从20年代开始，科学家们就试图运用爱因斯坦的光电子理论，通过对光电子的研究来获取物质内部的信息。然而，由于仪器分辨率一直不高，多年来没有重大进展。20世纪50年代中期，西格班和他的同事们将研究β射线能谱的双聚焦能谱仪用于分析X射线光电子的能量分布，发明了具有高分辨率的光电子能谱仪。他们研究了电子、光子和其他粒子轰击原子后发射出来的电子，并系统地测量了各种化学元素的电子结合能。后来，他们又发展了用于化学分析的电子能谱学，开创了一种新的分析方法，即所谓的X射线光电子能谱学或化学分析电子能谱学。X射线光电子能谱学是化学上研究电子结构、高分子结构和链结构的有力工具。西格班开创的光电子能谱学为探测物质结构提供了非常精确的方法。

布洛姆伯根被公认为是非线性光学的奠基人。他和他的同事们从以下三个方面为非线性光学的发展奠定了理论基础：(1)关于物质对光波场的非线性响应及其描述方法；(2)关于光波之间的相互作用以及光波与物质激发之间的相互作用的理论；(3)关于光通过界面时的非线性反射和折射的理论。布洛姆伯根将各种非线性光学效应应用于原子、分子和固体光谱学的研究，逐渐形成了激光光谱学的一个新的研究领域，即非线性光学的光谱学。在非线性光学的研究中，他建立了许多非线性光学的光谱学方法。其中，最为重要的是“四波混频”法，即利用三束相干光的相互作用在另一方向上产生第四束光，以便产生红外波段和紫外波段的激光。利用这一方法及共振增强效应，可以高精度地确定原子、分子或固体中的能级间隔。此外，他还提出了一个能够描述液体、金属和半导体等物质的非线性光学现象的理论。布洛姆伯根对非线性光学的发展以及对一系列非线性效应的发现，大大地扩展了激光波长的范围，使适用于光谱学研究的激光波段从紫外区、可见光区一直覆盖到近、远红外区。