜在的革命性新实验方法铺平了道路。研究人员通过将碱金属原子冷却到接近绝对零度来获得它们的凝聚态,这项工作为他们赢得了2001年的诺贝尔物理学奖。从那以后，许多同位素、分子、准粒子和光子都产生了凝聚态。

频率梳将精度提高到一个新的水平

超快激光技术的进步为OSA研究员、Max Planck量子光学研究所的Theodor Hänsch和JILA的John Hall创造超精密光学频率梳铺平了道路，这项工作让他们分享了2005年的诺贝尔物理学奖的一半。这些测量光频率的工具在需要高精度的领域中得到了大量的应用,它们是光学原子钟、高精度光谱学和GPS技术的基础。它们独特的特性也为基础物理实验提供了便利，比如用于测量基本常数或者以高灵敏度追踪化学反应过程。Hänsch在2008年被授予OSA荣誉会员。

2005年诺贝尔物理学奖的另一半授予了哈佛大学的Roy Glauber，他在光学相干量子理论方面的研究奠定了量子光学的基础，这个学科专注于光与物质在亚微观层面的相互作用。

显微技术带领我们走进看不见的世界

20世纪见证了显微技术的巨大进步。20世纪30年代，Groningen大学的OSA荣誉会员Frits Zernike发明了相差显微镜，它将透明标本散射的光线与背景未散射的光线结合在一起，产生了以前只有在杀死或者染色细胞之后才能被看到的高对比度结构图像。这项技术让研究人员能够直接观察活细胞及其细胞器。尽管这名荷兰物理学家的发明的重要性并未立即得到认可，但1941年德国军方对所有可能在二战中发挥作用的发明进行了评估，相差显微镜排在首位。战争结束后，成千上万的相差显微镜被制造出来，并迅速成为生物医学研究的标准设备。Zernike后来被授予了1953年的诺贝尔物理学奖。

激光的出现以及荧光蛋白标记技术的使用促进了新显微技术的诞生，我们开始能够观察到复杂的生物过程，比如基因表达、神经元的发育和癌细胞的扩散。OSA研究员W. E. Moerner和OSA的成员Stefan Hell、Eric Betzig建立和发展了超分辨显微技术。这种技术使用激光激发荧光来克服衍射极限并产生单个分子的图像。他们共同获得了2014年的诺贝尔化学奖。

LED为可持续发展指明了道路

如今，为科学设备、家用电子产品、普通固态照明和许多其他技术提供光源的是长效、节能的LED。这是一项酝酿了几十年的技术，它基于20世纪初的发现。德州仪器的工程师在20世纪60年代初申请了第一个实用的LED专利。在此之后的十年时间里，市场上的LED灯只有红色，所以早期的LED灯大多被用作指示灯。

20世纪70年代新半导体材料的出现使绿色、橙色和黄色的LED成为可能，但蓝色仍是制造白光的关键颜色。直到1993年，OSA成员Hiroshi Amano, Isamu Akasaki和Shuji Nakamura发明了第一个实用的蓝色LED。此后，组合了不同颜色的白色LED很快出现。后来，研究人员开发出了其他几种利用发光二极管产生白光的方法，其中一种是将蓝色或紫外发光二极管涂上能发出多种颜色光的荧光粉。Amano, Akasaki和Nakamura凭借他们所开发的高效蓝光LED获得了2014年的诺贝尔物理学奖。

如今，从数据传输系统到交通灯再到智能手机屏幕，LED已经成为各种设备和家用电子产品的重要组成部分。他们卓越的效率、小尺寸和长寿命使他们具有广泛的应用前景，同时在能源和材料方面的环境成本也很低。它们通过点亮我们的家、办公室和街道改变了我们的生活。

光学的光明前景

成立一百年后，OSA已经从一个小众团体发展成一个由19275名科学家、工程师和其他专业人士组成的多元化的世界共同体，致力于推进光学知识的进步和应用。

最近引力波的发现只是光学研究和光基技术的进步所带来的诸多杰出科学成就之一。想象一下，如果1916年，OSA的创始人能够看到未来100年里的这些不可思议的发现，他们会有何感想。尽管今天的某些技术可能看起来像是20世纪早期的基本物理原理和先驱技术的合理延伸，但是更多我们现在认为理所当然的工具和技术在当时看来都像是纯粹的科幻小说。

从实践到幻想，在未来的几年里将会有大量令人兴奋的新进展。通信和信息技术仍然是活跃的发展领域，研究人员和工程师正在追求更低损耗的光纤、更快的网络。生物医学领域在成像、治疗和微创手术等方面也有了惊人的创新。随着光基传感器变得越来越复杂，它们的用途几乎是无限的。即使是看起来很科幻的隐形斗篷和激光推进卫星也可能比我们想象的更接近现实。

光学发展史

1916年：Perley Nutting创立了美国光学学会（OSA），并担任其首任主席。

20世纪初：有影响力的天文学家和OSA副主席George Ellery Hale在这里展示了他在本科时发明的光谱太阳仪，这使得威尔逊山天文台成为当时的主流天文台。

1931年：Albert Einstein访问了加州理工学院，Albert Michelson (左)开发了用于现代天文台的干涉仪设计， Robert Millikan (右)测量了电子的电荷并验证了光电效应。

1947年：在光学学会的一次会议上Edwin Land展示了将成为宝丽拍立得相机的胶片。

20世纪50年代：Aleksandr Prokhorov，Charles Townes和Nicolay Basov(从左到右)分享1964年诺贝尔物理学奖。

1960年：Theodore Maiman演示了第一束激光。该设备将成为开发科学设备的游戏规则改变者，并将在从医药到家用电子产品的各个领域找到自己的道路。

1969年：Elsa Garmire探索用激光创造艺术的方法。她后来开发包括激光、波导和探测器等增强光学通信的设备并申请了专利。她在1993年担任OSA主席。

20世纪70年代中期：CCD被迅速地应用于包括卫星和望远镜在内的各种各样的科学应用领域。这个设计用于紫外线探测，能够观察到宇宙中非常微弱的物体。

1981年：Arthur Schawlow获得了诺贝尔物理学奖。1975年，OSA主席正在用一个装有真正激光的玩具枪在一个双气球上射击。枪会弹出里面的蓝色气球，但不会弹出外面的透明气球。

1993年：一种实用的蓝色LED的开发是高效照明技术的重大突破。

1995年：Eric Cornell, Wolfgang Ketterle和Carl Wieman使用激光冷却来实现物质的新状态——玻色爱因斯坦冷凝物;他们获得2001年诺贝尔物理学奖。从左到右:冷凝物形成前冷铷原子云的密度分布图、冷凝物的外形以及进一步冷却后的近乎纯冷凝物。

2005年：诺贝尔物理学奖认可频率梳，其惊人的精确测量在时间保持、空间导航、基础物理、光谱学等方面都有收获。

2014年：Eric Betzig, Stefan Hell和W. E. Moerner共同获得了诺贝尔化学奖，以表彰他们开发了超分辨率显微镜技术。