1917
基礎理論
愛因斯坦提出受激輻射
愛因斯坦在討論輻射與物質達成平衡的論文中引入 A、B 係數，指出除了吸收與自發輻射，還存在受激輻射：入射光子會誘發原子放出一個與它同頻率、同相位、同方向的光子。這是雷射的理論根基。
A. Einstein, “Zur Quantentheorie der Strahlung”, Physikalische Zeitschrift 18, 121 (1917).
雷射技術：
從受激輻射到阿秒脈衝
一頁看完雷射的發展歷史與技術路線圖，並連到基礎原理、雷射種類與超快雷射的專題文章。
- 基礎理論
- 固態與光纖
- 氣體與液體
- 半導體
- 超快
- 量子與精密
- 應用與產業
由上到下依序為各領域；點選圓點可跳到對應的歷史條目；圓環表示與諾貝爾物理獎相關。
技術路線圖
依技術主題整理目前的成熟程度，以及未來幾年值得關注的方向。
成熟：已大量商用，改進以效率與成本為主。成長：已有商品，且仍快速演進。研究：主要在實驗室與大型設施階段。 本表是編者依公開文獻與產業現況整理的判斷，用來標示方向，不是預測，也不是投資建議。
| 技術主題 | 現況（2026） | 近期（約 1–3 年） | 中長期（約 5–10 年） |
|---|---|---|---|
| 高功率光纖雷射與光束合成成熟 | 千瓦級摻鐿（Yb）光纖雷射已是金屬切割與焊接的主流光源；多模組合成的更高功率機型已有商品。 | 抑制光纖中的受激拉曼散射（SRS）與橫模不穩定（TMI），在提高功率的同時維持光束品質；藍光與綠光高功率光源開始用於銅等高反射材料。 | 相干光束合成從實驗室示範走向可用的工程系統；成本與穩定度能否達到工業要求，仍待驗證。 |
| 超快雷射（皮秒／飛秒）成長 | 工業級皮秒與飛秒雷射已用於精密加工、顯示面板與半導體相關製程，平均功率達數十至數百瓦。 | 更高重複率與脈衝群（burst）操作、更高平均功率，以及全保偏（all-PM）光纖架構帶來的環境穩定性與較低成本。 | 若成本與可靠度持續改善，超快雷射有機會從高附加價值製程擴散到更廣的量產線；這是趨勢判斷，不是既定結果。 |
| 紫外與極紫外光源成長 | 355 nm 等紫外固態雷射用於電路板與晶圓加工；193 nm ArF 準分子雷射是深紫外微影光源；13.5 nm EUV 微影已量產，以高功率 CO₂ 雷射轟擊錫液滴產生電漿。 | 更高功率與更高能量轉換效率的 EUV 光源；深紫外固態光源與無光罩（maskless）直寫等替代路線的研究。 | 更短波長或不同原理的光源（例如自由電子雷射）是否具備經濟性，仍屬研究議題。 |
| 中紅外與量子級聯雷射成長 | 量子級聯雷射（QCL）與光參量振盪器已用於氣體感測與光譜分析；許多波段仍缺少緊湊、高功率的光源。 | 室溫連續波的高功率 QCL、QCL 頻率梳，以及與光子晶片整合的中紅外元件。 | 小型化的中紅外感測器走向環境監測與醫療診斷等普及應用；時程取決於成本與可靠度。 |
| 光子積體與晶片級雷射成長 | 矽光子收發模組用於資料中心的光互連；光源多為 III-V 族材料，以外掛或異質整合的方式接到矽晶片上。 | 共同封裝光學（CPO）、直接在矽上成長的量子點雷射，以及更高整合度的光源陣列。 | 光學互連逐步深入到晶片與晶片之間，甚至晶片內部；良率與熱管理仍是主要挑戰。 |
| 量子與精密計量成長 | 窄線寬雷射、光學頻率梳與光學原子鐘是精密計量的核心；QKD 已有商用產品與實驗網路，光源多為弱相干脈衝，搭配單光子偵測器。 | 頻率梳與窄線寬雷射的小型化與光子晶片化；QKD 收發端的整合與標準化，以及衛星與光纖網路的結合。 | 光學時鐘網路，以及國際上正在討論的秒定義更新；這些屬於研究與標準化進程，時間表尚未確定。 |
| 高能量與高場雷射研究 | 美國 NIF 於 2022 年 12 月首次達成點火，聚變輸出能量高於送到靶丸的雷射能量；拍瓦（PW）級超快雷射設施已在多國運作。 | 提高重複率與整體電光效率，二極體泵浦的高能量系統，以及更緊湊的高峰值功率光源。 | 以雷射慣性聚變作為發電來源仍屬遠期研究，在重複率、效率與成本上都還有很大的距離。 |
發展歷史
從 1917 年的受激輻射理論，到今日的阿秒脈衝與聚變點火。圓點依領域分列，空心圓環表示與諾貝爾物理獎相關。
1910 年代
1920 年代
1928
基礎理論
負色散的實驗跡象
Rudolf Ladenburg 等人在受激發的氖氣中觀察到與受激輻射相符的「負色散」現象，被視為最早的實驗跡象之一。
1950 年代
1950
基礎理論
Kastler 的光學泵浦
法國物理學家 Alfred Kastler 提出用光照射改變原子能階居量的光學泵浦方法，後來成為固態與氣體雷射建立居量反轉的重要手段。
1966 年諾貝爾物理獎：Alfred Kastler（光學泵浦）
1954
基礎理論
第一台微波激射器（maser）
Townes、Gordon 與 Zeiger 在哥倫比亞大學以氨分子做出微波波段的受激輻射放大器；蘇聯的 Basov 與 Prokhorov 也獨立發展出同一原理。
1964 年諾貝爾物理獎：Townes、Basov、Prokhorov（量子電子學，導出 maser 與雷射原理）
1958
基礎理論
提出光學波段的 maser
Schawlow 與 Townes 發表〈Infrared and Optical Masers〉，說明把微波激射原理推廣到紅外與可見光所需的共振腔與條件。
Schawlow 於 1981 年與 Bloembergen 分享諾貝爾物理獎（雷射光譜學貢獻）
A. L. Schawlow, C. H. Townes, Physical Review 112, 1940 (1958).
1960 年代
1960
固態與光纖
Maiman 的紅寶石雷射
1960 年 5 月，Theodore Maiman 在 Hughes Research Laboratories 以閃光燈泵浦紅寶石晶體，得到波長 694.3 nm 的脈衝紅光，公認為第一台雷射。
T. H. Maiman, “Stimulated Optical Radiation in Ruby”, Nature 187, 493 (1960).
1960
氣體與液體
第一台氣體雷射
Javan、Bennett 與 Herriott 在貝爾實驗室做出氦氖雷射（最初為約 1.15 μm 的紅外光），也是第一台連續輸出的雷射；632.8 nm 的紅光氦氖雷射隨後成為實驗室與量測的常用光源。
A. Javan, W. R. Bennett Jr., D. R. Herriott, Physical Review Letters 6, 106 (1961).
1961
固態與光纖
釹玻璃雷射
Elias Snitzer 在 American Optical 做出摻釹玻璃雷射。後來的大型高能量系統（例如雷射聚變裝置）採用的就是釹玻璃放大器。
1962
固態與光纖
Q 開關
Q 開關讓共振腔先累積反轉居量、再瞬間釋放，產生高峰值功率的奈秒脈衝。Hellwarth 提出構想，並與 McClung 於 1962 年以紅寶石雷射實證。
F. J. McClung, R. W. Hellwarth, Journal of Applied Physics 33, 828 (1962).
1962
半導體
半導體雷射二極體
1962 年，GE（Hall；Holonyak 為可見光版本）、IBM（Nathan）與 MIT 林肯實驗室（Quist）等團隊相繼發表 GaAs 等材料的注入式雷射，當時需在低溫以脈衝方式操作。
R. N. Hall et al., Physical Review Letters 9, 366 (1962).
1964
氣體與液體
二氧化碳雷射
Kumar Patel 在貝爾實驗室發明 CO₂ 雷射，波長約 10.6 μm，電光效率高、可達高功率，長期主導金屬切割與焊接。
1964
固態與光纖
Nd:YAG 雷射
Geusic 等人在貝爾實驗室做出 Nd:YAG，波長 1064 nm。晶體的導熱與機械性質良好，成為固態雷射的主力，倍頻後可得 532 nm、355 nm 等波長。
1964
氣體與液體
氬離子雷射
William Bridges 在 Hughes 展示氬離子雷射，連續輸出藍綠光（488 nm、514.5 nm），長期用於顯示、光譜與醫療。
1964
超快
鎖模
Hargrove、Fork 與 Pollack 以腔內調變鎖定氦氖雷射的縱模，得到規律的短脈衝，奠定超快雷射的基本方法。
L. E. Hargrove, R. L. Fork, M. A. Pollack, Applied Physics Letters 5, 4 (1964).
1966
氣體與液體
染料雷射
Sorokin 與 Lankard（IBM）以及 Schäfer 等人分別做出以有機染料為增益介質的雷射，可在寬頻範圍調諧，之後長期是可調諧光源與超短脈衝的主要工具。
1966
應用與產業
低損耗光纖的構想
高錕（Charles Kao）與 Hockham 指出玻璃光纖的損耗主要來自雜質而非本質限制，可望降到約 20 dB/km，使光纖通訊成為可能。
2009 年諾貝爾物理獎：高錕（光在光纖中傳輸的開創性成就）
K. C. Kao, G. A. Hockham, Proceedings of the IEE 113, 1151 (1966).
1969
應用與產業
雷射測月
Apollo 11 太空人在月面放置後向反射器，地面站以雷射脈衝測量往返時間，之後的地月距離量測逐步達到公分甚至毫米等級。
1970 年代
1970
半導體
室溫連續波雙異質結構雷射
Alferov 團隊（Ioffe 研究所）與 Hayashi、Panish（貝爾實驗室）先後做出可在室溫連續運作的 AlGaAs 雙異質結構雷射二極體，半導體雷射從此進入實用。
2000 年諾貝爾物理獎：Alferov、Kroemer（半導體異質結構）
1970
應用與產業
低損耗光纖問世
Corning 的 Kapron、Keck 與 Maurer 做出損耗低於 20 dB/km 的光纖。與室溫半導體雷射同一年出現，光纖通訊的兩項關鍵條件到位。
1974
應用與產業
條碼掃描
1974 年 6 月，美國俄亥俄州 Troy 的一家超市完成首次商業條碼掃描，使用雷射掃描器。
1970 年代
氣體與液體
準分子雷射
1970 年 Basov 等人先以受激氙二聚體展示準分子雷射，1970 年代中期出現稀有氣體鹵化物（如 KrF、XeCl、ArF），輸出紫外光，後來用於光學微影與眼科屈光手術。
1980 年代
1982
超快
鈦藍寶石雷射
Peter Moulton（MIT 林肯實驗室）展示 Ti:sapphire 雷射。它的增益頻寬極寬（約 650–1100 nm），成為飛秒雷射的主力增益介質。
1982
應用與產業
光碟（CD）
Sony 與 Philips 推出 CD，以約 780 nm 的半導體雷射讀取資料，半導體雷射進入消費電子。
1984
量子與精密
BB84 量子密鑰分發協定
Bennett 與 Brassard 提出以光子的偏振態傳送密鑰的協定：任何竊聽都會擾動量子態而留下痕跡。這個構想日後發展為量子密鑰分發（QKD）。
1985
超快
啁啾脈衝放大（CPA）
Strickland 與 Mourou（羅徹斯特大學）先把脈衝在時間上拉長、放大，再壓縮回短脈衝，避開放大器與光學元件的損傷極限，使峰值功率提高數個數量級。
2018 年諾貝爾物理獎：Mourou、Strickland（CPA；與 Ashkin 的光鑷共同獲獎）
D. Strickland, G. Mourou, Optics Communications 56, 219 (1985).
1987
固態與光纖
摻鉺光纖放大器（EDFA）
Southampton 大學的 Mears、Reekie、Jauncey、Payne 等人，與貝爾實驗室的 Desurvire 等人，展示 1550 nm 的低雜訊摻鉺光纖放大器，以光放大取代電中繼，成為長距離光纖通訊的基礎。
R. J. Mears et al., Electronics Letters 23, 1026 (1987).
1987
超快
6 飛秒脈衝
Fork、Brito Cruz、Becker 與 Shank（貝爾實驗室）以脈衝壓縮達成約 6 fs 的可見光脈衝。
R. L. Fork et al., Optics Letters 12, 483 (1987).
1988
固態與光纖
包層泵浦光纖雷射
Snitzer 等人提出雙包層光纖：多模的高功率半導體泵浦光耦合進包層，被單模纖芯逐步吸收。這是高功率光纖雷射的關鍵設計。
1990 年代
1991
超快
克爾透鏡鎖模
Spence、Kean 與 Sibbett（聖安德魯斯大學）在 Ti:sapphire 中利用克爾透鏡效應實現自啟動鎖模，得到數十飛秒的脈衝，讓飛秒雷射走出專門的超快實驗室。
D. E. Spence, P. N. Kean, W. Sibbett, Optics Letters 16, 42 (1991).
1994
半導體
量子級聯雷射（QCL）
Faist、Capasso 等人在貝爾實驗室做出量子級聯雷射：波長由量子井的層厚設計決定，而不是材料能隙，涵蓋中紅外到太赫茲。
J. Faist et al., Science 264, 553 (1994).
1996
半導體
藍紫光雷射二極體
中村修二（日亞化學）以氮化銦鎵（InGaN）做出可連續運作的藍紫光雷射二極體，後來用於藍光光碟；相同的氮化鎵材料體系也帶動了藍光 LED 與固態照明。
2014 年諾貝爾物理獎：赤崎勇、天野浩、中村修二（藍光 LED 與氮化鎵材料）
1997
量子與精密
雷射冷卻與原子囚禁
1980 年代中期起，朱棣文、Cohen-Tannoudji、Phillips 等人發展出以雷射降低原子速度並將其囚禁的方法，為原子鐘、量子模擬與量子計算打下基礎。這三人於 1997 年獲諾貝爾物理獎。
1997 年諾貝爾物理獎：朱棣文、Cohen-Tannoudji、Phillips
2000 年代
2000
量子與精密
光學頻率梳
Hall、Hänsch 等人發展以鎖模雷射產生等間距頻率梳，2000 年前後完成載波包絡相位（CEO）的穩定，可把光頻與微波頻率直接連結，是光學原子鐘與精密光譜的關鍵工具。
2005 年諾貝爾物理獎：Hall、Hänsch（光學頻率梳；Glauber 為量子光學理論）
D. J. Jones et al., Science 288, 635 (2000).
2001
超快
阿秒脈衝
兩個團隊（Agostini 等、Krausz 等）在 2001 年前後首次量測到阿秒（10⁻¹⁸ 秒）等級的光脈衝，來源是高次諧波產生。
2023 年諾貝爾物理獎：Agostini、Krausz、L’Huillier
P. M. Paul et al., Science 292, 1689 (2001); M. Hentschel et al., Nature 414, 509 (2001).
2000 年代
固態與光纖
千瓦級光纖雷射進入金屬加工
2000 年代中期起，摻鐿雙包層光纖雷射的功率與效率快速提升到千瓦級，在許多金屬切割與焊接應用中逐步取代 CO₂ 與燈泵固態雷射。
2010 年代
2016–17
量子與精密
衛星量子通訊
2016 年 8 月，中國發射墨子號量子科學實驗衛星；2017 年發表衛星與地面站之間的量子密鑰分發與糾纏分發實驗。
S.-K. Liao et al., Nature 549, 43 (2017).
約 2019
應用與產業
EUV 微影進入量產
約 2019 年起，13.5 nm 的 EUV 微影用於先進邏輯晶片量產。光源以高功率 CO₂ 雷射轟擊錫液滴產生電漿，是雷射在半導體製造中最關鍵的應用之一。
2020 年代
2022
應用與產業
NIF 聚變點火
2022 年 12 月 5 日，美國國家點火設施（NIF）以 2.05 MJ 的雷射能量驅動靶丸，得到約 3.15 MJ 的聚變能量，首次讓聚變輸出超過送到靶丸上的雷射能量。這不等於整個系統的能量淨增益。