激光之父：1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主湯斯博士

朱安遠(yuǎn)

[摘要]美國(guó)實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家、發(fā)明家和教育家查爾斯·湯斯是微波激射器（Maser）的主要發(fā)明者和激光器（Laser）的先驅(qū)者之一，與前蘇聯(lián)（現(xiàn)俄羅斯）物理學(xué)家和微波波譜學(xué)家巴索夫以及普羅霍羅夫分享1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，還與多人共享“激光之父”之美譽(yù)。激光技術(shù)是20世紀(jì)人類(lèi)的重大技術(shù)發(fā)明之一，為了紀(jì)念湯斯教授逝世1周年并寄托筆者的深情哀思，特撰寫(xiě)出此長(zhǎng)文。筆者在此全面介紹了湯斯教授的生平與家庭成員；主要學(xué)術(shù)成就與貢獻(xiàn)；與中國(guó)的淵源以及所獲雅稱(chēng)、獎(jiǎng)項(xiàng)與榮銜，重點(diǎn)梳理出激光技術(shù)波瀾壯闊發(fā)展歷程的整個(gè)脈絡(luò)和概貌，還順便簡(jiǎn)介了并非激光器的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的發(fā)展概況，簡(jiǎn)明扼要地闡述了諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)中與激光技術(shù)密切相關(guān)的有關(guān)情況。

[關(guān)鍵詞]查爾斯·湯斯；能級(jí)（能態(tài)）；躍遷；受激輻射；微波波譜學(xué)；核磁共振；拉比樹(shù)；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；微波激射器（Maser）；量子電子學(xué)；工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）；泵浦源；光泵浦；光諧振腔；激光（Laser）；紅寶石激光器；激光技術(shù)；光纖通信（光通信）；網(wǎng)絡(luò)；全息攝影術(shù)；精密測(cè)量；激光冷卻技術(shù)；玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）；發(fā)光二極管（LED）；發(fā)明專(zhuān)利；諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.01.190

1 湯斯先生生平與家庭成員圖1 查爾斯·湯斯教授

美國(guó)實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家、發(fā)明家和教育家查爾斯·哈德·湯斯（見(jiàn)圖1，Charles Hard Townes，1915.07.28—2015.01.27，屬相：卯兔，星座：獅子座）出生于南卡羅來(lái)納州格林維爾縣格林維爾市（Greenville city），具有蘇格蘭血統(tǒng)，家里擁有一個(gè)小農(nóng)場(chǎng)。其父老亨利（Henry Keith Townes，Sr.，1876.10.16—1958.06.13）是一位事業(yè)有成的律師；母親埃倫（Ellen Sumter Townes，née Hard，1881.11.06—1980.09.04）1902年畢業(yè)于格林維爾女子學(xué)院（Greenville Womens College，1933年并入福爾曼大學(xué)），曾想攻讀醫(yī)學(xué)碩士并成為一名醫(yī)師，后在自己雙親的勸阻下而放棄職業(yè)追求，她性格寬容，自小就有意識(shí)地培育孩子們的各種興趣和愛(ài)好。老亨利夫婦婚后育有3子3女：長(zhǎng)女瑪麗（Mary Ella Nyland），圖書(shū)管理員；次女艾倫（Ellen Whilden Townes Taylor），拉丁語(yǔ)教師；長(zhǎng)子小亨利（Henry Keith Townes，Jr.，1913.01.20—1990.05.02），密歇根大學(xué)知名昆蟲(chóng)學(xué)家和動(dòng)物學(xué)家，其夫人是一位植物學(xué)家；次子查爾斯·湯斯；幼女沃拉麗亞（Aurelia Keith Townes Schawlow，1923—1991.05.09，因汽車(chē)車(chē)禍?zhǔn)攀溃晿?lè)碩士，音樂(lè)家（作曲家、女中音歌手和合唱指揮）；幼子喬治（George Franklin Townes），律師和法學(xué)家。1951年5月19日湯斯小妹沃拉麗亞嫁給物理學(xué)家肖洛（1924—1950年隨父母定居加拿大多倫多，經(jīng)拉比教授介紹，在美國(guó)碳化物和碳化工公司基金的資助下，1950—1951年在哥倫比亞大學(xué)湯斯手下進(jìn)行有關(guān)微波波譜學(xué)在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用方面的博士后研究），婚后育有1子2女：獨(dú)子凱斯（Arthur ″Artie″ Keith），自閉癥（孤獨(dú)癥）患者；長(zhǎng)女海倫（Helen Aurelia Johnson），斯坦福大學(xué)法語(yǔ)碩士，法國(guó)博士（1987年），威斯康星大學(xué)法語(yǔ)助理教授；次女伊迪絲（Edith Ellen ″Edie″ Dwan），斯坦福大學(xué)心理學(xué)學(xué)士（1981年）。

1940年冬湯斯在假日滑雪時(shí)初識(shí)弗朗西斯圖2 湯斯夫婦晚年照（Frances Hildreth Townes，née Brown，1916.02.13—）小姐，1941年5月4日他倆在新罕布什爾州庫(kù)斯縣（Cos/Coos county）柏林市（Berlin city）登記結(jié)婚，弗朗西斯畢業(yè)于馬薩諸塞州史密斯學(xué)院（Smith College，著名圖3 2014年弗朗西斯·湯斯女士98歲時(shí)生日的七姊妹聯(lián)盟學(xué)院成員），曾任加利福尼亞州（簡(jiǎn)稱(chēng)加州）奧克蘭博物館自然歷史部的講解員，在哥倫比亞大學(xué)給外國(guó)學(xué)生教過(guò)英語(yǔ)，在麻省理工學(xué)院（MIT）組織過(guò)女教師的職業(yè)培訓(xùn)，2007年出版其回憶錄《一個(gè)科學(xué)家妻子運(yùn)氣不佳的遭遇》（Misadventures of a Scientists Wife）。湯斯夫婦婚后育有4女：琳達(dá)（Linda Lewis Townes Rosenwein），密歇根大學(xué)心理學(xué)博士；埃倫（Ellen Screven Townes Anderson），加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（UCB）解剖學(xué)碩士；卡娜（Carla Keith Kessler Townes Lumsden），加州斯克利普斯學(xué)院（Scripps College，屬女子學(xué)院）學(xué)士，機(jī)械工程師；霍莉（Holly Townes Robinson），沒(méi)有上過(guò)大學(xué)，伯克利市職員。湯斯夫婦晚年（見(jiàn)圖2和圖3）一直居住在加州阿拉米達(dá)縣（Alameda county，縣治所在地是奧克蘭）伯克利市（Berkeley city）圣安東尼奧大道第1988號(hào)（1988 San Antonio Avenue，CA94707）。湯斯教授因年事已高且健康日差，2015年1月27日身體狀況突然惡化，在被送往奧克蘭市（Oakland，位于伯克利市南部9 km處）就醫(yī)途中不幸仙逝，享年100歲，差半年多1天而遺憾地未能邁入期頤之年（湯斯的享年精確值是99.4986歲，位列諾物獎(jiǎng)得主享年第一，位列諾獎(jiǎng)得主享年第三）。他是諾物獎(jiǎng)歷史上的第120位和諾獎(jiǎng)歷史上的第565位逝者。與湯斯同一天逝世的法國(guó)化學(xué)家沙文（Yves Chauvin，1930.10.10[CDF1]2015.01.27，2005CH31）則是諾化獎(jiǎng)歷史上的第107位和諾獎(jiǎng)歷史上的第566位逝者。

湯斯的主要學(xué)習(xí)經(jīng)歷：1931年畢業(yè)于格林維爾市公立中學(xué)；1935年以?xún)?yōu)異成績(jī)（summa cum laude）獲格林維爾私立福爾曼大學(xué)（Furman University，1826年成立，曾隸屬于福音浸禮宗教會(huì)）雙學(xué)士學(xué)位（現(xiàn)代語(yǔ)言學(xué)BA和物理學(xué)BS），大二時(shí)被物理學(xué)“美麗的邏輯結(jié)構(gòu)”所迷倒而終身傾注于科學(xué)研究；1936年（源自諾獎(jiǎng)官網(wǎng)“Biographical”，1991年湯斯在接受“口述歷史”記者采訪(fǎng)時(shí)親自證實(shí)過(guò)此事，故普遍流傳的“1937年”之說(shuō)是錯(cuò)誤的）獲北卡羅來(lái)納州私立杜克大學(xué)（Duke University）物理學(xué)MA，其碩士學(xué)位論文是關(guān)于范德格拉夫發(fā)生器（Van de Graaf generators，又稱(chēng)范德格拉夫加速器、范德格拉夫起電機(jī)、帶式靜電發(fā)生器）方面的。范德格拉夫發(fā)生器是一種將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能的直流高電壓發(fā)生器，1931年由荷蘭裔美國(guó)物理學(xué)家范德格拉夫（Robert Jemison Van de Graaff，1901.12.20—1967.01.16）發(fā)明，它是帶電粒子加速器的先驅(qū)；1939年獲加利福尼亞理工學(xué)院CIT/Caltech（California Institute of Technology，中文常簡(jiǎn)稱(chēng)為加州理工學(xué)院）物理學(xué)PhD，其博士學(xué)位論文是《碳的重同位素濃度及其核自旋的測(cè)量》（Concentration of the heavy isotope of carbon and measurement of its nuclear spin），導(dǎo)師是斯邁思（William Ralph Smythe，1893—1988）教授。文獻(xiàn)[1]P29中的“他（指湯斯）撰寫(xiě)的《碳十三的自旋》的學(xué)位論文，發(fā)表在一九三九年《物理評(píng)論》雜志上”是不準(zhǔn)確的，因?yàn)樵撐牟⒉恢苯邮菧沟牟┦繉W(xué)位論文，只是他和導(dǎo)師1939年合著的1篇與博士論文有關(guān)的文章而已。[2]湯斯的語(yǔ)言能力很強(qiáng)，除英語(yǔ)以外，還具有一定的法語(yǔ)、德語(yǔ)、西班牙語(yǔ)、意大利語(yǔ)、希臘語(yǔ)、俄語(yǔ)和拉丁語(yǔ)的閱讀和表達(dá)能力。

湯斯的主要工作經(jīng)歷和職銜：1937—1939年任加州理工學(xué)院物理學(xué)助教；1939—1947年（諾獎(jiǎng)官網(wǎng)“Biographical”中的“1933—1947年”之說(shuō)有誤）任美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室[Bell Labs/Laboratories，曾名AT&T Bell Labs和Bell Telephone Labs，1925年成立，1925—1983年屬于AT&T/Western Electric，1984—1986年屬于AT&T，1996—2006年屬于朗訊科技（Lucent），2006年起隸屬于法國(guó)阿爾卡特朗訊（Alcatel-Lucent）公司，其總部原設(shè)在紐約市，1941年遷至新澤西州Murray Hill]技術(shù)員（technical staff），從事雷達(dá)投彈轟炸（瞄準(zhǔn)導(dǎo)航）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究；1948—1961年任哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)副教授（1948—1950年）和教授（1950—1961年），其中1950年任該大學(xué)亞當(dāng)斯會(huì)員（Adams Fellow），1950—1952年任輻射實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任，1952—1955年任物理系主任（1945—1949年拉比任主任，1949—1952年和1960—1963年庫(kù)什任主任），1955—1956年利用15個(gè)月假期攜全家游學(xué)歐洲和亞洲，1959—1961年兼任（屬借調(diào)性質(zhì)）華盛頓國(guó)防分析研究所IDA（Institute for Defense Analysis）副所長(zhǎng)和研究主任；1961—1966年任麻省理工學(xué)院MIT（Massachusetts Institute of Technology，號(hào)稱(chēng)“工程師的搖籃”）教務(wù)長(zhǎng)（provost）兼物理學(xué)教授，1966—1967年任MIT物理學(xué)全院級(jí)教授（Institute Professor）；1967—1986年任教于加利福尼亞大學(xué)伯克利分校UCB（University of California，Berkeley），是整個(gè)加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)全校級(jí)教授（University Professor），1985—1986年任UCB全校級(jí)研究講師（Faculty Research Lecturer）。1986年7月正式退休，但UCB研究生院在物理系給他保留一個(gè)辦公室（office at Birge Hall）。

湯斯教授的職業(yè)生涯還包括（均屬兼職性質(zhì)）：1958—1961年任美國(guó)空軍科學(xué)咨詢(xún)委員會(huì)成員；曾任美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)咨詢(xún)（顧問(wèn)）委員會(huì)PSAC（Presidents Science Advisory Committee）成員（1960—1963年和1966—1970年）和副主席（1967—1969年），1976—1977年任美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)成員；1963—1968年任加州索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies，1960年成立）理事會(huì)（board of trustees）成員；1964—1970年任美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）載人航天飛行科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)主席，1966—1970年任NASA阿波羅登月計(jì)劃科學(xué)咨詢(xún)委員會(huì)主席，1971—1977年任NASA航天計(jì)劃顧問(wèn)理事會(huì)主席；1965—1970年任美國(guó)著名智庫(kù)蘭德公司RAND（Research and Development，1948年5月14日成立，美國(guó)最重要的以軍事為主的綜合性戰(zhàn)略研究機(jī)構(gòu)，被譽(yù)為世界智囊團(tuán)的開(kāi)創(chuàng)者）理事會(huì)成員和顧問(wèn)；1966—1985年任珀金埃爾默公司（PerkinElmer Corp./Corporation）董事會(huì)（board of directors）成員；1971—1973年任通用汽車(chē)公司（General Motors Corp.）科學(xué)咨詢(xún)委員會(huì)主席，1973—1978年任該公司董事會(huì)榮譽(yù)董事，1978—1986年任該公司癌癥研究基金會(huì)理事會(huì)成員；1971—1986年任伍茲霍爾海洋研究所WHOI（Woods Hole Oceanographic Institution，1930年成立）理事會(huì)成員；1979—1984年任加州理工學(xué)院董事會(huì)成員，1985年起任該學(xué)院榮譽(yù)董事；1982—1986年任美國(guó)國(guó)防部國(guó)防科學(xué)委員會(huì)DSB（Defense Science Board）成員；1983—1993年任伯克利太平洋宗教學(xué)校PSR（Pacific School of Religion）理事會(huì)成員；1987—1990年任太平洋天文學(xué)會(huì)ASP（Astronomical Society of the Pacific，1889年2月7日成立于舊金山）董事會(huì)成員。里根（1983年3月23日首先提出“戰(zhàn)略防御倡議”，即星球大戰(zhàn)計(jì)劃）政府時(shí)期曾任國(guó)防部戰(zhàn)略武器和MX導(dǎo)彈委員會(huì)主席。

湯斯教授是孟加拉和喜馬拉雅盆地國(guó)際研究所IIBHB（International Institute of Bengal and Himalayan Basins，2009年成立，其總部設(shè)在加州伯克利，另在英國(guó)、孟加拉國(guó)和印度設(shè)有分支機(jī)構(gòu)）的創(chuàng)始人和顧問(wèn)之一，IIBHB致力于解決全球水危機(jī)和研究減少有毒物質(zhì)進(jìn)入飲用水資源的解決方案。

湯斯教授于1950—1952年任《科學(xué)儀器評(píng)論》（Review of Scientific Instruments，1930年創(chuàng)刊，由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)主辦）雜志編輯；1951—1953年任《物理評(píng)論》（Physical Review，1893年7月1日創(chuàng)刊，由美國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦）雜志編輯；1957—1959年任《哥倫比亞大學(xué)論壇》（Columbia University Forum）編輯；1957—1960年任《分子光譜學(xué)雜志》（Journal of Molecular Spectroscopy，1957年創(chuàng)刊，現(xiàn)是愛(ài)思唯爾Elsevier旗下出版物）編輯；1963—1965年任《導(dǎo)彈防御研究雜志》 （Journal of Missile Defense Research）編輯；1978—1984年任《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences，1915年創(chuàng)刊，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院主辦）編輯；1995年起任《加拿大物理學(xué)雜志》（Canadian Journal of Physics，1929年創(chuàng)刊，由NRC Research Press出版）編輯。

湯斯教授在政治上堅(jiān)持獨(dú)立立場(chǎng)，他是美國(guó)聯(lián)合基督教會(huì)UCC（United Church of Christ）一位活躍而虔誠(chéng)的新教教徒，曾任哥倫比亞大學(xué)附近一所教堂的執(zhí)事，其雙親則信奉新教浸禮宗（Baptist，又稱(chēng)浸信宗）。UCC由福音派歸正教會(huì)（Evangelical and Reformed Church）和公理會(huì)基督教會(huì)（Congregational Christian Churches）于1957年合并而成。湯斯認(rèn)為，科學(xué)與宗教信仰是平行的，并不相沖突，他在回憶錄《創(chuàng)造波浪》一書(shū)中不惜動(dòng)用30頁(yè)篇幅來(lái)談?wù)撟诮绦叛鰡?wèn)題。[3]湯斯是一位達(dá)·芬奇式（百科全書(shū)式）的人物——多才多藝的科學(xué)家，興趣極為廣泛，業(yè)余愛(ài)好眾多，喜愛(ài)旅游、游泳、潛水、滑雪、音樂(lè)、足球、登山和蘭花栽培等。

2 激光發(fā)明簡(jiǎn)史──從光量子假說(shuō)到激光技術(shù)

2.1 激光概述、分類(lèi)及應(yīng)用

激光（Laser，港澳臺(tái)地區(qū)通常音譯為雷射或鐳射）是指基于受激輻射的光放大過(guò)程產(chǎn)生的相干光輻射。能產(chǎn)生激光的裝置稱(chēng)為激光器，產(chǎn)生激光的三要素是：①工作物質(zhì)（又稱(chēng)增益介質(zhì)、激活介質(zhì)，gain medium）：用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以產(chǎn)生光受激輻射并放大的物質(zhì)體系。②泵浦源（又稱(chēng)激勵(lì)系統(tǒng)、激發(fā)系統(tǒng)，pumping source）：為工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來(lái)源，泵浦方式因工作物質(zhì)類(lèi)型的不同而不同，主要有光能、電能和化學(xué)能方式等。③光諧振腔（optical cavity/resonator）：為激光提供正反饋，同時(shí)具有選模作用，其參數(shù)影響輸出激光的品質(zhì)。

受各種條件限制，激光器產(chǎn)生的激光頻率遠(yuǎn)不能覆蓋整個(gè)光波頻段，特別是在紫外、極紫外和遠(yuǎn)紅外區(qū)則更難通過(guò)激光器來(lái)直接產(chǎn)生相干輻射。這時(shí)可通過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)原理來(lái)達(dá)到上述目的。激光入射到非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)時(shí)，通過(guò)各種非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行頻率變換，可在新的波段產(chǎn)生相干光。

激光實(shí)質(zhì)上是一種相干光振蕩器（coherent optical oscillator），最初被稱(chēng)為光激射器（optical maser）。1957年9月14日湯斯在其實(shí)驗(yàn)室的筆記本上勾勒出早期光激射器的草圖，同年11月13日美國(guó)物理學(xué)家古爾德（Richard Gordon Gould，1920.07.17—2005.09.16）在其筆記本上寫(xiě)下的標(biāo)題“Some rough calculations on the feasibility of a LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（激光：受激輻射光放大器可行性的一些粗略計(jì)算）”被認(rèn)為是首創(chuàng)縮寫(xiě)詞“Laser”。[4]

“Laser”早期在中國(guó)被稱(chēng)為萊塞（萊澤）、雷射（鐳射）、光激射（發(fā)）器、光受激輻（發(fā)）射放大器、光（學(xué)）量子放大器和光量子振蕩器等，相當(dāng)混亂，鑒此錢(qián)學(xué)森（1911.12.11—2009.10.31）院士（學(xué)部委員）于1964年10月15日致函《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志（1964年3月5日在中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所創(chuàng)刊，同年5月7日中國(guó)首個(gè)激光專(zhuān)業(yè)研究所——中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的前身中科院光學(xué)精密機(jī)械研究所上海分所成立，稍后該雜志就交由中科院上海光機(jī)所主辦，從1966年總第9期開(kāi)始更名為《激光情報(bào)》，1969年更名為《國(guó)外激光動(dòng)態(tài)》，1971年更名為《國(guó)外激光》，1995年更名為《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》至今）編輯部建議定名為“激光”，同年12月14日在上海召開(kāi)的全國(guó)第三次光受激發(fā)射專(zhuān)業(yè)會(huì)議正式采納此建議。[5～6]“激光”之名言簡(jiǎn)意賅、語(yǔ)簡(jiǎn)意深，反映了其科學(xué)內(nèi)涵，既傳神又貼切。

激光本身就是相干性、量子性和非線(xiàn)性的集大成者，其四大特性是：①方向性好（即極低發(fā)散度和極高準(zhǔn)直性）：近似于理想的平行光，光束的發(fā)散角（2θ）最好可達(dá)10-3毫弧度（mrad）級(jí)。月球是距離地球最近的天體，它與地球的平均距離為38.44萬(wàn)km，從地球上發(fā)射激光到月球形成的光斑直徑可不超過(guò)1 km。②單色性好和高度相干性：光的單色性通常用光的頻譜分布（線(xiàn)寬）來(lái)描述，普通氦氖激光的線(xiàn)寬與波長(zhǎng)之比Δλ/λ可達(dá)10-11～10-13數(shù)量級(jí)。激光是一種比較接近于理想的單色平面波或單色球面波（聚焦后）的電磁波，即理想的完全相干電磁波。電磁波的相干性可從兩個(gè)方面（空間相干性和時(shí)間相干性）來(lái)描述。光波的縱向相干長(zhǎng)度與線(xiàn)寬成反比，單色性越好則縱向相干長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。激光的縱向相干長(zhǎng)度可達(dá)105 km。③亮度（輝度）極高：高功率釹玻璃激光比太陽(yáng)光的亮度高16個(gè)數(shù)量級(jí)。④能量密度極大：激光本身的能量并不大，但因其作用范圍甚小，其能量密度極大。激光可在極短的時(shí)間內(nèi)聚集起大量的能量，故可被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。

鎖模是指采用特殊方法將激光器中各個(gè)模的相對(duì)相位保持固定，相干疊加后產(chǎn)生高質(zhì)量的超短光脈沖序列，主要應(yīng)用于精密測(cè)量。鎖模技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了被動(dòng)鎖模、主動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖模CPM（colliding pulse mode-locking）、加成脈沖鎖模APM（additive pulse mode-locking）、耦合腔鎖模CCM（coupled-cavity mode-locked）、非線(xiàn)性鏡NLM（nonlinear mirror）鎖模、克爾透鏡鎖模KLML（Kerr lens mode-locking，又稱(chēng)自鎖模）以及半導(dǎo)體可飽和吸收鏡SESAM（semiconductor saturable absorber mirror）鎖模等階段。鎖模技術(shù)是激光通信和飛秒激光的基礎(chǔ)。如今脈沖激光器所發(fā)出的光脈沖寬度可達(dá)飛秒（femtosecond，1 fs=10-15 s）甚至阿秒（attosecond，1 as=10-18 s）級(jí)，這種“超短脈沖”是任何無(wú)線(xiàn)電脈沖所望塵莫及的。

激光器按其工作物質(zhì)的不同大致可分為以下六大類(lèi)（各大類(lèi)之間存在部分重疊的現(xiàn)象）：[7]①固體激光器（solid state laser）：這里的固體包括晶體和玻璃等，如紅寶石激光器、玻璃激光器（glass laser，釹玻璃激光器是其典型代表）、藍(lán)寶石激光器、摻釹釩酸釔（yttrium vanadate，YVO4∶Nd3+）激光器和摻鐿氟化釔鋰YLF（yttrium lithium fluoride，LiYF4∶Yb3+）激光器等。②氣體激光器（gas laser）：又稱(chēng)氣體放電激光器（gas discharge laser），這里的氣體包括原子氣體、分子氣體和離子氣體等，如氦氖激光器、稀有氣體（氬、氪、氙）及其離子激光器、氮激光器、二氧化碳（CO2）激光器、一氧化碳（CO）激光器和準(zhǔn)分子激光器等。堿金屬蒸氣激光器是一種新型的光泵浦氣體激光器，包括氦鎘型、氦汞型和氖銅型等，半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸氣激光器DPAL（diode-pumped alkali laser）是其典型代表。③液體激光器（liquid laser）：其工作物質(zhì)分為有機(jī)化合物液體（染料）和無(wú)機(jī)化合物液體兩類(lèi)，其中染料激光器（dye laser）是其典型代表（亦有固體染料激光器），適宜于作可調(diào)諧激光器和脈沖激光器。環(huán)形染料激光器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但其性能優(yōu)越，可輸出穩(wěn)定的單縱模激光。④半導(dǎo)體激光器（semiconductor laser，亦可被歸類(lèi)于固體激光器）：通常由p層、n層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成，主要有雙異質(zhì)結(jié)激光器和條紋型構(gòu)造的半導(dǎo)體激光二極管LD（laser diode），目前較成熟的是砷化鎵（GaAs）激光器，廣泛應(yīng)用于光纖通信（激光通信）、激光視盤(pán)（CD=compact disc/disk、CD-ROM、CD-R、CD-RW、VCD=video CD、LD=laser disc和DVD=digital video/versatile disc等）、激光打印機(jī)、激光復(fù)印機(jī)、激光掃描儀和激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的一類(lèi)激光器。半導(dǎo)體激光器的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（由單一半導(dǎo)體材料構(gòu)成）、一般異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器和量子阱半導(dǎo)體激光器。量子阱激光器（分為量子線(xiàn)激光器和量子點(diǎn)激光器兩類(lèi)）是一種特殊的LD，與傳統(tǒng)LD相比，它具有更低的閾值、更高的量子效率、極好的溫度特性和極窄的線(xiàn)寬。⑤化學(xué)激光器（chemical laser）：一類(lèi)利用化學(xué)反應(yīng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的特殊氣體激光器，如氟化氫激光器、氟化氘激光器、化學(xué)氧碘激光器和全氣相碘激光器等。⑥光纖激光器（fiber laser）：以摻入某些激活離子的光纖為工作物質(zhì)，或利用光纖自身的非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)而制成，可分為晶體光纖激光器、稀土類(lèi)摻雜光纖激光器（俗稱(chēng)玻璃光纖激光器）、塑料光纖激光器和非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器四大類(lèi)。

波導(dǎo)激光器（wavebeam guide laser）是指諧振腔內(nèi)激光傳播和振蕩的模式由光波導(dǎo)理論來(lái)確定的激光器，固體、液體、氣體和半導(dǎo)體等工作物質(zhì)都可以做成波導(dǎo)激光器，其中較為成熟的是CO2波導(dǎo)激光器。

激光技術(shù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、通信工程和信息技術(shù)IT（information technology），也應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)、精密計(jì)量（1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)已采用甲烷和碘穩(wěn)頻的氦氖激光波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，給出新的長(zhǎng)度單位“米”；激光頻標(biāo)也將取代微波頻標(biāo)給出新的時(shí)間單位）、精確測(cè)距（1962年5月MIT林肯實(shí)驗(yàn)室就首次利用紅寶石脈沖激光器和天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了地球和月球之間的激光雷達(dá)測(cè)距）、電子排版系統(tǒng)（俗稱(chēng)激光照排）、原子鐘、軍事武器（因激光武器具有強(qiáng)大的殺傷力，故激光被稱(chēng)為死光death ray。激光制導(dǎo)技術(shù)1972年首次被運(yùn)用于越南戰(zhàn)爭(zhēng)）、同位素分離、農(nóng)作物育種、大氣污染監(jiān)測(cè)和分析以及機(jī)械加工（如鉆孔、熔煉、焊接、切割和表面處理等）高熔點(diǎn)材料等，還可用于驗(yàn)證愛(ài)因斯坦（1921PH*）的廣義相對(duì)論。

2.2 激光溯源及愛(ài)因斯坦的受激輻射理論

1900年12月14日（量子論、量子力學(xué)和量子物理學(xué)的誕生日）德國(guó)物理學(xué)家普朗克（1918PH*）在柏林德國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上宣讀其論文《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》，提出了一個(gè)劃時(shí)代的革命性思想——黑體輻射的光量子假說(shuō)。

1913年尼爾斯·玻爾（1922PH）為解釋氫原子光譜的不連續(xù)性，在普朗克量子假說(shuō)、愛(ài)因斯坦光子學(xué)說(shuō)和盧瑟福（1908CH）原子行星模型的基礎(chǔ)上，提出氫原子結(jié)構(gòu)和氫光譜的初步理論——定態(tài)躍遷原子軌道模型（即玻爾氫原子結(jié)構(gòu)模型），引入了定態(tài)量子躍遷和軌道量子化的嶄新思想，首先成功地解釋了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線(xiàn)的頻率分布規(guī)律（包括可見(jiàn)光波段的巴耳末系、紅外波段的帕邢系以及后來(lái)發(fā)現(xiàn)的其他氫原子譜系）。

1916年愛(ài)因斯坦發(fā)表論文《輻射的發(fā)射和吸收量子理論》[8]和《關(guān)于輻射的量子理論》[9]（文獻(xiàn)[10]系文獻(xiàn)[9]的再版），總結(jié)了舊量子論的發(fā)展，還根據(jù)尼爾斯·玻爾提出的量子躍遷概念首次引入受激輻射的概念并給出能級(jí)之間躍遷的新認(rèn)識(shí)（暗示有可能通過(guò)“激勵(lì)”產(chǎn)生光子輻射，但他并沒(méi)有想到利用受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)光放大，光放大后得到的光是一般自然條件下得不到的相干光），推導(dǎo)出黑體輻射譜，建立起一套描述原子輻射和吸收電磁波過(guò)程的普適統(tǒng)計(jì)理論（即愛(ài)因斯坦自發(fā)躍遷A系數(shù)和受激躍遷B系數(shù)，又稱(chēng)量子躍遷幾率唯象理論），給量子電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展提供了向?qū)А．?dāng)光子與服從玻爾茲曼（奧地利物理學(xué)家和哲學(xué)家，Ludwig Eduard Boltzmann，1844.02.20—1906.09.05）分布（即麥克斯韋—玻爾茲曼分布）的原子發(fā)生相互作用時(shí)，愛(ài)因斯坦利用原子與黑體輻射場(chǎng)平衡時(shí)的統(tǒng)計(jì)公式和維恩（1911PH）位移定律（又稱(chēng)維恩公式）導(dǎo)出了光子的普朗克黑體輻射定律（又稱(chēng)普朗克黑體輻射公式，簡(jiǎn)稱(chēng)普朗克公式）；[11]同樣，當(dāng)光子與服從費(fèi)米（1938PH）—狄拉克（1933PH22）分布或玻色—愛(ài)因斯坦分布的物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，也能導(dǎo)出普朗克黑體輻射定律。[12～13]經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的量子電動(dòng)力學(xué)是光量子論的嚴(yán)密形式，狄拉克于1927年[14]以及海森堡（1932PH*）和泡利（1945PH）于1929—1930年[15～16]相繼提出的輻射量子理論奠定了量子電動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。

為了解釋黑體輻射定律，愛(ài)因斯坦將光和組成物質(zhì)的粒子（原子、分子和離子等）之間的相互作用歸結(jié)為3種基本方式（即粒子的3種躍遷方式，它們總是同時(shí)存在的）：①自發(fā)輻射（spontaneous emission）：激發(fā)態(tài)粒子的電子自發(fā)隨機(jī)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，自發(fā)躍遷產(chǎn)生非相干的復(fù)合普通光（如太陽(yáng)、白熾燈和熒光燈等所發(fā)出的自然光）。②受激輻射（stimulated emission）：在外來(lái)輻射場(chǎng)的作用下，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，光放大后產(chǎn)生更強(qiáng)的相干光（與入射光同相位、同頻率、同偏振方向）。現(xiàn)代磁學(xué)之父范弗萊克（1977PH33）于1924年首創(chuàng)“受激輻射”一詞，并首先把受激輻射與經(jīng)典物理學(xué)中光的負(fù)吸收對(duì)應(yīng)起來(lái)。[17～18]③受激吸收（英文詞是“absorption”而不是“stimulated absorption”）：受激輻射的逆過(guò)程，低能級(jí)粒子吸收光子而躍遷到高能級(jí)。受激輻射和受激（共振）吸收是產(chǎn)生激光的基礎(chǔ)，前者還是產(chǎn)生激光的必要前提。除自發(fā)躍遷和受激躍遷以外，迄今人們尚未發(fā)現(xiàn)其他輻射躍遷機(jī)制。愛(ài)因斯坦還預(yù)言了受激輻射的相干性。[19]

盡管產(chǎn)生激光的機(jī)理可以追溯到愛(ài)因斯坦所獨(dú)創(chuàng)的受激輻射理論，但將它說(shuō)成是奠定了現(xiàn)代激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)，甚至將愛(ài)因斯坦贊譽(yù)為“激光之父”，這些說(shuō)法有些言過(guò)其實(shí)。[20]

2.3 微波波譜學(xué)

微波波譜學(xué)（microwave spectroscopy，又稱(chēng)無(wú)線(xiàn)電波譜學(xué)、電磁波譜學(xué)）是指應(yīng)用電子學(xué)方法研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一門(mén)學(xué)科。利用微波波譜法和磁共振法，可精確地測(cè)定一些原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)，如與真空極化有關(guān)的拉姆位移、原子核的自旋和核矩、電子和μ子的反常磁矩、氘核四極矩以及分子鍵長(zhǎng)等。微波波譜學(xué)和共振技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致微波量子放大器（Maser）的出現(xiàn)、原子鐘的發(fā)明、激光的問(wèn)世和頻率基準(zhǔn)的建立，開(kāi)辟了量子電子學(xué)這一新興學(xué)科。量子電子學(xué)（quantum electronics）是電子學(xué)的一個(gè)分支，它是研究有關(guān)物質(zhì)能級(jí)、原子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)以及晶體中的各種現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子學(xué)的各項(xiàng)任務(wù)。

電磁波譜波長(zhǎng)（與頻率成反比）從高到低依次是無(wú)線(xiàn)電波（>1 m）、微波（1 mm～1 m）、紅外線(xiàn)（780 nm～1 mm）、可見(jiàn)光（380～780 nm，紫色為380～420 nm，藍(lán)色為420～470 nm，青色為470～500 nm，綠色為500～570 nm，黃色為570～600 nm，橙色為600～630 nm，紅色為630～780 nm）、紫外線(xiàn)（10～380 nm，真空紫外VUV 200～380 nm）、X射線(xiàn)（0.01～10 nm）和γ射線(xiàn)（<0.01 nm）。射頻RF（radio frequency）表示可以輻射到空間的電磁波，其波長(zhǎng)范圍一般是1 mm～1 km（相應(yīng)的頻率是300 kHz～300 GHz）。太陽(yáng)光的波長(zhǎng)范圍是400～760 nm。頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系式是頻率=光速/波長(zhǎng)。

原子和分子的能級(jí)是量子化的，人們?cè)谘芯课⒉úㄗV學(xué)時(shí)才注意到：可在物質(zhì)的特定能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過(guò)受激輻射過(guò)程實(shí)現(xiàn)微波輻射的放大，進(jìn)而可制成微波激射器用來(lái)產(chǎn)生微波相干輻射。

1921年美國(guó)電氣工程師阿爾伯特·赫爾（Albert Wallace Hull，1880.04.19—1966.01.22）發(fā)明用于產(chǎn)生微波振蕩的磁控管（magnetron）[21]，使人類(lèi)開(kāi)始了對(duì)微波的研究。愛(ài)因斯坦關(guān)于受激輻射的理論，最早得到美國(guó)理論物理學(xué)家托爾曼（Richard Chace Tolman，1881.03.04—1948.09.05）的呼應(yīng)，1924年他根據(jù)原子和分子系統(tǒng)內(nèi)激發(fā)態(tài)粒子數(shù)分布的情況，指出可以得到負(fù)吸收或放大，并在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到這種機(jī)制所引起的吸收系數(shù)的變化。[22]1925年荷蘭物理學(xué)家克拉摩斯（Hendrik Anthony ″Hans″ Kramers，1894.12.17—1952.04.24）和德國(guó)理論物理學(xué)家海森堡利用虛擬振子思想發(fā)展了光的色散理論，提出克拉摩斯—海森堡色散公式（Kramers-Heisenberg dispersion formula）[23]，其中包含著“負(fù)色散項(xiàng)”，“負(fù)色散”[negative dispersion，用量子理論考慮高量子態(tài)影響后的特殊色散，其概念不同于“反常色散”（anomalous dispersion）]與受激輻射理論中的“負(fù)吸收”（negative absorption）相對(duì)應(yīng)，也對(duì)應(yīng)著普朗克黑體輻射公式分母中“-1”這一項(xiàng)。1928年德國(guó)原子物理學(xué)家、光譜學(xué)家科普夫曼（Hans Kopfermann，1895.04.26—1963.01.28）和拉登堡（Rudolf/Rudolph Walter/Walther Ladenburg，1882.06.06—1952.04.06）在研究氖氣放電色散現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)電流超過(guò)一定值時(shí)，高能級(jí)氖分子集居數(shù)隨電流增大而增多，結(jié)果使負(fù)色散效應(yīng)增強(qiáng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了由受激輻射所引起的負(fù)吸收現(xiàn)象，間接地證實(shí)了受激輻射的存在[24～25]，他倆的研究已觸及到光放大問(wèn)題。拉登堡利用賈民（法國(guó)物理學(xué)家，Jules Célestin Jamin，1818.05.31—1886.02.12）干涉儀（1856年）得到各種色散系數(shù)并于1933年繪制出氖的色散系數(shù)隨放電電流密度變化的曲線(xiàn)。他們因過(guò)于迷信熱力學(xué)第二定律（又稱(chēng)熵增定律，其表述方式通常有3種：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化；不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī)，從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不引起其他變化；不可逆熱力過(guò)程中熵的微增量總是大于零。后來(lái)人們才搞明白：產(chǎn)生激光的物理過(guò)程并不違背此定律，因?yàn)榕c激光束輸出的同時(shí)，存在著相應(yīng)數(shù)量的負(fù)熵流）所假設(shè)的熱平衡而未能展開(kāi)進(jìn)一步的深入研究。1934年密歇根大學(xué)物理學(xué)博士生克利頓（Claud Edwin Cleeton，1907.12.11—1997.04.16）及其導(dǎo)師威廉斯（Neil Hooker Williams，1870.10.23—1956.11.21）在微波波段探索氨分子的光譜線(xiàn)，首先發(fā)現(xiàn)氨分子（NH3）在波長(zhǎng)1.1 cm處有強(qiáng)烈吸收[26]（后來(lái)得到的準(zhǔn)確值是1.25 cm），這是微波波譜學(xué)的最早實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著微波波譜學(xué)的開(kāi)端。1946年湯斯[27]以及牛津大學(xué)克拉倫登實(shí)驗(yàn)室（Clarendon Laboratory）物理學(xué)家布利尼（Brebis Bleaney，CBE，F(xiàn)RS，1915.06.06 —2006.11.04）等人[28]對(duì)氨分子波長(zhǎng)1.25 cm附近的（超）精細(xì)結(jié)構(gòu)的高分辨譜研究具有特別意義。1937年美國(guó)電氣工程師瓦里安兄弟（Russell Harrison Varian，1898.04.24—1959.07.28；Sigurd Fergus Varian，1901.05.04—1961.10.18）發(fā)明了速調(diào)管（klystron，周期性地調(diào)制電子注內(nèi)的速度以實(shí)現(xiàn)放大或振蕩的微波電子管），加上雷達(dá)的出現(xiàn)，使得微波技術(shù)飛躍發(fā)展。1938年荷蘭物理學(xué)家塞爾尼克（1953PH）在計(jì)算各種干涉條件下的光束強(qiáng)度時(shí)提出“相干度”（degree of coherence）的概念。[29]上述研究有助于人們認(rèn)識(shí)到受激輻射的實(shí)際意義。

1951年德默爾特（1989PH32）及其博導(dǎo)克魯格（Hubert Krüger）首先在固體中觀(guān)察到Cl35和Cl37核四極矩共振（NQR）信號(hào)，使波譜學(xué)迅速擴(kuò)展到射頻波段。1950年卡斯特勒始倡光泵浦，1951年哈佛大學(xué)美國(guó)天體物理學(xué)家尤恩（Harold Irving Ewen，1922.03.05—）和珀塞爾首次觀(guān)察到來(lái)自銀河系的中性氫原子21 cm的星際譜線(xiàn)信號(hào)（1963年以前觀(guān)測(cè)到的唯一射電天文譜線(xiàn)）[30]，開(kāi)創(chuàng)了射電天文譜線(xiàn)研究的歷史，從而使得波譜學(xué)的內(nèi)容更加豐富而充實(shí)。

2.4 核磁共振和拉比樹(shù)

磁共振是指自旋不為零（此時(shí)它具有磁矩）微觀(guān)粒子體系（分子、原子、電子、質(zhì)子、中子和原子核等）在磁場(chǎng)中可形成若干分立的能級(jí)（即塞曼能級(jí)，源自塞曼效應(yīng)），在適當(dāng)?shù)耐饧咏蛔兇艌?chǎng)作用下，它劇烈地吸收能量，在這些能級(jí)之間發(fā)生躍遷而產(chǎn)生共振吸收的現(xiàn)象。微觀(guān)粒子體系在恒定的外加磁場(chǎng)中，其磁矩相對(duì)于磁場(chǎng)方向只能取幾種量子化的方位。若垂直于恒定磁場(chǎng)的方向加一交變磁場(chǎng)，在適當(dāng)條件下，它能改變磁矩方向，使磁矩體系選擇地吸收特定頻率的交變磁場(chǎng)的能量。磁共振可用核磁化強(qiáng)度矢量的拉莫進(jìn)動(dòng)（Larmor precession）來(lái)描述。按機(jī)理磁共振可分為自旋—晶格弛豫（spin-lattice relaxation，又稱(chēng)縱向弛豫）和自旋—自旋弛豫（spin-spin relaxation，又稱(chēng)橫向弛豫）兩類(lèi)。弛豫過(guò)程是指物質(zhì)系統(tǒng)由非平衡態(tài)（暫態(tài)）自發(fā)地趨于平衡態(tài)（定態(tài)）的過(guò)程，有時(shí)很復(fù)雜。弛豫過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)弛豫時(shí)間（relaxation time）。

根據(jù)研究對(duì)象的不同，磁矩共振可分為兩大類(lèi)：①以電子磁矩為主的稱(chēng)電子自旋共振ESR（electron spin resonance），它包括電子順磁共振EPR（electron paramagnetic resonance，1944年被發(fā)現(xiàn)）、鐵磁共振FMR（ferromagnetic resonance，1946年被發(fā)現(xiàn)）、反鐵磁共振AFMR（antiferromagnetic resonance，1950年被發(fā)現(xiàn)）、傳導(dǎo)電子自旋共振CESR（conduction electron spin resonance，1953年被發(fā)現(xiàn)）和亞鐵磁共振FiMR（ferrimagnetic resonance，1955年被發(fā)現(xiàn)）等。②以原子核磁矩為主的稱(chēng)核順磁共振（簡(jiǎn)稱(chēng)核磁共振NMR=nuclear magnetic resonance），包括核四極矩共振NQR（nuclear quadrupole resonance）和激光磁共振LMR（laser magnetic resonance）等，穆斯堡爾（1961PH22）效應(yīng)（Mssbauer effect，又稱(chēng)Lamb-Dicke-Mssbauer effect）其實(shí)質(zhì)也是一種核磁共振。1956年科學(xué)家們開(kāi)始研究?jī)煞N磁共振耦合的磁雙共振現(xiàn)象，1957年和1958年在磁有序系統(tǒng)中分別發(fā)現(xiàn)高次模式的靜磁型共振（magnetostatic resonance）和自旋波共振SWR（spin wave resonance）。醫(yī)學(xué)上的磁共振成像MRI（magnetic resonance imaging，舊稱(chēng)核磁共振成像，一種斷層掃描成像）技術(shù)就是基于NMR這一物理現(xiàn)象而發(fā)明的。1990年代研發(fā)出來(lái)的光學(xué)相干斷層掃描OCT（optical coherence tomography）技術(shù)是繼X-CT技術(shù)和MRI技術(shù)之后醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域的又一個(gè)重大突破。

磁共振現(xiàn)象是在固體微觀(guān)量子理論和無(wú)線(xiàn)電微波電子學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)的。分子束方法是斯特恩（1943PH*）開(kāi)創(chuàng)的，1922年采用分子/原子束磁偏轉(zhuǎn)法和磁重聚法完成了著名的斯特恩—蓋拉赫實(shí)驗(yàn)（Stern-Gerlach experiment），驗(yàn)證了原子中電子軌道的空間量子化并發(fā)現(xiàn)質(zhì)子磁矩。拉比（美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)之父）是斯特恩的學(xué)生，1927—1929年赴歐進(jìn)修期間曾在漢堡大學(xué)斯特恩實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)1年（剛開(kāi)始時(shí)與泡利是同事），他發(fā)展了斯特恩的分子束方法，開(kāi)創(chuàng)性地將之應(yīng)用于電磁波共振研究。受荷蘭實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家戈特（Cornelis Jacobus ″Cor″ Gorter，1907.08.14—1980.03.30）工作的啟發(fā)，哥倫比亞大學(xué)拉比小組把射頻共振法應(yīng)用于分子/原子束共振研究，1938—1939年完成了著名的分子束（磁共振）實(shí)驗(yàn)，首次檢測(cè)到原子核在均勻磁場(chǎng)中的共振吸收現(xiàn)象，這是核磁共振實(shí)驗(yàn)的發(fā)端。[31～32]該實(shí)驗(yàn)是對(duì)斯特恩—蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的延伸和發(fā)展。1944年前蘇聯(lián)喀山國(guó)立大學(xué)物理學(xué)家扎沃伊斯基（Yevgeny Konstantinovich Zavoisky，1907.09.28—1976.10.09）從MnCl2和CuCl2等順磁性鹽水溶液中首先觀(guān)察到電子順磁共振現(xiàn)象。1945年12月哈佛大學(xué)珀塞爾小組在固體石蠟樣品中觀(guān)察到質(zhì)子的核磁共振吸收信號(hào)（當(dāng)時(shí)他們已實(shí)現(xiàn)了磁共振中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但因無(wú)法放大微弱的信號(hào)而不能加以利用）[33]，1946年1月斯坦福大學(xué)布洛赫（1952PH21）小組在液體水樣品中也觀(guān)察到質(zhì)子的核磁共振感應(yīng)信號(hào)（他們也初步觀(guān)察到磁共振中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。[34～36]珀塞爾和布洛赫2個(gè)小組采用的方法不盡相同（磁共振吸收法和磁共振感應(yīng)法），但幾乎同時(shí)在凝聚態(tài)物質(zhì)中觀(guān)察到核磁共振現(xiàn)象，這是對(duì)拉比在真空狀態(tài)下觀(guān)察到分子束核磁共振現(xiàn)象的延伸和發(fā)展。1946年布洛赫首先導(dǎo)入縱向弛豫時(shí)間和橫向弛豫時(shí)間的概念，將它們唯象地引入到磁化矢量的動(dòng)力學(xué)方程中，建立了后人稱(chēng)之為布洛赫方程（用于描述精密測(cè)量核磁矩的一種數(shù)學(xué)方法）的一組非線(xiàn)性微分方程。

1945年拉比首次公開(kāi)表明原子束磁共振可用于制作鐘表，即原子鐘（atomic clock，大致可分為有源和無(wú)源兩大類(lèi)，有源原子鐘主要有氨分子鐘、氫原子鐘和銣氣泡原子激射器鐘等，無(wú)源原子鐘主要有銫原子鐘、鉈原子鐘、氧化鋇分子鐘和銣氣泡標(biāo)準(zhǔn)鐘等）。1949年首架原子鐘——氨分子鐘（簡(jiǎn)稱(chēng)氨鐘）誕生于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS），但其準(zhǔn)確性還不如當(dāng)今的石英鐘。世界上首架實(shí)用的原子鐘——銫鐘于1955年由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室NPL（National Physical Laboratory，1900年成立）物理學(xué)家埃森（Louis Essen，F(xiàn)RS，OBE，1908.09.06—1997.08.24）及其助手帕里（Jack V.L.Parry）利用銫原子束頻標(biāo)研制成功。[37]借助于激光冷卻和俘獲原子技術(shù)，1995年法國(guó)巴黎天文臺(tái)建成世界上首架冷原子噴泉鐘（cold atomic fountain clock）——銫噴泉鐘，其不確定度高達(dá)10-15數(shù)量級(jí)，現(xiàn)是世界上最好的原子鐘。單個(gè)鋁離子光鐘的不確定度可達(dá)10-18數(shù)量級(jí)甚至更高。

1950年拉姆齊在研究分子束磁共振的過(guò)程中發(fā)明了分離振蕩（交變）場(chǎng)方法[38]，它設(shè)計(jì)十分巧妙，實(shí)際上是拉比分子束實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)版和首例零場(chǎng)NMR實(shí)驗(yàn)。分離振蕩場(chǎng)法可用于研究拉姆位移、拉莫進(jìn)動(dòng)（Larmor precession）和原子計(jì)時(shí)，完善了研究原子結(jié)構(gòu)的方法，大大提高了原子鐘的準(zhǔn)確性，奠定了現(xiàn)代銫原子鐘的基礎(chǔ)。化學(xué)位移（chemical shift）是指在各種有機(jī)分子中，因質(zhì)子所受到的屏蔽效應(yīng)程度不同而導(dǎo)致在核磁共振譜上所產(chǎn)生的吸收峰值位置不同的現(xiàn)象。1950年斯坦福大學(xué)物理系布洛赫門(mén)下的2位博士后普洛克特（Warren George Proctor，1920.11.24—2005.05.28）和虞福春（Yu Fuchun，1914.12.09—2003.02.12，1949年6月獲俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)PhD）合作首先發(fā)現(xiàn)核磁共振譜線(xiàn)中的化學(xué)位移效應(yīng)，這是世界上最早發(fā)現(xiàn)的核磁共振譜線(xiàn)與核所在的化學(xué)環(huán)境有關(guān)的現(xiàn)象。[39]1952年拉姆齊利用分離振蕩場(chǎng)法創(chuàng)立了磁共振方面的化學(xué)屏蔽理論[40]，成功地導(dǎo)出了由成鍵電子貢獻(xiàn)的化學(xué)位移順磁項(xiàng)，奠定了化學(xué)位移理論和核磁共振波譜學(xué)的基礎(chǔ)。

恩斯特（1991CH）首先將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到核磁共振波譜學(xué)，運(yùn)用新的信息處理方法和快速傅立葉變換，從瞬態(tài)脈沖激勵(lì)的衰減信號(hào)中獲取頻譜，于1966年研制出脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀（FT-NMR）[41]，首次實(shí)現(xiàn)傅立葉變換NMR譜；1975年又研究出二維核磁共振（2D NMR）技術(shù)[42]，用分段采樣后進(jìn)行2次傅立葉變換的方法得到世界上首張2D NMR譜。恩斯特在開(kāi)發(fā)高分辨率的核磁共振波譜學(xué)方法作出兩次重大突破，對(duì)現(xiàn)代核磁共振波譜學(xué)的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

1967年5月23日，在哥倫比亞大學(xué)舉行的歡送拉比教授退休的一個(gè)宴會(huì)上，其學(xué)生和同事用一幅“拉比樹(shù)”的圖畫(huà)形象而客觀(guān)地描繪了拉比所開(kāi)創(chuàng)的分子束學(xué)派（又稱(chēng)拉比學(xué)派，在世界物理學(xué)界與哥本哈根學(xué)派齊名）的豐碩成果。[43～46]

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