2005年諾貝爾物理學獎 對雷射的精密光譜學發展與貢獻 組員： 4970B038 徐富興 4970B028 陳建良

簡介 量子光學、雷射光譜量測技術改變看世界的角度 2005年的諾貝爾物理獎頒給光學領域的三位科學家。羅伊‧格勞伯(Roy Glauber)在量子光學理論的重要貢獻得了這個獎項的二分之一，約翰‧霍爾(John Hall)與特奧多爾‧亨施(Th eodor Hansch)因發展超精準之雷射光譜量測技術而分享其餘二分之一的獎項。這三位傑出的學者在對光之本質的了解與超精準量測的發展有極為關鍵的貢獻，其成果將影響我們對物質、空間和時間的觀念。

美國物理學家 1934年8月21日 美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）教授 科羅拉多大學物理系講師 約翰·霍爾(John L. Hall) 美國物理學家 1934年8月21日 美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）教授 科羅拉多大學物理系講師

特奧多爾‧亨施(Th eodor Hansch) 德國物理學家 1941年10月30日德國海德堡 馬克斯˙普朗克學會（量子光學）的理事 德國巴伐利亞慕尼黑大學實驗物理學和雷射光譜學教授 學生們在為亨施教授慶祝（美聯社圖片）

雷射的精密光譜學發展 兩位美國學者葛勞柏、霍爾，以及德國學者亨施在光學研究領域卓然有成。這三人分別進行類似的研究，把現代量子物理學應用到光學研究，導致雷射、全球定位科技、光學鐘及其他儀器大有改善，並且研究原子與分子所含光粒子的顏色，精確度極高。亨施以間隔均勻的雷射脈衝判讀頻率，霍爾加以修正精進，對以雷射為基礎的精準光譜學研究發展貢獻極大，其中並包括”光梳頻率技術”，使學術界得以精確的測量十五位數頻率，可實際運用於高精密時鐘，並有助於研發全球定位系統的新科技。 諾貝爾獎評審委員會稱，他們憑借自己的成果“為現代光學展現了新曙光”。

何謂光梳   所謂的“光梳”擁有一系列頻率均勻分布的頻譜，這些頻譜彷彿一把梳子上的齒或一根尺子上的刻度。“光梳”可以用來測定未知頻譜的具體頻率。在２０世紀末期，霍爾和亨施對“光梳”技術進行了有效改進，其精度目前已經可以達到小數點後１５位。

光學鐘 光學鐘最令人興奮的發展，是大幅改善追蹤飛機、船艦與汽車的全球定位系統（ＧＰＳ）的功能。ＧＰＳ裝置接收人造衛星所發射的微波訊號，藉由計算接收訊號所需要的時間，就能確定地球上某物的所在位置，誤差不超過十公尺。 科學家相信，倘若在人造衛星上裝設光學鐘，其定位準確度可提升到誤差不超過一公尺！

主要貢獻 由於霍爾和亨施的研究，“光梳”等技術的測量精度有望在未來進一步提高，並將在很多領域找到用武之地。這些技術改進現有的全球定位系統，提高太空望遠鏡的觀測精度。 歷史的發展顯示，新的現象與發現往往來自量測精準度的改進。

雷射 (laser)

雷射是一種光源，只是它發光的原理和一般光源不同。一般光源是經由「自發放射」，而雷射是以「受激放射」來發光的。提及受激放射，在自然界是觀察不到的，但是它的理論，愛因斯坦早在一九一七年就已推導出來，並且預測了受激放射光的特性。只是以當時的技術，尚不足以在實驗室中證實。愛因斯坦指出，波長較長的電磁波由「受激放射」而發射的機率會較大。

一九六○年，梅曼（Theodore Malman）終於以人造紅寶石實現了光波的受激放射，稱為「雷射」。雷射是英文「laser」的音譯，「laser」又是取「以受激放射強化的輻射光源」（light amplification by stimulated emissions of radiation）諸英文字首所組成。

(2)幫浦能源(pumping sources):提供能量使在低能階的原子激發到高能階，並使原子數目達到居量反轉。 雷射的組成包括: (1)活性介質(active medium):指介質要具有居量反轉特性。 PS:居量反轉: 如果高能階中的原子居量(原子數目)比低能階中的原子居量高的話，便稱為居量反轉 (Population )。 (2)幫浦能源(pumping sources):提供能量使在低能階的原子激發到高能階，並使原子數目達到居量反轉。 (3)光共振腔(optical resonator): 共振腔的主要功能是將光限制在腔內以產生共振，使光返復經過活性介質不斷地被放大，達到臨界值時就會產生雷射光。共振的目的，除了使光放大外，更重要的是產生單色的雷射光。

雷射光的特性: (1)單色性: 雷射具有很高的單色性。 傳統光源與雷射的單色性之比較 光源 光譜線中心波長(nm) △λ(nm) △ν(Hz) 鈉燈 589.6 0.1 9 ×10^10 低壓鎘燈 643.8 0.0013 9.4 ×10^8 氦氖雷射 632.8 10^-8 7.5 ×10^3

單色性比較

(2).雷射光的相干性(同調性)很好 （coherence；同調性） 光波排列整齊 (橫向與縱向的步伐協調良好) 容易呈現干涉效果

雷射光束的準直性很高，經過長距離之後，它仍然維持細小的光束而不散開。 (3).準直性(低發散性) 雷射光束的準直性很高，經過長距離之後，它仍然維持細小的光束而不散開。

(4).高強度 光強度典型值（取週期平均值）的比較 定義:每單位面積上單位立體角的輻射功率 光源 10^4 10^3 10^14 10^-2 (W / m2) 電場振幅 (V/m) 光子密度 (m-3) 每個模態的 光子數 汞燈 10^4 10^3 10^14 10^-2 連續波雷射 10^5 10^15 10^10 脈波雷射 10^13 10^8 10^23 10^18

在微觀世界，個別之原子所具有的能量（動能＋位能）僅能處於一系列不連續且分立的穩定狀態，其中能量最低的狀態稱為基態。 雷射光的原理 在微觀世界，個別之原子所具有的能量（動能＋位能）僅能處於一系列不連續且分立的穩定狀態，其中能量最低的狀態稱為基態。 雖然微觀粒子一般處於最低能量的基態，但若有能量（熱、光、電子）由外部加入於基態時，原子會被激發，而躍遷至高能階狀態（激發態）。然而此激發狀態並不穩定，造成會有原子躍遷到低能階。而產生能量E。E=hv（h：蒲朗克常數，v：光的頻率），也就是所謂的光量子或光子（並不是全部均轉換為光，也可能變成熱能）。位於高能階之原子，因光的受激而躍遷至基態，因而發射出更強的光。此即雷射光發射之基本原理。

雷射光不管是行進方向或相位均整齊一致。這些觀念最初是由愛因斯坦所提出。光雖然由少數的激態原子受激而發射出來，但卻為存在於基態之大部份原子所吸收，因此受激發射之比例必須高於吸收之比例才能使雷射光發射。也就是說高能階之原子數要比低能階之原子數多。 一般而言此居量反轉若能一直進行的話，則可產生連續振盪的雷射（例如He－Ne雷射）。又若此居量反轉僅能瞬間實現的話，就成為脈衝振盪的雷射（例如：紅寶石、YAG、玻璃、氮、色素等雷射）。

雷射光的分類 1.依波長長短可分為紫外線雷射、可見光雷射和紅外線雷射。 2.依介質物態的不同可分為氣態雷射、液態雷射和固態雷射。 3.依輸出功率還可分為高功率雷射、中功率雷射和低功率雷射。

正常居量與居量反轉:

雷射構造示意圖

http://www.epochtimes.com/b5/5/10/4/n1075163.htm - 美德三位科學家獲諾貝爾物理學獎 1. N. Bloembergen and M.D. Levenson: in High-Resolution Laser Spectroscopy, ed. by K. Shimoda, Springer Topics in Appl. Phys., Vol. 13 (Springer-Verlag, 1976). 2. H. Schnatz, B. Lipphart, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996). 3. V. Chebotayev於1992年過世，享年54，無法親眼看到光頻梳的誕生。 4. J. N. Eckstein, A. I. Ferguson, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 40, 847 (1978) 5. M. Kourogi, K. Nakagawa, and M. Ohtsu, IEEE J. Quantum Electron. 29, 2693 (1993). 6. J. L. Hall and T. W. Hansch, Femtosecond Optical Frequency Comb: Principle, Operation, and Applications, edited by J. Ye and S. Cundiff (Springer-Verlag, 2005. 7. T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 24, 881 (1999). 8. D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000). 9. T. Udem, Science 307, 364 (2005). 10. H.C. Chui, M.S. Ko, Y.W. Liu, J.T. Shy, J.L. Peng, and H. Ahn, Opt. Lett. 30, 842 (2005). 11. G. Gohle, T. Udem, M. Herrmann, J. Rauschenberger, R. Holzwarth, H. A. Schuessler, F. Krausz, and T. W. Hänsch, Nature 436, 234 (2005); R. J. Jones, K. D. Moll, M. J. Thorpe, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 94, 193201 (2005).

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