發展歷史

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).

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。

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）

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）

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).

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).

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。

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).

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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）。

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).

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).

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。

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).

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).

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）

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

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).

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).

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。

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).

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。

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。