1959年10月，32歲的西奧多·梅曼（Theodore Maiman）隻是一名籍籍無名的年輕物理學家。當時，他正著手利用一顆粉紅色的紅寶石晶體(ti) ，製造出被稱為(wei) “光學激射器”（optical maser）的東(dong) 西。項目開始得並不順利。梅曼所在的實驗室的其他人紛紛質疑這項研究的意義(yi) 。然而，梅曼的堅持證明了他們(men) 都是錯誤的。

　　1960年5月16日，梅曼成功創造出了一種自然界沒有的光，徹底改變了曆史的進程。在此之前，光的研究都仍限於(yu) 對來自恒星、蠟燭、電燈等光源提供的照明。這些光源都包含大量以獨立、隨機的方式釋放儲(chu) 存的能量的原子或分子，這是一種被稱為(wei) 自發發射的過程。而梅曼則成功地讓原子以一種協調的方式釋放它們(men) 的光，在他所設計的裝置中，一個(ge) 原子的發射會(hui) 誘發其他原子的發射，這便是所謂的受激發射，標誌著通過受激輻射產(chan) 生的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）——激光（LASER）的誕生。

梅曼與(yu) 他的激光器（1960年7月）。| 圖片來源：Wikipedia梅曼與(yu) 他的激光器（1960年7月）。| 圖片來源：Wikipedia

　　激光的橫空出世並不能歸結於(yu) 一個(ge) 人的發明創造，而是幾十年的科學觀察和想法的結晶。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了光子存在的假設。他利用光同時具有波和粒子的性質，成功地解釋光電效應，這是一種電子因為(wei) 光入射到金屬板上而從(cong) 表麵溢出的效應。1917年，他開始思考光子是如何從(cong) 原子中發射出來的問題。在一篇題為(wei) 《輻射的量子理論》的論文中，他提出了原子與(yu) 光子的相互作用可能存在三個(ge) 不同的過程：吸收（即一個(ge) 原子吸收一個(ge) 光子並獲得能量，成為(wei) 激發態的過程）、自發發射（即一個(ge) 受激原子通過釋放一個(ge) 光子而失去能量的過程）、受激發射（即一個(ge) 受激原子在另一個(ge) 光子的激發下釋放出一個(ge) 光子，而失去能量的過程）。

　　1953年，物理學教授查爾斯·哈德·湯斯（Charles Hard Townes）與(yu) 他的研究生詹姆斯·戈登（James Gordon）和赫伯特·蔡格（Herbert Zeiger）製造出了第一個(ge) 可運行的微波激射器（MASER），這是一種可以發射出相幹的微波輻射脈衝(chong) 的設備。與(yu) 此同時，蘇聯的尼古拉·巴索夫（Nikolay Basov）和亞(ya) 曆山大·普羅霍羅夫（Aleksandr Prokhorov）也獨立研發出了他們(men) 自己的版本，可以發射連續的微波光束，而不是一係列的脈衝(chong) 。

　　在MASER出現之後，許多研究人員開始轉向製造出這種設備的“可見光”版本，其中就包括湯斯以及貝爾實驗室的阿瑟·倫(lun) 納德·肖洛（Arthur Leonard Schawlow）。最初他們(men) 稱這種設備最初被稱為(wei) “光學激射器”。這種新設備的挑戰在於(yu) 尺寸，可見光的波長比微波的要短得多，而器件的設計需要與(yu) 波長相當，這極大地增加了新器件的製造難度。盡管如此，貝爾實驗室還是在1958年成功申請了第一項關(guan) 於(yu) 光學激射器的專(zhuan) 利。大約在同一時間，哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的一位名叫戈登·古爾德（Gordon Gould）的學生發表了現在被稱為(wei) “激光”的想法。

1957年，古爾德在實驗室筆記的第一頁中定義(yi) 了“激光”一詞。| 圖片來源：AIP Emilio Segre Visual Archives1957年，古爾德在實驗室筆記的第一頁中定義(yi) 了“激光”一詞。| 圖片來源：AIP Emilio Segre Visual Archives

　　1960年，在休斯研究實驗室工作的梅曼成為(wei) 了第一個(ge) 創造出可運行的激光設備。它將一種合成的紅寶石晶體(ti) 作為(wei) 受激發射的介質，紅寶石晶體(ti) 被製作成立方體(ti) 的形狀，它會(hui) 吸收光線。梅曼在紅寶石的兩(liang) 端添上了一層銀鏡，其中一層比另一層更薄，可以讓一些光以光束的形式逸出。他用一根閃光管來給晶體(ti) 的原子提供能量，並將整個(ge) 裝置放置在一個(ge) 拋光過的鋁管中。最終，他成功的讓裝置發射出高亮度、高強度的單色紅光脈衝(chong) 。激光時代從(cong) 此到來。

1960年，梅曼在《自然》雜誌上發表的論文。| 圖片來源：Wikipedia1960年，梅曼在《自然》雜誌上發表的論文。| 圖片來源：Wikipedia

　　梅曼將這一成果發表在《自然》雜誌上，題為(wei) 《紅寶石中的受激光輻射》（Stimulated Optical Radiation in Ruby)。這篇文章中隻含有兩(liang) 張簡單的圖，總字數不到300。而且有別於(yu) 現代的許多重要發表，這篇文章甚至沒有一個(ge) 結尾段落來暢想這一發現有可能導致怎樣的科學和技術進步。在文中，梅曼所提供的設備設計圖非常簡單。60年過去了，科學家和大眾(zhong) 都已將激光以及激光的諸多應用視作所當然的事，這在一定程度上導致許多人忽視了激光在科學研究中所起到的關(guan) 鍵作用。

　　自1960年以來，許多諾貝爾物理學獎被授予了激光領域或由激光做出的成果的領域。梅曼本人曾兩(liang) 次被提名諾貝爾物理學獎，卻從(cong) 未獲獎；1964年，湯斯、巴索夫，以及普羅霍羅夫獲得該獎，以表彰他們(men) 在量子電子學領域所做的基本工作，導致了基於(yu) 激光原理的振蕩器和放大器的構建。1966年，阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）因其光泵技術再次獲獎。

　　不久之後，大量不同的製造激光的新機製開始湧現。在20世紀後半葉，激光成為(wei) 了研究、醫藥和工業(ye) 的重要工具。在過去的20多年裏，更多的諾貝爾獎被授予了因為(wei) 激光的使用而成為(wei) 可能的科學技術。例如，利用超高速激光進行精確的頻率測量的光學頻率梳，它在計量、光譜學和天文學等領域等具有廣泛應用；再比如光鑷是另一種利用激光的新技術，它可以用於(yu) 拾取和移動微小的粒子。2018年的諾貝爾物理學獎再一次頒發給了激光物理學，獲獎者之一阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）就是光鑷的發明者，另外兩(liang) 名獲獎者熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）和唐娜·斯特裏克蘭(lan) （Donna Strickland）則為(wei) 創造出最短且最強的激光脈衝(chong) 鋪平了道路。

　　激光的出現給我們(men) 帶來無數美好的驚喜，它以前所未有的方式揭示了光與(yu) 物質的不同尋常的相互作用，並催生了非線性光學這一碩果累累的科研領域。從(cong) 梅曼在1960年5月16日首次成功使用激光至今，整整60年過去了。在過去的60年中，激光在光譜學、外科手術、生物學和分子成像以及一係列其他領域都得到了重要應用，為(wei) 科學和社會(hui) 帶來革命性的變化。

　　參考鏈接：

　　https://www.cambridgeblog.org/2020/04/a-brief-history-of-lasers-60th-anniversary-of-the-laser/

　　https://www.osa.org/en-us/history/milestones/laser_60th/

　　https://www.nature.com/articles/s42254-020-0181-9

　　https://doi.org/10.1038%2F187493a0

　　https://physicsworld.com/a/six-decades-of-laser-science/

　　https://www.wired.com/2008/05/dayintech-0516-2/