1．微波激射器与量子电子学的诞生
1917年，爱因斯坦在研究黑体辐射对气体平衡计算时，发现了辐射具有两种形式，自发辐射和受激辐射，从而提出了受激辐射的理论。爱因斯坦的这一设想，得到了曾任加州理工学院研究生院院长的美国物理学家托尔曼（Tolman Richard Chace1881～1948）最早的呼应。托尔曼曾发表数篇论文讨论了粒子数反转放大特性。1928年，德国的兰登伯（Landenberg，R．W．1885～1952）在研究氖气色散现象时，发现激励电流超过一定值时，高能级氖分子布居数随电流增大而加多，结果使反常色散效应增强。这个实验实际上间接证实了受激辐射的存在，也直接给出了受激辐射的发生条件是实现粒子数反转。粒子数反转这一思想至关重要，然而在当时人们的心目中，认为这是不可思议的。因为在热平衡条件下，低能级粒子数总要比高能级粒子数多，实现粒子数反转就等于要破坏热平衡，这一点与人们的想法相违，粒子数反转思想未能引起更多人的注意。
本世纪40年代，美国哥伦比亚大学以J．特里奇卡（J．Trischka）为首的研究组曾一度致力于研究无线电波的受激辐射。然而，对于他们的研究结果，关心的人并不多。一方面由于战争，许多与军事无关的科研项目被搁置，另一方面，在兼跨物理学与工程学两个领域的量子电子学中，物理研究与工程技术严重脱节。量子电子学的理论工作者侧重于光的波动性与量子性研究，对电子工程技术的相关内容知之甚少；而电子工程技术人员又偏重工程技术问题，对量子电子学的重要概念及研究方法既不关心，也不感兴趣。因此，量子电子学在当时不仅没有形成整体性研究的态势，更没有一个较完整而系统的理论。加上当时的科学技术水平，还没有形成对光的相干性与单色性的迫切要求，致使一些曾提前注意到受激辐射和提出粒子反转放大思想的人，未能在它们的实用性研究上继续向前迈进一步。由于战争的促动，二战后微波技术日臻完善，它已广泛地应用于军事和各个科学领域，其中微波波谱学的发展尤其令人瞩目。当时，微波用于原子、分子和原子核的精细和超精细结构方面，已经取得了一系列的成果。1951年，美国物理学家珀塞尔（Purcell，Edwaed Mills 1912～）用微波波谱学的方法，测定了核磁矩。为增强微波信号，他应用了突然倒转场的方法。当外磁场极性改变比核自旋的响应快时，在氟化锂晶体中实现了核自旋体的反转分布，此时，他意外地观察到了频率为50kHz的受激辐射。应用玻尔兹曼分布规律，珀塞耳对该现象做出了解释。根据玻尔兹曼分布率，高与低能级的粒子布居数分别为N2和N1时，E2＞E1，其粒子分布率为
根据这一结果，珀塞尔首先提出“负温度”概念，并把粒子数反转称为“负温度”状态。粒子数反转状态的实现不仅表明“负温度”并非不可逾越，而且使人们对于玻尔兹曼分布有了更全面也更深刻的认识。
与此同时，朝向同一目标的另一番工作也在另外一个领域中进行着。由于雷达技术发展的需要，人们正在研制一种高强度的微波器件。二战期间，美国物理学家汤斯（Townes，CharlesHard 1915～）曾在贝尔实验室从事雷达导航系统研究。战后，他在哥伦比亚大学物理系执教期间，应军方邀请，开始致力于缩短雷达使用波长的研究。但是这一课题进行极不顺利，他屡遭失败，几度陷入困境。1951年春，他到华盛顿参加一个工作会议。与会期间的一天早晨，正当他坐在华盛顿市一个公园的长凳上等待饭店开门时，脑子里突然闪现出来一个想法，这就是利用分子受激发射的方式代替电子线路放大，实现微波放大的设想。汤斯头脑中所闪现的这个“小火花”，使他激动不已，很短的时间内，一个实验的方案被设想了出来。他打算用电流加热的方式，把能量泵入氨分子中，使它们处于受激状态。当受激分子恰好处于与氨分子固有频率相同的微波波束之中时，微波波束与氨分子通过反复作用，使泵入氨分子中的能量传递到微波波束之中，原来入射的弱波束就有可能在短时间内，以雪崩方式促发为强微波波束，汤斯把这一设想的要点就记在了一个信封的背面上。
从1951年年底，在美国海军和陆军的资助下，汤斯和他的两个学生戈登、蔡格尔一起，经过了两年的研究，终于在1954年研制成功波长为1.25cm的氨分子振荡器，他们把它称为受激辐射微波放大器，按其字母缩写为MASER，简称为脉泽。脉泽具有稳定的振动频率，可以用它制成用于计时的“原子钟”。1960年，利用脉泽微波的相干性，又以10-12的相对误差，精确地证实了70多年前迈克耳孙-莫雷实验的结果。受到美国物理学家肖克莱（Shockley，William Bradford 1910～）所研制成功的固体整流与放大器件的启发，在50年代后期，汤斯与其它科学家一起，又研制成功固体脉泽。1960年，这种固体脉泽首次被用到了回声Ⅰ号卫星，它成功地放大了从卫星发向金星，又从金星反射回卫星的几乎消失殆尽的微弱信号。脉泽的研制成功，在理论研究上的意义也相当重要。在脉泽问世前，电气工程师们只是关心如何放大，而物理学家们又只是关注了相干性，正是汤斯把这两方面结合在一起，这一结合不仅促成了脉泽的问世，也把量子力学的概念与方法成功地引入到电子技术领域，为量子电子学的建立与发展奠定了基础。
1955年，前苏联物理学家巴索夫（Basov，Nikolai Gennadievich1922～）和普罗霍洛夫（Prokchorov，Alexander Mikhailovich 1916～）提出了用三级能的方法实现粒子数反转。就这样，在1958年，以量子电子学的研究为基础，汤斯、肖洛和巴索夫、普罗霍洛夫等人已经分别提出了把量子放大技术用于毫米波、亚毫米波及可见光波段的可能性，这一研究为激光的诞生铺平了道路。由于在脉泽、激光及量子电子学基础理论方面的工作，巴索夫、普罗霍洛夫与汤斯共同分享了1964年诺贝尔物理学奖。
2．向更短波长进发——激光器的问世
氨分子振荡器与固体微波激射器的研制成功及广泛的应用引起了巨大的反响，特别引起了军事部门的兴趣。当许多人醉心于微波激射器的研究时，汤斯已经朝向更短波长的目标进发了。长期从事军事研究的汤斯敏锐地看到，缩短波长意味着测量目标精度的提高、分辨率的增强以及信息传输量的增大，汤斯早已注意到这一研究的价值。1958年，在发表关于红外和可见光激光论文的同时，汤斯就思考着激光在军事应用上的潜在可能性。他在贝尔实验室曾以顾问的身份，向当时国防分析研究所及高级计划局某项计划负责人惠勒（Wheeler）提出一份书面报告。在报告中他预言，激光将对国防作出重要的贡献，肯定会受到高级研究计划局的特别关注。果然，报告提出的第二年，高级研究计划局以100万美元资助了技术研究集团的激光研制计划①。高级研究计划局所关注的不仅是把激光用于雷达和通讯，还想用于防御前苏联导弹的威胁。第一台激光器也正是在美国工业界的一个国防机构——休斯飞机制造公司的支持下研制成功的。
在向更短波长进发的过程中，汤斯的第一个目标是由毫米波进入亚毫米波段。然而，在一开始他就遇到了麻烦。首先，要使振荡腔的长度与波长相当，制造1厘米以下的振荡腔非常困难；其次，由于振荡腔的缩小，内含物质少又严重地限制了放大性能。在克服这一困难的过程中，汤斯发现，若把波长缩短到红外或可见光区域，腔体尺寸带来的杂散振荡反倒有可能随之减小，这使他倍受鼓舞。此时，汤斯的姻弟——肖洛（Schawlow，Arthur L．1921～）从光学中的F-P*仪得到启发，提出一个设想，即用一对反射镜代替封闭的谐振腔，以控制不必要的振荡模式。1958年，肖洛与汤斯联名在《物理评论》上发表了重要论文《红外与光激射器》。这篇论文不仅给出了受激辐射光产生的必要条件，而且还详细地论述了光激射器的若干理论问题，论证了F-P*仪代替谐振腔减少过剩波型及自激辐射的机制，还提出了以钾蒸气为工作物质、钾灯为泵浦源的红外激射器的设计方案。肖洛与汤斯的这一设想，使许多人纷纷加入激射器的研制中。人们意识到，谐振腔的难题解决之后，重要的问题是如何实现反转分布，此外，选择工作物质与泵浦源也成为重要的问题。汤斯认为钾蒸气实现的可能性最大。早在提出设计方案前，他就已经着手试验了。肖洛则转向红宝石研究。前苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫则提出以半导体材料为工作物质的方案。除了光泵法以外，贝尔实验室的贾万（Javan，A．1926～）提出放电法连续运转的氦氖激光器方案。1959年9月在纽约举行的首届量子电子学会议上，仅提交的激光器设计方案就有数十份，设计者们都在加快步伐，一场激烈的竞争在激烈地展开着。首先摘取激光器发明桂冠的是休斯飞机公司所属研究室的美国物理学家梅曼（Maiman，Theodore Harold 1927～）。梅曼的成功不是偶然的，他是电气工程师之子，靠修理电器半工半读读完大学。1949年从科罗拉多大学毕业后，考入斯坦福大学攻读研究生，1955年获得博士学位。他的导师兰姆（Lamb，Willis Eu- genen Jr．1913～）曾因发现著名的氢原子谱线兰姆位移而获得1955年诺贝尔物理奖。在梅曼随导师一起研究兰姆位移过程中，梅曼曾提出利用反转分布使氢原子的不同能态间产生受激辐射的设想，并以这一设想展开了他的博士论文《利用波和光的双共振研究氢原子的激发态》。1956年，梅曼应邀到休斯飞机公司的一个研究所工作，致力于红宝石微波放大器的研究，1959年8月转而研制激光器。由于他对红宝石的经验，经过一番选择后，他选用了掺钕红宝石晶体作为工作物质，以脉冲氙灯作为光泵，终于在1960年5月获得了成功。梅曼等人研制成功的第一台激光器的工作物质是长2cm、直径1cm的掺钕红宝石棒，它的两端被磨平后镀银，其中一个镀银面中心有一个直径1mm的透光孔，泵浦光源为螺旋形氙灯①。1961年夏，中国科学院长春光学精密机械研究所也研制成功了红宝石激光器，从掺杂晶体的生长、冷光学加工、金属镀膜，到光学质量的检验，无一不是研究人员亲自动手进行的，泵浦氙灯也是我国自己制造并将螺旋管改为直管型，成为至今流行的结构。
在梅曼获得成功以后，一系列不同基质晶体的掺稀土元素的固体激光器相继运转，尤其是波长1.06μm的掺钕钇铝石榴石激光器和掺钕硅酸盐玻璃激光器得到了广泛的应用。气体激光器已能在紫外到红外的广阔波段内工作，从原子、分子、离子气体激光器到金属蒸气和其它惰性气体激光器已达数十种之多，其中二氧化碳激光器具有强功率输出，已成功地用于金属加工、激光化学、医疗等领域。以染料激光器为主的液体激光器已在数百种有机染料中获得激光输出，由于输出波长能在近紫外到近红外的广阔谱段内调谐，在光谱学、激光化学领域中有广泛的应用。半导体激光器有体积小、重量轻等特点，在光纤通讯中作为光源有广阔的应用前景。激光技术的最新领域是自由电子激光与X射线激光器的研制，它们已成为与高能物理息息相关的交叉技术领域。
3．肖洛及激光光谱学的大发展
激光用于光谱学研究，使传统的光谱学经历了一场深刻的变革，一门新的学科——激光光谱学随之应运而生。为认识这场变革的深刻性，对光谱学的建立与发展作一番回顾是极有必要的。
(1)传统光谱学的建立与发展
传统光谱学的研究已有近百年的历史，对光谱现象首先进行观察的就是牛顿。由于阅读了玻意耳的色彩学著作，激起了牛顿对光学的兴趣。在1666年，牛顿首次应用玻璃棱镜把太阳光分解为各色光谱，随后，又把各色光谱线汇合成白光，从而证明白色光为各色光的复合光。1801年，德国物理学家里特尔（Ritter，Johann Wilhelm 1776～1810）在对光谱研究中发现，光谱中蓝色一端更容易引起氯化银的分解反应，并进一步利用这种光化学效应发现了紫外线的存在。1802年，英国物理学家沃拉斯顿（Wollaston，William Hyde 1766～1828）首先观察到太阳光谱暗线，由于得不到解释，只把它们当作各色光的自然区分线，而失去了重大发现的机会。曾当过光学技师学徒的德国物理学家夫琅和费（Fraunhofer，Joseph von 1787～1826）一直对各种玻璃的折射率感兴趣，他亲自设计制造多种消色差棱镜。1814年，在测试棱镜折射率时，他发现了太阳光谱的暗线。从1814～1815年两年中，共确定太阳光谱暗线近600条，并用字母标识它们的位置，这种标识法一直沿用至今。他还测出暗线对应的波长，井在对光谱现象的研究中，首先使用光栅作为分光元件。
光谱学作为一门实用性学科，是由物理学家和化学家共同开创起来的。1859年，德国物理学家基尔霍夫（Kirch off，Gustav Robert 1824～1887）与德国化学家本生（Bunsen，Robert Wilhelm E-berhard 1811～1899）共同研制成功了分光镜。利用这一装置，他们发现了每种元素不仅发射、同时也吸收自己特征谱线的光，由此建立了吸收光谱的基尔霍夫定律。1861年，他们又利用分光镜装置，先后发现了铯与铷，从此开创了实用光谱学的研究。光谱学不仅开始作为定性化学分析方法，同时也用来进行天体成分的研究，基尔霍夫首先利用光谱确定了太阳中的六种元素。1853年，瑞典物理学家埃斯特朗（1814～1874）首先观测了氢原子光谱中的最强一条谱线，并首先采用10-8cm作为波长的单位，后人把这一单位命名为埃（A）。埃斯特朗还绘制出近百种元素的光谱图，并于1867年首先研究了极光光谱。在这以后的20余年中，光谱学在天文学研究中得到了迅速的应用。意大利天文学家多纳第（Donati，Giovanni Battista1826～1873）首先把光谱学用于彗星研究，英国天文学家哈根斯（Huggins,SirWilliam1824～1910）则成为把光谱学用于天文学研究的先驱者之一。他研究了星云光谱、恒星光谱、太阳光谱、行星光谱与彗星光谱。1863年，根据上述一系列的研究成果，哈根斯断言，地球上的一切元素在天体上也同样存在，于是延续了两千多年之久的亚里士多德观念——认为天体是由地球上找不到的特殊物质组成的学说宣告结束。1864年，哈根斯又首先研究了一颗新星光谱，证明它被氢所包围，从而进一步说明宇宙中的主要组成物质是氢。在多纳第研究彗星的基础上，哈根斯进一步证明，彗星上的发光物是碳化物。哈根斯还首先发明了摄谱术，由于用这种方法可以观察到肉眼难以直接观察到的谱线，因而大大扩展了光谱学的观测范围。在哈根斯的光谱学研究成果中，更为引人瞩目的是他发现了谱线的多普勒红移现象，并首次利用这一效应测量了天狼星的氢谱线多普勒红移量，由此推断出天狼星远离地球的运行速度。这一方法的确立，对近代天体物理学和宇宙学的研究有着重要的影响。鉴于哈根斯对光谱学及天文学的重要贡献，1897年，他被授予爵位，1900～1905年，被选为英国皇家天文学会主席。
1885年，瑞士数学家和物理学家巴耳末（Balmer，Johann Jakob 1825～1898）从已观测到的氢谱线中发现某种规律，他提出了表示氢谱线的经验公式，后人称这一组谱线为巴耳末系。继巴耳末的工作，1889年，瑞典物理学家里德伯（Rydberg，Jo-hannes Robert 1854～1919）在研究白炽状态下物体发光谱线时，不仅发现了多种元素的线状光谱线，而且还找到了碱金属原子光谱线位置的经验公式，巴耳末公式仅为里德伯公式的一个特例。巴耳末公式与里德堡公式都属于经验公式，它们虽然都显示出谱线的规律性，却不能反映产生这些规律性的机制。里德伯曾设想元素间一定存在着某种简单的规律，这一规律一定可以用比原子量更为简洁的量表述出来。里德伯所设想的这个简洁的量，就是英国物理学家莫塞莱（Moseley，Henry Gwyn-Jeffreys1887～1915）在用X射线技术确定元素谱线波长时所发现的原子序数。莫塞莱的这一发现，不仅使门捷列夫周期表有了重大的改进，而且确立了X射线分析技术，并由此填补了元素周期表中的若干空缺。很可惜莫塞莱在第一次世界大战中被应征入伍，中断了他成功在即的X射线光谱学的研究工作。尽管卢瑟福以科研工作需要为由，多方奔走为其挽留，但终没有成功。最后莫塞莱阵亡在土耳其前线。莫塞莱去世后，瑞典物理学家西格班（1886～1978）继续了莫塞莱的X射线光谱学研究，并获得了诺贝尔物理学奖。
在巴耳末发现氢原子光谱线的规律性之后，又经过了8年，这种规律性的机制才被揭开。1913年，丹麦物理学家玻尔（Bohr，Niels Henrik David 1885～1962）利用电子分立轨道的跃迁机制解释了光的发射，不仅从理论上导出了巴耳末式，而且也计算出了里德伯常数的数值。虽然玻尔的理论获得了较大的成功，但是在进一步解释氢原子谱线分裂以及解释更复杂原子的光谱规律时，却遇到了明显的困难。
早在1892年，德裔美国物理学家迈克耳孙（ Michelson，Albert Abraham 1852～1931）就发现了巴耳末线系中最强谱线实际上是由间隔0.14埃的两条谱线组成。这一现象直到20世纪量子力学建成后，才利用电子的轨道的角动量与自旋角动量的结合获得解释。1925年，在解释碱金属光谱的测量结果时，荷兰裔美国物理学家乌伦贝克（Uhlenbeck，George Eurge 1900～）与他的同事正式引入电子自旋的概念，并论证了泡利的第4个量子数就是电子的自旋。
光谱学研究中的另一个重要成果是塞曼效应的发现。1896年，在其导师洛仑兹的指导下，荷兰物理学家塞曼（Zeeman，Pieter 1865～1943）观察到了谱线在强磁场中被分裂的现象，这一现象被后人称为塞曼效应。由于这一发现，塞曼与洛仑兹共同获得了1902年度的诺贝尔物理学奖。1893年，普雷斯顿（Preston T.）又观察到了锌线与镉线在磁场中被分裂为4重线的反常塞曼效应。反常塞曼效应不能应用洛仑兹的谐振子磁偏转理论得到解释，只有应用量子理论，才能全面地解释正常与反常塞曼效应。由于用塞曼效应的实验数据可以判断有关能级分裂的情况，由此可以获取有关原子态的重要资料，还可以对复杂的光谱进行分类研究，塞曼效应已成为研究原子结构的重要途径之一。
在光谱学的发展中，除了对吸收与发射光谱的研究外，还相应地发展了对散射光谱的研究。在这一方面，首先作出重要贡献的是印度物理学家喇曼（ Raman， Sir Chandrasekhara Venkata1888～1970）。1920年，喇曼发现，在光发生散射时，除了原有频率外，散射光中还有一些其它频率的光出现，这一现象被称为喇曼散射。喇曼散射光强虽然很弱，其频率、强度及偏振情况却与散射物质的性质有密切的关系。因此，通过喇曼散射可以研究物质的结构及组成。由于这一重要发现，喇曼获得了1930年诺贝尔物理学奖。在喇曼宣布他们的这一重大发现的几个月之后，前苏联物理学家兰茨别尔格（1890～1957）也独立地发现了晶体的喇曼散射现象。尽管喇曼散射在光谱学研究中具有重要的价值，但是由于光强太弱，大约仅有瑞利散射光强度的千分之一，在没有足够强的单色光源之前，它的发展受到了很大的限制。激光问世后，由于激光不仅强度很高，又有较好的单色性与方向性，使激光成为喇曼散射的理想光源。激光的引入，使喇曼散射光谱学的研究有了长足的进展，目前它已成为研究物质结构与组成的重要手段之一。