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激光誕生60年，Theodor H?nsch使用激光56年。以激光探索世界，他改進(jìn)染料激光器為精密光譜學(xué)帶去革命性的發(fā)展；他提出激光冷卻理論，原子物理學(xué)從此不同，新晉諾獎(jiǎng)得主層出不窮；他數(shù)十年不斷提高氫原子1S-2S躍遷頻率的測量準(zhǔn)確度，一步一步開創(chuàng)出劃時(shí)代的光學(xué)頻率梳技術(shù)，最終榮獲2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

今天我們回顧Theodor H?nsch與激光的不解之緣。

讓我們回到1969年。當(dāng)年的愛丁堡量子光學(xué)暑期學(xué)校聚集了至少五位未來諾獎(jiǎng)得主，包括剛剛博士畢業(yè)的H?nsch和斯坦福大學(xué)教授Schawlow。初次相遇，H?nsch立刻受Schawlow的風(fēng)趣和敏銳思維所感染，并說服后者接收自己去斯坦福做博后。一對良師益友就此走到一起，而H?nsch也將在斯坦福度過極富創(chuàng)造力的16年科研生涯。

Theodor H?nsch和Arthur Schawlow

1970年3月，在前往斯坦福的途中，H?nsch轉(zhuǎn)道貝爾實(shí)驗(yàn)室拜訪時(shí)見到了氮?dú)饧す獗闷秩玖霞す馄?。他意識(shí)到，如果能夠壓縮染料激光的線寬，就能用在無多普勒展寬的飽和吸收光譜學(xué)上。這說明關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域研究的重要性，就像他在諾貝爾獎(jiǎng)演說中提到，得知英國巴斯大學(xué)Philip Russell團(tuán)隊(duì)早幾年就已開創(chuàng)了光子晶體光纖時(shí)已經(jīng)太晚。否則，跨倍頻程的自參考光學(xué)頻率梳可能更早誕生。

到達(dá)斯坦福后，H?nsch購買了一臺(tái)氮?dú)饧す馄鏖_始搭建自己的染料激光器。這種基于光柵的可調(diào)諧染料激光器的線寬太寬，他認(rèn)為增加光柵的照射面積可以提高光柵分辨率，由此減小激光線寬。于是他就從口袋掏出一個(gè)普通望遠(yuǎn)鏡，這是他聽講座時(shí)用來看幻燈片用的。望遠(yuǎn)鏡插入激光腔內(nèi)擴(kuò)大光束，照明更大的光柵面積，激光線寬隨即被明顯壓縮。著名的H?nsch牌可調(diào)諧、窄線寬染料激光器從此開啟神奇的光譜研究之旅。

T. W. H?nsch,"Repetitively Pulsed Tunable Dye Laser for High ResolutionSpectroscopy," Appl. Opt. 11, 895-898 (1972)

H?nsch和Schawlow使用這種染料激光器推動(dòng)了一系列光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展，比如飽和吸收光譜、偏振光譜、雙光子吸收光譜，甚至用于研究果凍變成可食用激光器的可能性。通過消除多普勒頻率展寬，他們能夠以前所未有的高分辨率研究原子和分子光譜，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證原子理論或者測量基本常數(shù)，這一系列的成果最終使Schawlow獲得了1981年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

H?nsch在研究染料激光器的過程中認(rèn)識(shí)到，一種新工具能夠解鎖眾多應(yīng)用之門，而且，簡單但粗略的原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可能比完美但復(fù)雜到令人敬畏的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生更大的反響。

Theodor H?nsch

斯坦福，1978年

Arthur Schawlow

生活大爆炸萊納德原型

1975年，H?nsch和Schawlow提出激光冷卻原子氣體的理論，促使很多物理學(xué)家開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)并因此摘得諾獎(jiǎng)，包括1997年的光學(xué)粘膠和2001年的波色愛因斯坦凝聚(BEC)；其中因?yàn)锽EC獲獎(jiǎng)的Carl Wieman是H?nsch在斯坦福的博士學(xué)生。發(fā)現(xiàn)Schawlow也是很神奇，他和Townes在1958年奠定激光理論基礎(chǔ)但沒有做出實(shí)驗(yàn)，他和H?nsch奠定激光冷卻原子理論但將其擱置。大神總是把幸運(yùn)的路留給別人探索。

1995年，H?nsch在馬克斯量子光學(xué)研究所的團(tuán)隊(duì)還提出了一種緊湊型外腔二極管激光器(ECDL)，使用光柵構(gòu)造外腔實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻工作。這種激光器配置在原子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中一直占據(jù)很重要的地位。

對于H?nsch在斯坦福的研究，實(shí)驗(yàn)工作一般只要一個(gè)學(xué)生或者加一個(gè)博士后就能完成，所以一有新想法就能快速實(shí)施。這正是H?nsch最喜歡的理想環(huán)境，便于發(fā)揮深刻的理解和想象力。當(dāng)年他放棄熱門的粒子物理學(xué)選擇剛剛起步的激光研究正是因?yàn)榍罢咝枰軓?qiáng)的團(tuán)隊(duì)合作不符合其性格和興趣。他第一眼就被氦氖激光的散斑圖案迷住，那還是遙遠(yuǎn)的海德堡時(shí)代，也是激光問世后的第4年，那年他只有23歲。

在這些敏捷型的研究中產(chǎn)生了一系列新的光譜技術(shù)(比如H?nsch-Bordé技術(shù))、新的激光類型(比如可食用果凍激光器 :)、新的穩(wěn)頻技術(shù)(比如H?nsch-Couillaud技術(shù))以及無數(shù)科研靈感，促使一代又一代的學(xué)生和訪問學(xué)者不斷利用激光探索科學(xué)前沿。H?nsch現(xiàn)有50多位博士或博后學(xué)生成為教授。為慶祝其75歲生日，Springer曾專門出了一本《Exploring the World with the Laser》論文集（

），包含其同事、合作者和朋友們所寫的43篇文章。感興趣的讀者可通過拓展鏈接瀏覽文獻(xiàn)目錄。

書中除了新的激光技術(shù)，比如972.5 nm摻鐿放大器四倍頻至243.1 nm、基于雙濾光片選頻的外腔二極管激光器以及Figure 9?飛秒光纖激光器，還有激光在光譜學(xué)、原子物理學(xué)和光力學(xué)領(lǐng)域的眾多前沿應(yīng)用。

Exploring the World with the Laser

Dedicated to Theodor H?nsch on his 75th birthday

H?nsch和Schawlow的科研氛圍充滿快樂和樂趣，兩人都對70年代興起的微電腦非常感興趣，并且花很多錢購買設(shè)備，包括第一代蘋果電腦(喬布斯還去上過H?nsch的電磁學(xué))，以至于辦公室看起來就像太空項(xiàng)目的控制中心。他們在1980年左右靠寫簡單圖形軟件賺了幾十萬美元，如果當(dāng)年在硅谷成立一家圖形軟件公司，也許今天也是Adobe級(jí)別。為了在舊金山灣區(qū)個(gè)人電腦展上吸引更多注意，H?nsch甚至整了一家叫做Menlo Systems Inc.的公司，因?yàn)樵陔娔X展商的眼里，斯坦福教授畢竟沒有創(chuàng)業(yè)公司CEO吃香。

1986年，H?nsch離開斯坦?；氐降聡?，把硅谷的創(chuàng)業(yè)精神帶到了普朗克量子光學(xué)研究所。2001年，他的兩位學(xué)生Ronald Holzwarth和Michael Mei創(chuàng)立Menlo Systems GmbH，致力于為全球科學(xué)家提供最精密的計(jì)量設(shè)備。公司名稱源于新澤西州的Menlo Park，也就是愛迪生發(fā)明燈泡的地方。

飛秒激光器、THz光譜儀、光梳、超穩(wěn)激光器

光梳的誕生，源自H?nsch幾十年來對氫原子1S-2S躍遷頻率精密測量的極致追求。關(guān)于光梳發(fā)展中的一些關(guān)鍵技術(shù)突破，您可參閱H?nsch的諾貝爾獎(jiǎng)演講稿(Passion for precision)，以下重點(diǎn)介紹載波包絡(luò)偏移頻率的測量。

1996年，F(xiàn)erenc Krausz等人發(fā)現(xiàn)，連續(xù)波鎖模激光器無法輸出相同的脈沖，不管每個(gè)縱模的相位鎖定得多么完美，也不管頻率間距如何相等。這是因?yàn)榧す庵C振腔內(nèi)色散元件中的群速度和相速度(分別決定脈沖包絡(luò)和載波的傳播速度)略有不同。

激光鎖模

從時(shí)域到頻域，從脈沖串到頻率梳

如上圖所示，脈沖每次在腔內(nèi)往返后，載波包絡(luò)(CE)相位都會(huì)產(chǎn)生一定偏移(Δφ)：

其中??R為往返相位延遲(取決于相速度)，ωL為載波角頻率，TR為激光脈沖的往返時(shí)間(取決于群速度)。這種準(zhǔn)周期脈沖串的傅里葉變換頻譜為一系列等距譜線，每條譜線的頻率由下式給出：

這個(gè)公式將一個(gè)光學(xué)頻率(ωn)和兩個(gè)射頻(ωr和ω0)聯(lián)系在一起。式中n是一個(gè)高達(dá)百萬的整數(shù)，而ωr=2π/TR為往返頻率，可直接用光電二極管測量。所以測量光學(xué)頻率的關(guān)鍵在于另一個(gè)射頻：偏移頻率ω0。

ω0和Δφ的簡單關(guān)系如下：

因此，控制和穩(wěn)定CE相位可通過控制偏移頻率進(jìn)行，為此可使用H?nsch發(fā)明的自參考技術(shù)測量。對于跨倍頻程的鎖模頻譜，其低頻端倍頻后與高頻端干涉，剛好在2(nωr + ω0) - (nωr + ω0) = ω0處得到所需強(qiáng)度調(diào)制的拍頻信號(hào)，使用光電二極管就可將其測出。知道偏移頻率后就能知道頻率梳每一條譜線的頻率，就像一把光學(xué)直尺，測量未知激光時(shí)只需找到最近的梳線進(jìn)行比對即可。

使用飛秒光梳測量連續(xù)激光頻率的示意圖

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原標(biāo)題：《那些年，諾獎(jiǎng)得主用過的激光器》

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