(2)肖洛与激光光谱学
尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但是在激光问世之前，传统光谱学的进一步发展已经面临着不可逾越的困难。首先，传统光谱学使用的是普通光源，要提高探测的分辨率，就需要增强光源的单色性，然而增强普通光源的单色性，又不得不以降低光源的强度为代价。光源强度降低势必影响到探测的灵敏度。更为严重的是，在弱光辐射情况下，光谱中的许多非线性效应表现不出来，因此包含物质结构深层次的信息被阻断。此外，传统光谱学必须利用棱镜或光栅作为分光器件，而这些器件的分辨率又受到一定的限制，因而谱线的许多细节不能被观察到。
传统光谱学的上述缺陷是带有根本性的，随着物理学的发展，人们对来自微观世界信息的需求量越来越大，对信息种类要求的层次也越来越深、越来越广，显然传统光谱学不再适应这一发展。在1958年，即在微波激射器刚问世后不久，美国物理学家肖洛与汤斯就曾在一篇著名论文①中，卓有见地地指出“从原理上看，微波激射放大器和振荡器的工作频率可以超越目前的射频范围，向红外区、可见光甚至更高频率扩展。这种技术表明了它在高频区实现相干放大，产生强单色性辐射上具有诱人的前景。……这种强单色性和高强度的辐射所给出的高分辨率将远远超出目前光谱技术的极限。”可见，在激光问世以前，作为微波激射器的发明者汤斯以及激光器奠基人之一肖洛已经清楚地预见到，激光的单色性、方向性与高亮度将会给日益显得陈旧的光谱学带来新的生机。
正如肖洛与汤斯所预料，在微波激射器的基础上，激光器很快地问世了。激光器问世后，汤斯转到其它研究领域，肖洛进入斯坦福大学物理系执教并开始从事激光光谱学的研究。由于激光器所注入的活力，从60到70年代末期，激光光谱学的进展异常神速。肖洛所在的斯坦福大学研究组始终站在激光光谱研究领域的最前列。这个研究组除了肖洛外，还有一位年青教授汉施（Hansch, T.W）。汉施1968年从德国海德堡大学获得博士学位后不久，便来到斯坦福大学任教。他们领导着来自世界各地的几位访问学者和近十名博士研究生。在整个70年代中，这个友好且富于创造性的研究集体在高分辨率激光光谱学的研究中，做出了多方面的重要贡献，所创造的激光光谱学方法居世界领先地位。它们是：饱和吸收光谱(1971)、内调制荧光光谱(1972)、双光子光谱(1974)、激光识别光谱(1976)、偏振光谱(1976)、两步偏振标识光谱(1979)、光电流光谱(1979)、偏振内调制激励光谱(1981)等。
饱和吸收光谱①是非线性、高分辨率激光光谱中最早出现，也是较普遍应用的一种。在传统的光谱学中，发自分子或原子的热运动引起的谱线增宽是一个非常令人头痛的问题，它们常把许多非线性的测量细节掩蔽了起来。如何才能在不能消除分子、原子热运动的情况下，把它们对谱线的多普勒频移消除掉呢？这的确是一个难题。肖洛等人研制成功的饱和吸收光谱技术解决了这一难题。他们高超的设计思想以及精湛的实验技术令世人称奇。他们先把激光分为两束，一束是较强的泵浦光束，一束为较弱的探测光束。使泵浦光束经过一个称为斩波器的装置调制后，再令两束光以几乎完全相反的方向通过样品。由于泵浦光束足够强，它们与样品的原子作用后，吸收了光量子的原子被泵激至激发态。当其吸收能力达到饱和以后，就暂时不能再吸收相同的辐射光量子。在这种情况下，较弱的探测光束就可以不被吸收地通过样品，到达接收器。要实现上述设计思想，必须使两束光与同一群原子发生作用，即只有那些沿轴向速度为零的原子，才能对两束相向而行的原子不贡献多普勒频移。由于泵浦光束预先经过了调制，在调制激光波长时，通过锁定放大器预先接收到相应的光谱，这样就事先把饱和吸收光谱中那些对多普勒频移无贡献的原子挑选了出来，使泵浦光束仅对这些原子发生作用。1976年，在饱和吸收光谱的基础上，肖洛研究组又引入了偏振效应，研制成功偏振光谱法，使信噪比提高了103倍。偏振光谱法使用的泵浦光为圆偏振光，探测光束是线偏振光。在没有泵浦光束时，由于检偏器的阻挡，偏振光谱的本底很低，接收器接收不到信号。加入泵浦光束以后，泵浦光作用于样品的原子，使气体样品中，只有具有某一角动量分量的原子被激发，介质呈现各向异性，探测光经过气体样品后，变为圆偏振光，其中某一分量被接收器吸收。由此可以看出，接收器所检测到的并非光强变化，而是偏振状态的改变。
饱和吸收光谱技术消除了原子热运动的多普勒频移影响，因此能从谱线的精细结构与超精细结构中，揭示出许多传统光谱技术难以探测到的信息。肖洛等人测到的钠D1线的一个分量最窄线宽仅为 40± 4MHz。而在这以前，它们被宽度数百个MHz的多普勒频宽所掩没，即使使用分辨率最高的摄谱仪也不能发现它们。除了克服了多普勒频移的困难以外，激光饱和吸收光谱技术的灵敏度也高得惊人。1975年，肖洛研究组用这种方法对浓度低到每立方厘米仅有100个原子的钠蒸气进行测量。在这种浓度下，平均每次只有1～2个原子处于探测光束之中，这是传统光谱技术根本无法察觉到的。肖洛等人借助可调谐激光器和其它一些辅助手段，使测量的灵敏度提高到上百万倍，可观测目标达到了构成物质的单个原子或分子的水平。1974年，肖洛小组应用饱和吸收光谱法精确测量了里德伯常数。里德伯常数是瑞典物理学家里德伯（Rydberg，Johannes Robert 1854～1919） 1890年给出里德伯光谱公式中的一个普适常数。随着光谱学与原子物理学的发展，这一常数的重要性也被逐渐揭示出来。根据玻尔的氢原子模型，里德伯常数是氢原子中，电子被质子束缚所需能量的一种尺度。后来发现，几乎涉及一切有关原子、分子结合的理论中，这一常数总会出现。它与其它一些基本物理常数，如电子的质量与电荷、普朗克常数、光速等都有直接的关系。因此，它不仅是计算能级的基础，在光谱学、原子物理学中占有重要地位，而且在全部物理学的基本理论中都有重要的影响。通过对它的精确测量，不仅可以改善其它基本常数的精确程度，还可以检验基本理论间的自冾性。在1974年，肖洛等人首先测量了氢原子的Ha线中最强的精细结构分量3P3/2～3P2/5的跃迁波长，所得到的里德伯常数为R∞=109737.3143(10)cm-1，其精确度比以前提高了10倍。1978年，他们又用偏振光谱法测量了Ha中的另一分量3S1/2～3P1/2的波长，得到的里德伯常数为R∞=109737.31476(32)cm-1，使精度又提高了3倍。近年来，随着激光光谱学的飞速发展，里德伯常数的测量纪录不断地被刷新。1986年的测量结果是R∞=109737.31534(13)cm-1。此后，又陆续出现更精确的测量值。到了90年代初，里德伯常数的测量结果已达到R∞=109737.315709(18）cm-1，从而使它成为迄今为止，与光速c、电子与质子的磁矩比μe/μp、普朗克常数h等并驾齐驱的最精确的物理常数之一。
肖洛等人于1974年还成功地研究了双光子光谱技术①，通过这项技术，人们首次观察到了双光子跃迁现象。过去在理论上曾有预言，物质的原子有可能同时吸收两个光子而跃迁到较高能级，这是一种非线性过程。由于一般光源都较弱，发生这一过程的几率很小，在传统光谱技术中，很难被观测到。激光光谱学要实现这一观测目标，首先要消除分子、原子热运动引起的多普勒频移影响。在获得无多普勒增宽的谱线之后，为得到过程的最大几率，还需借助可调谐激光器，得到半频的单色强激光束。通过粒子双光子吸收后发射的荧光，即可实现对双光子吸收的探测。肖洛小组在这项探测中，使可测频宽达到了1Hz、分辨率达到10-15、谱线位置测量的精确度达到了10-17的高水平。利用双光子光谱技术，他们精确地比较了氢原子1s和2s间，2s和4s间能级间距之比。由此，他们发现了玻尔理论的结果与实验结果有差异，这个差异非常重要，因为它正是基态1s兰姆位移的一个量度，因而也是对量子电动力学的一个检验，这在传统光谱学中是很难做到的。
在非线性激光光谱研究中，另一类十分引人瞩目的课题是高时间分辨率的瞬态激光光谱学。这一领域之所以受到普遍重视在于它具有十分深厚的应用潜力。同时，短脉冲激光技术的发展，又为这项研究打开了发展的前景。在70年代以前，人们对于寿命在百万分之一秒的瞬态粒子不能追踪观察，而瞬态激光光谱学却奇迹般地实现了这一范围的观测。利用激光脉冲还实现了耗时仅有10-12秒的化学过程观测。自皮秒激光器出现以来，在瞬态激光光谱研究中，已有一系列激动人心的成果，人们观测了大量的快速瞬态现象和超快的弛豫过程，如能级寿命测量、反应动力学中的碰撞过程研究、生物过程等。用这项技术，还精确地测量了诸如光子回波、光学章动、自由感应衰变、量子拍频等多种相干瞬态效应。这些效应都是物质对快速激发或激发的猝然终止中产生的，它们难以在稳态光谱学研究中，更不可能在传统光谱学中获得，因而在物理学研究，尤其在分子、原子物理学、凝聚态物理学研究中占有重要地位。总之，在所发展的激光光谱学中，激光光源的优越性被发挥得淋漓尽致。激光的单色性消除了谱线的多普勒频移，这种方法还避免了分光器件线度对分辨率的影响；激光的高强度又使强光与物质粒子的相互作用中，产生各种可观测的非线性光谱效应，强光激励还大幅度地提高了待测信号的强度，因而提高了探测的灵敏度。此外，激光的高度方向性，又可以使人们进行微区或定点的光谱分析。以激光光谱学为代表的现代光谱学不仅给光谱学的发展带来深刻的变革，在多种领域中取得的成果也展示着它广阔的应用前景。由于肖洛在激光光谱学建立与发展中做出了重要贡献，肖洛与发展脉泽技术做出贡献的美国物理学家布洛姆根（Bloembergen，Nicolaes 1920～）共同获得1981年诺贝尔物理学奖。
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