激光之父:1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.01.190
1 汤斯先生生平与家庭成员图1 查尔斯?汤斯教授
美国实验和理论物理学家、发明家和教育家查尔斯?哈德?汤斯（见图1，Charles Hard Townes，1915.07.28―2015.01.27，属相：卯兔，星座：狮子座）出生于南卡罗来纳州格林维尔县格林维尔市（Greenville city），具有苏格兰血统，家里拥有一个小农场。其父老亨利（Henry Keith Townes，Sr.，1876.10.16―1958.06.13）是一位事业有成的律师；母亲埃伦（Ellen Sumter Townes，née Hard，1881.11.06―1980.09.04）1902年毕业于格林维尔女子学院（Greenville Womens College，1933年并入福尔曼大学），曾想攻读医学硕士并成为一名医师，后在自己双亲的劝阻下而放弃职业追求，她性格宽容，自小就有意识地培育孩子们的各种兴趣和爱好。老亨利夫妇婚后育有3子3女：长女玛丽（Mary Ella Nyland），图书管理员；次女艾伦（Ellen Whilden Townes Taylor），拉丁语教师；长子小亨利（Henry Keith Townes，Jr.，1913.01.20―1990.05.02），密歇根大学知名昆虫学家和动物学家，其夫人是一位植物学家；次子查尔斯?汤斯；幼女沃拉丽亚（Aurelia Keith Townes Schawlow，1923―1991.05.09，因汽车车祸逝世），声乐硕士，音乐家（作曲家、女中音歌手和合唱指挥）；幼子乔治（George Franklin Townes），律师和法学家。1951年5月19日汤斯小妹沃拉丽亚嫁给物理学家肖洛（1924―1950年随父母定居加拿大多伦多，经拉比教授介绍，在美国碳化物和碳化工公司基金的资助下，1950―1951年在哥伦比亚大学汤斯手下进行有关微波波谱学在有机化学中的应用方面的博士后研究），婚后育有1子2女：独子凯斯（Arthur ″Artie″ Keith），自闭症（孤独症）患者；长女海伦（Helen Aurelia Johnson），斯坦福大学法语硕士，法国博士（1987年），威斯康星大学法语助理教授；次女伊迪丝（Edith Ellen ″Edie″ Dwan），斯坦福大学心理学学士（1981年）。
1940年冬汤斯在假日滑雪时初识弗朗西斯图2 汤斯夫妇晚年照（Frances Hildreth Townes，née Brown，1916.02.13―）小姐，1941年5月4日他俩在新罕布什尔州库斯县（Cos/Coos county）柏林市（Berlin city）登记结婚，弗朗西斯毕业于马萨诸塞州史密斯学院（Smith College，著名图3 2014年弗朗西斯?汤斯女士98岁时生日的七姊妹联盟学院成员），曾任加利福尼亚州（简称加州）奥克兰博物馆自然历史部的讲解员，在哥伦比亚大学给外国学生教过英语，在麻省理工学院（MIT）组织过女教师的职业培训，2007年出版其回忆录《一个科学家妻子运气不佳的遭遇》（Misadventures of a Scientists Wife）。汤斯夫妇婚后育有4女：琳达（Linda Lewis Townes Rosenwein），密歇根大学心理学博士；埃伦（Ellen Screven Townes Anderson），加利福尼亚大学伯克利分校（UCB）解剖学硕士；卡娜（Carla Keith Kessler Townes Lumsden），加州斯克利普斯学院（Scripps College，属女子学院）学士，机械工程师；霍莉（Holly Townes Robinson），没有上过大学，伯克利市职员。汤斯夫妇晚年（见图2和图3）一直居住在加州阿拉米达县（Alameda county，县治所在地是奥克兰）伯克利市（Berkeley city）圣安东尼奥大道第1988号（1988 San Antonio Avenue，CA94707）。汤斯教授因年事已高且健康日差，2015年1月27日身体状况突然恶化，在被送往奥克兰市（Oakland，位于伯克利市南部9 km处）就医途中不幸仙逝，享年100岁，差半年多1天而遗憾地未能迈入期颐之年（汤斯的享年精确值是99.4986岁，位列诺物奖得主享年第一，位列诺奖得主享年第三）。他是诺物奖历史上的第120位和诺奖历史上的第565位逝者。与汤斯同一天逝世的法国化学家沙文（Yves Chauvin，1930.10.10[CDF1]2015.01.27，2005CH31）则是诺化奖历史上的第107位和诺奖历史上的第566位逝者。 汤斯的主要学习经历：1931年毕业于格林维尔市公立中学；1935年以优异成绩（summa cum laude）获格林维尔私立福尔曼大学（Furman University，1826年成立，曾隶属于福音浸礼宗教会）双学士学位（现代语言学BA和物理学BS），大二时被物理学“美丽的逻辑结构”所迷倒而终身倾注于科学研究；1936年（源自诺奖官网“Biographical”，1991年汤斯在接受“口述历史”记者采访时亲自证实过此事，故普遍流传的“1937年”之说是错误的）获北卡罗来纳州私立杜克大学（Duke University）物理学MA，其硕士学位论文是关于范德格拉夫发生器（Van de Graaf generators，又称范德格拉夫加速器、范德格拉夫起电机、带式静电发生器）方面的。范德格拉夫发生器是一种将机械能直接转换为电能的直流高电压发生器，1931年由荷兰裔美国物理学家范德格拉夫（Robert Jemison Van de Graaff，1901.12.20―1967.01.16）发明，它是带电粒子加速器的先驱；1939年获加利福尼亚理工学院CIT/Caltech（California Institute of Technology，中文常简称为加州理工学院）物理学PhD，其博士学位论文是《碳的重同位素浓度及其核自旋的测量》（Concentration of the heavy isotope of carbon and measurement of its nuclear spin），导师是斯迈思（William Ralph Smythe，1893―1988）教授。文献[1]P29中的“他（指汤斯）撰写的《碳十三的自旋》的学位论文，发表在一九三九年《物理评论》杂志上”是不准确的，因为该文并不直接是汤斯的博士学位论文，只是他和导师1939年合著的1篇与博士论文有关的文章而已。[2]汤斯的语言能力很强，除英语以外，还具有一定的法语、德语、西班牙语、意大利语、希腊语、俄语和拉丁语的阅读和表达能力。
汤斯的主要工作经历和职衔：1937―1939年任加州理工学院物理学助教；1939―1947年（诺奖官网“Biographical”中的“1933―1947年”之说有误）任美国贝尔实验室[Bell Labs/Laboratories，曾名AT&T Bell Labs和Bell Telephone Labs，1925年成立，1925―1983年属于AT&T/Western Electric，1984―1986年属于AT&T，1996―2006年属于朗讯科技（Lucent），2006年起隶属于法国阿尔卡特朗讯（Alcatel-Lucent）公司，其总部原设在纽约市，1941年迁至新泽西州Murray Hill]技术员（technical staff），从事雷达投弹轰炸（瞄准导航）系统的设计和研究；1948―1961年任哥伦比亚大学物理学副教授（1948―1950年）和教授（1950―1961年），其中1950年任该大学亚当斯会员（Adams Fellow），1950―1952年任辐射实验室执行主任，1952―1955年任物理系主任（1945―1949年拉比任主任，1949―1952年和1960―1963年库什任主任），1955―1956年利用15个月假期携全家游学欧洲和亚洲，1959―1961年兼任（属借调性质）华盛顿国防分析研究所IDA（Institute for Defense Analysis）副所长和研究主任；1961―1966年任麻省理工学院MIT（Massachusetts Institute of Technology，号称“工程师的摇篮”）教务长（provost）兼物理学教授，1966―1967年任MIT物理学全院级教授（Institute Professor）；1967―1986年任教于加利福尼亚大学伯克利分校UCB（University of California，Berkeley），是整个加利福尼亚大学物理学全校级教授（University Professor），1985―1986年任UCB全校级研究讲师（Faculty Research Lecturer）。1986年7月正式退休，但UCB研究生院在物理系给他保留一个办公室（office at Birge Hall）。
汤斯教授的职业生涯还包括（均属兼职性质）：1958―1961年任美国空军科学咨询委员会成员；曾任美国总统科学咨询（顾问）委员会PSAC（Presidents Science Advisory Committee）成员（1960―1963年和1966―1970年）和副主席（1967―1969年），1976―1977年任美国总统科学技术委员会成员；1963―1968年任加州索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies，1960年成立）理事会（board of trustees）成员；1964―1970年任美国国家航空航天局（NASA）载人航天飞行科学技术顾问委员会主席，1966―1970年任NASA阿波罗登月计划科学咨询委员会主席，1971―1977年任NASA航天计划顾问理事会主席；1965―1970年任美国著名智库兰德公司RAND（Research and Development，1948年5月14日成立，美国最重要的以军事为主的综合性战略研究机构，被誉为世界智囊团的开创者）理事会成员和顾问；1966―1985年任珀金埃尔默公司（PerkinElmer Corp./Corporation）董事会（board of directors）成员；1971―1973年任通用汽车公司（General Motors Corp.）科学咨询委员会主席，1973―1978年任该公司董事会荣誉董事，1978―1986年任该公司癌症研究基金会理事会成员；1971―1986年任伍兹霍尔海洋研究所WHOI（Woods Hole Oceanographic Institution，1930年成立）理事会成员；1979―1984年任加州理工学院董事会成员，1985年起任该学院荣誉董事；1982―1986年任美国国防部国防科学委员会DSB（Defense Science Board）成员；1983―1993年任伯克利太平洋宗教学校PSR（Pacific School of Religion）理事会成员；1987―1990年任太平洋天文学会ASP（Astronomical Society of the Pacific，1889年2月7日成立于旧金山）董事会成员。里根（1983年3月23日首先提出“战略防御倡议”，即星球大战计划）政府时期曾任国防部战略武器和MX导弹委员会主席。 汤斯教授是孟加拉和喜马拉雅盆地国际研究所IIBHB（International Institute of Bengal and Himalayan Basins，2009年成立，其总部设在加州伯克利，另在英国、孟加拉国和印度设有分支机构）的创始人和顾问之一，IIBHB致力于解决全球水危机和研究减少有毒物质进入饮用水资源的解决方案。
汤斯教授于1950―1952年任《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments，1930年创刊，由美国物理联合会主办）杂志编辑；1951―1953年任《物理评论》（Physical Review，1893年7月1日创刊，由美国物理学会主办）杂志编辑；1957―1959年任《哥伦比亚大学论坛》（Columbia University Forum）编辑；1957―1960年任《分子光谱学杂志》（Journal of Molecular Spectroscopy，1957年创刊，现是爱思唯尔Elsevier旗下出版物）编辑；1963―1965年任《导弹防御研究杂志》 （Journal of Missile Defense Research）编辑；1978―1984年任《美国国家科学院学报》（Proceedings of the National Academy of Sciences，1915年创刊，由美国国家科学院主办）编辑；1995年起任《加拿大物理学杂志》（Canadian Journal of Physics，1929年创刊，由NRC Research Press出版）编辑。
汤斯教授在政治上坚持独立立场，他是美国联合基督教会UCC（United Church of Christ）一位活跃而虔诚的新教教徒，曾任哥伦比亚大学附近一所教堂的执事，其双亲则信奉新教浸礼宗（Baptist，又称浸信宗）。UCC由福音派归正教会（Evangelical and Reformed Church）和公理会基督教会（Congregational Christian Churches）于1957年合并而成。汤斯认为，科学与宗教信仰是平行的，并不相冲突，他在回忆录《创造波浪》一书中不惜动用30页篇幅来谈论宗教信仰问题。[3]汤斯是一位达?芬奇式（百科全书式）的人物――多才多艺的科学家，兴趣极为广泛，业余爱好众多，喜爱旅游、游泳、潜水、滑雪、音乐、足球、登山和兰花栽培等。
2 激光发明简史──从光量子假说到激光技术
2.1 激光概述、分类及应用
激光（Laser，港澳台地区通常音译为雷射或镭射）是指基于受激辐射的光放大过程产生的相干光辐射。能产生激光的装置称为激光器，产生激光的三要素是：①工作物质（又称增益介质、激活介质，gain medium）：用来实现粒子数反转以产生光受激辐射并放大的物质体系。②泵浦源（又称激励系统、激发系统，pumping source）：为工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源，泵浦方式因工作物质类型的不同而不同，主要有光能、电能和化学能方式等。③光谐振腔（optical cavity/resonator）：为激光提供正反馈，同时具有选模作用，其参数影响输出激光的品质。
受各种条件限制，激光器产生的激光频率远不能覆盖整个光波频段，特别是在紫外、极紫外和远红外区则更难通过激光器来直接产生相干辐射。这时可通过非线性光学原理来达到上述目的。激光入射到非线性光学介质时，通过各种非线性光学效应进行频率变换，可在新的波段产生相干光。
激光实质上是一种相干光振荡器（coherent optical oscillator），最初被称为光激射器（optical maser）。1957年9月14日汤斯在其实验室的笔记本上勾勒出早期光激射器的草图，同年11月13日美国物理学家古尔德（Richard Gordon Gould，1920.07.17―2005.09.16）在其笔记本上写下的标题“Some rough calculations on the feasibility of a LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（激光：受激辐射光放大器可行性的一些粗略计算）”被认为是首创缩写词“Laser”。[4]
“Laser”早期在中国被称为莱塞（莱泽）、雷射（镭射）、光激射（发）器、光受激辐（发）射放大器、光（学）量子放大器和光量子振荡器等，相当混乱，鉴此钱学森（1911.12.11―2009.10.31）院士（学部委员）于1964年10月15日致函《光受激发射情报》杂志（1964年3月5日在中科院长春光学精密机械研究所创刊，同年5月7日中国首个激光专业研究所――中科院上海光学精密机械研究所的前身中科院光学精密机械研究所上海分所成立，稍后该杂志就交由中科院上海光机所主办，从1966年总第9期开始更名为《激光情报》，1969年更名为《国外激光动态》，1971年更名为《国外激光》，1995年更名为《激光与光电子学进展》至今）编辑部建议定名为“激光”，同年12月14日在上海召开的全国第三次光受激发射专业会议正式采纳此建议。[5～6]“激光”之名言简意赅、语简意深，反映了其科学内涵，既传神又贴切。
激光本身就是相干性、量子性和非线性的集大成者，其四大特性是：①方向性好（即极低发散度和极高准直性）：近似于理想的平行光，光束的发散角（2θ）最好可达10-3毫弧度（mrad）级。月球是距离地球最近的天体，它与地球的平均距离为38.44万km，从地球上发射激光到月球形成的光斑直径可不超过1 km。②单色性好和高度相干性：光的单色性通常用光的频谱分布（线宽）来描述，普通氦氖激光的线宽与波长之比Δλ/λ可达10-11～10-13数量级。激光是一种比较接近于理想的单色平面波或单色球面波（聚焦后）的电磁波，即理想的完全相干电磁波。电磁波的相干性可从两个方面（空间相干性和时间相干性）来描述。光波的纵向相干长度与线宽成反比，单色性越好则纵向相干长度就越长。激光的纵向相干长度可达105 km。③亮度（辉度）极高：高功率钕玻璃激光比太阳光的亮度高16个数量级。④能量密度极大：激光本身的能量并不大，但因其作用范围甚小，其能量密度极大。激光可在极短的时间内聚集起大量的能量，故可被应用于军事领域。 锁模是指采用特殊方法将激光器中各个模的相对相位保持固定，相干叠加后产生高质量的超短光脉冲序列，主要应用于精密测量。锁模技术的发展历经了被动锁模、主动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模CPM（colliding pulse mode-locking）、加成脉冲锁模APM（additive pulse mode-locking）、耦合腔锁模CCM（coupled-cavity mode-locked）、非线性镜NLM（nonlinear mirror）锁模、克尔透镜锁模KLML（Kerr lens mode-locking，又称自锁模）以及半导体可饱和吸收镜SESAM（semiconductor saturable absorber mirror）锁模等阶段。锁模技术是激光通信和飞秒激光的基础。如今脉冲激光器所发出的光脉冲宽度可达飞秒（femtosecond，1 fs=10-15 s）甚至阿秒（attosecond，1 as=10-18 s）级，这种“超短脉冲”是任何无线电脉冲所望尘莫及的。
激光器按其工作物质的不同大致可分为以下六大类（各大类之间存在部分重叠的现象）：[7]①固体激光器（solid state laser）：这里的固体包括晶体和玻璃等，如红宝石激光器、玻璃激光器（glass laser，钕玻璃激光器是其典型代表）、蓝宝石激光器、掺钕钒酸钇（yttrium vanadate，YVO4∶Nd3+）激光器和掺镱氟化钇锂YLF（yttrium lithium fluoride，LiYF4∶Yb3+）激光器等。②气体激光器（gas laser）：又称气体放电激光器（gas discharge laser），这里的气体包括原子气体、分子气体和离子气体等，如氦氖激光器、稀有气体（氩、氪、氙）及其离子激光器、氮激光器、二氧化碳（CO2）激光器、一氧化碳（CO）激光器和准分子激光器等。碱金属蒸气激光器是一种新型的光泵浦气体激光器，包括氦镉型、氦汞型和氖铜型等，半导体泵浦碱金属蒸气激光器DPAL（diode-pumped alkali laser）是其典型代表。③液体激光器（liquid laser）：其工作物质分为有机化合物液体（染料）和无机化合物液体两类，其中染料激光器（dye laser）是其典型代表（亦有固体染料激光器），适宜于作可调谐激光器和脉冲激光器。环形染料激光器的结构比较复杂，但其性能优越，可输出稳定的单纵模激光。④半导体激光器（semiconductor laser，亦可被归类于固体激光器）：通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成，主要有双异质结激光器和条纹型构造的半导体激光二极管LD（laser diode），目前较成熟的是砷化镓（GaAs）激光器，广泛应用于光纤通信（激光通信）、激光视盘（CD=compact disc/disk、CD-ROM、CD-R、CD-RW、VCD=video CD、LD=laser disc和DVD=digital video/versatile disc等）、激光打印机、激光复印机、激光扫描仪和激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的一类激光器。半导体激光器的发展经历了3个阶段：同质结半导体激光器（由单一半导体材料构成）、一般异质结半导体激光器和量子阱半导体激光器。量子阱激光器（分为量子线激光器和量子点激光器两类）是一种特殊的LD，与传统LD相比，它具有更低的阈值、更高的量子效率、极好的温度特性和极窄的线宽。⑤化学激光器（chemical laser）：一类利用化学反应能来实现粒子数反转的特殊气体激光器，如氟化氢激光器、氟化氘激光器、化学氧碘激光器和全气相碘激光器等。⑥光纤激光器（fiber laser）：以掺入某些激活离子的光纤为工作物质，或利用光纤自身的非线性光学效应而制成，可分为晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器（俗称玻璃光纤激光器）、塑料光纤激光器和非线性光学效应光纤激光器四大类。
波导激光器（wavebeam guide laser）是指谐振腔内激光传播和振荡的模式由光波导理论来确定的激光器，固体、液体、气体和半导体等工作物质都可以做成波导激光器，其中较为成熟的是CO2波导激光器。
激光技术广泛应用于科学研究、通信工程和信息技术IT（information technology），也应用于医疗手术、精密计量（1983年第17届国际计量大会已采用甲烷和碘稳频的氦氖激光波长为基准，给出新的长度单位“米”；激光频标也将取代微波频标给出新的时间单位）、精确测距（1962年5月MIT林肯实验室就首次利用红宝石脉冲激光器和天文望远镜进行了地球和月球之间的激光雷达测距）、电子排版系统（俗称激光照排）、原子钟、军事武器（因激光武器具有强大的杀伤力，故激光被称为死光death ray。激光制导技术1972年首次被运用于越南战争）、同位素分离、农作物育种、大气污染监测和分析以及机械加工（如钻孔、熔炼、焊接、切割和表面处理等）高熔点材料等，还可用于验证爱因斯坦（1921PH*）的广义相对论。
2.2 激光溯源及爱因斯坦的受激辐射理论
1900年12月14日（量子论、量子力学和量子物理学的诞生日）德国物理学家普朗克（1918PH*）在柏林德国物理学会年会上宣读其论文《关于正常光谱中能量分布定律的理论》，提出了一个划时代的革命性思想――黑体辐射的光量子假说。
1913年尼尔斯?玻尔（1922PH）为解释氢原子光谱的不连续性，在普朗克量子假说、爱因斯坦光子学说和卢瑟福（1908CH）原子行星模型的基础上，提出氢原子结构和氢光谱的初步理论――定态跃迁原子轨道模型（即玻尔氢原子结构模型），引入了定态量子跃迁和轨道量子化的崭新思想，首先成功地解释了原子的稳定性和氢原子光谱线的频率分布规律（包括可见光波段的巴耳末系、红外波段的帕邢系以及后来发现的其他氢原子谱系）。
1916年爱因斯坦发表论文《辐射的发射和吸收量子理论》[8]和《关于辐射的量子理论》[9]（文献[10]系文献[9]的再版），总结了旧量子论的发展，还根据尼尔斯?玻尔提出的量子跃迁概念首次引入受激辐射的概念并给出能级之间跃迁的新认识（暗示有可能通过“激励”产生光子辐射，但他并没有想到利用受激辐射来实现光放大，光放大后得到的光是一般自然条件下得不到的相干光），推导出黑体辐射谱，建立起一套描述原子辐射和吸收电磁波过程的普适统计理论（即爱因斯坦自发跃迁A系数和受激跃迁B系数，又称量子跃迁几率唯象理论），给量子电动力学的发展提供了向导。当光子与服从玻尔兹曼（奥地利物理学家和哲学家，Ludwig Eduard Boltzmann，1844.02.20―1906.09.05）分布（即麦克斯韦―玻尔兹曼分布）的原子发生相互作用时，爱因斯坦利用原子与黑体辐射场平衡时的统计公式和维恩（1911PH）位移定律（又称维恩公式）导出了光子的普朗克黑体辐射定律（又称普朗克黑体辐射公式，简称普朗克公式）；[11]同样，当光子与服从费米（1938PH）―狄拉克（1933PH22）分布或玻色―爱因斯坦分布的物质发生相互作用时，也能导出普朗克黑体辐射定律。[12～13]经典电动力学和量子力学结合而发展起来的量子电动力学是光量子论的严密形式，狄拉克于1927年[14]以及海森堡（1932PH*）和泡利（1945PH）于1929―1930年[15～16]相继提出的辐射量子理论奠定了量子电动力学的理论基础。 为了解释黑体辐射定律，爱因斯坦将光和组成物质的粒子（原子、分子和离子等）之间的相互作用归结为3种基本方式（即粒子的3种跃迁方式，它们总是同时存在的）：①自发辐射（spontaneous emission）：激发态粒子的电子自发随机地从高能级跃迁到低能级，自发跃迁产生非相干的复合普通光（如太阳、白炽灯和荧光灯等所发出的自然光）。②受激辐射（stimulated emission）：在外来辐射场的作用下，电子从高能级跃迁到低能级，光放大后产生更强的相干光（与入射光同相位、同频率、同偏振方向）。现代磁学之父范弗莱克（1977PH33）于1924年首创“受激辐射”一词，并首先把受激辐射与经典物理学中光的负吸收对应起来。[17～18]③受激吸收（英文词是“absorption”而不是“stimulated absorption”）：受激辐射的逆过程，低能级粒子吸收光子而跃迁到高能级。受激辐射和受激（共振）吸收是产生激光的基础，前者还是产生激光的必要前提。除自发跃迁和受激跃迁以外，迄今人们尚未发现其他辐射跃迁机制。爱因斯坦还预言了受激辐射的相干性。[19]
尽管产生激光的机理可以追溯到爱因斯坦所独创的受激辐射理论，但将它说成是奠定了现代激光技术的理论基础，甚至将爱因斯坦赞誉为“激光之父”，这些说法有些言过其实。[20]
2.3 微波波谱学
微波波谱学（microwave spectroscopy，又称无线电波谱学、电磁波谱学）是指应用电子学方法研究物质结构的一门学科。利用微波波谱法和磁共振法，可精确地测定一些原子能级的精细结构和超精细结构，如与真空极化有关的拉姆位移、原子核的自旋和核矩、电子和μ子的反常磁矩、氘核四极矩以及分子键长等。微波波谱学和共振技术的发展，导致微波量子放大器（Maser）的出现、原子钟的发明、激光的问世和频率基准的建立，开辟了量子电子学这一新兴学科。量子电子学（quantum electronics）是电子学的一个分支，它是研究有关物质能级、原子内的运动以及晶体中的各种现象来实现传统电子学的各项任务。
电磁波谱波长（与频率成反比）从高到低依次是无线电波（>1 m）、微波（1 mm～1 m）、红外线（780 nm～1 mm）、可见光（380～780 nm，紫色为380～420 nm，蓝色为420～470 nm，青色为470～500 nm，绿色为500～570 nm，黄色为570～600 nm，橙色为600～630 nm，红色为630～780 nm）、紫外线（10～380 nm，真空紫外VUV 200～380 nm）、X射线（0.01～10 nm）和γ射线（<0.01 nm）。射频RF（radio frequency）表示可以辐射到空间的电磁波，其波长范围一般是1 mm～1 km（相应的频率是300 kHz～300 GHz）。太阳光的波长范围是400～760 nm。频率和波长的关系式是频率=光速/波长。
原子和分子的能级是量子化的，人们在研究微波波谱学时才注意到：可在物质的特定能级间实现粒子数反转，通过受激辐射过程实现微波辐射的放大，进而可制成微波激射器用来产生微波相干辐射。
1921年美国电气工程师阿尔伯特?赫尔（Albert Wallace Hull，1880.04.19―1966.01.22）发明用于产生微波振荡的磁控管（magnetron）[21]，使人类开始了对微波的研究。爱因斯坦关于受激辐射的理论，最早得到美国理论物理学家托尔曼（Richard Chace Tolman，1881.03.04―1948.09.05）的呼应，1924年他根据原子和分子系统内激发态粒子数分布的情况，指出可以得到负吸收或放大，并在实验中观察到这种机制所引起的吸收系数的变化。[22]1925年荷兰物理学家克拉摩斯（Hendrik Anthony ″Hans″ Kramers，1894.12.17―1952.04.24）和德国理论物理学家海森堡利用虚拟振子思想发展了光的色散理论，提出克拉摩斯―海森堡色散公式（Kramers-Heisenberg dispersion formula）[23]，其中包含着“负色散项”，“负色散”[negative dispersion，用量子理论考虑高量子态影响后的特殊色散，其概念不同于“反常色散”（anomalous dispersion）]与受激辐射理论中的“负吸收”（negative absorption）相对应，也对应着普朗克黑体辐射公式分母中“-1”这一项。1928年德国原子物理学家、光谱学家科普夫曼（Hans Kopfermann，1895.04.26―1963.01.28）和拉登堡（Rudolf/Rudolph Walter/Walther Ladenburg，1882.06.06―1952.04.06）在研究氖气放电色散现象时，发现激励电流超过一定值时，高能级氖分子集居数随电流增大而增多，结果使负色散效应增强，通过实验证实了由受激辐射所引起的负吸收现象，间接地证实了受激辐射的存在[24～25]，他俩的研究已触及到光放大问题。拉登堡利用贾民（法国物理学家，Jules Célestin Jamin，1818.05.31―1886.02.12）干涉仪（1856年）得到各种色散系数并于1933年绘制出氖的色散系数随放电电流密度变化的曲线。他们因过于迷信热力学第二定律（又称熵增定律，其表述方式通常有3种：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化；不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不引起其他变化；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。后来人们才搞明白：产生激光的物理过程并不违背此定律，因为与激光束输出的同时，存在着相应数量的负熵流）所假设的热平衡而未能展开进一步的深入研究。1934年密歇根大学物理学博士生克利顿（Claud Edwin Cleeton，1907.12.11―1997.04.16）及其导师威廉斯（Neil Hooker Williams，1870.10.23―1956.11.21）在微波波段探索氨分子的光谱线，首先发现氨分子（NH3）在波长1.1 cm处有强烈吸收[26]（后来得到的准确值是1.25 cm），这是微波波谱学的最早实验，标志着微波波谱学的开端。1946年汤斯[27]以及牛津大学克拉伦登实验室（Clarendon Laboratory）物理学家布利尼（Brebis Bleaney，CBE，FRS，1915.06.06 ―2006.11.04）等人[28]对氨分子波长1.25 cm附近的（超）精细结构的高分辨谱研究具有特别意义。1937年美国电气工程师瓦里安兄弟（Russell Harrison Varian，1898.04.24―1959.07.28；Sigurd Fergus Varian，1901.05.04―1961.10.18）发明了速调管（klystron，周期性地调制电子注内的速度以实现放大或振荡的微波电子管），加上雷达的出现，使得微波技术飞跃发展。1938年荷兰物理学家塞尔尼克（1953PH）在计算各种干涉条件下的光束强度时提出“相干度”（degree of coherence）的概念。[29]上述研究有助于人们认识到受激辐射的实际意义。 1951年德默尔特（1989PH32）及其博导克鲁格（Hubert Krüger）首先在固体中观察到Cl35和Cl37核四极矩共振（NQR）信号，使波谱学迅速扩展到射频波段。1950年卡斯特勒始倡光泵浦，1951年哈佛大学美国天体物理学家尤恩（Harold Irving Ewen，1922.03.05―）和珀塞尔首次观察到来自银河系的中性氢原子21 cm的星际谱线信号（1963年以前观测到的唯一射电天文谱线）[30]，开创了射电天文谱线研究的历史，从而使得波谱学的内容更加丰富而充实。
2.4 核磁共振和拉比树
磁共振是指自旋不为零（此时它具有磁矩）微观粒子体系（分子、原子、电子、质子、中子和原子核等）在磁场中可形成若干分立的能级（即塞曼能级，源自塞曼效应），在适当的外加交变磁场作用下，它剧烈地吸收能量，在这些能级之间发生跃迁而产生共振吸收的现象。微观粒子体系在恒定的外加磁场中，其磁矩相对于磁场方向只能取几种量子化的方位。若垂直于恒定磁场的方向加一交变磁场，在适当条件下，它能改变磁矩方向，使磁矩体系选择地吸收特定频率的交变磁场的能量。磁共振可用核磁化强度矢量的拉莫进动（Larmor precession）来描述。按机理磁共振可分为自旋―晶格弛豫（spin-lattice relaxation，又称纵向弛豫）和自旋―自旋弛豫（spin-spin relaxation，又称横向弛豫）两类。弛豫过程是指物质系统由非平衡态（暂态）自发地趋于平衡态（定态）的过程，有时很复杂。弛豫过程所经历的时间称弛豫时间（relaxation time）。
根据研究对象的不同，磁矩共振可分为两大类：①以电子磁矩为主的称电子自旋共振ESR（electron spin resonance），它包括电子顺磁共振EPR（electron paramagnetic resonance，1944年被发现）、铁磁共振FMR（ferromagnetic resonance，1946年被发现）、反铁磁共振AFMR（antiferromagnetic resonance，1950年被发现）、传导电子自旋共振CESR（conduction electron spin resonance，1953年被发现）和亚铁磁共振FiMR（ferrimagnetic resonance，1955年被发现）等。②以原子核磁矩为主的称核顺磁共振（简称核磁共振NMR=nuclear magnetic resonance），包括核四极矩共振NQR（nuclear quadrupole resonance）和激光磁共振LMR（laser magnetic resonance）等，穆斯堡尔（1961PH22）效应（Mssbauer effect，又称Lamb-Dicke-Mssbauer effect）其实质也是一种核磁共振。1956年科学家们开始研究两种磁共振耦合的磁双共振现象，1957年和1958年在磁有序系统中分别发现高次模式的静磁型共振（magnetostatic resonance）和自旋波共振SWR（spin wave resonance）。医学上的磁共振成像MRI（magnetic resonance imaging，旧称核磁共振成像，一种断层扫描成像）技术就是基于NMR这一物理现象而发明的。1990年代研发出来的光学相干断层扫描OCT（optical coherence tomography）技术是继X-CT技术和MRI技术之后医学成像技术领域的又一个重大突破。
磁共振现象是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术飞速发展的基础上被发现的。分子束方法是斯特恩（1943PH*）开创的，1922年采用分子/原子束磁偏转法和磁重聚法完成了著名的斯特恩―盖拉赫实验（Stern-Gerlach experiment），验证了原子中电子轨道的空间量子化并发现质子磁矩。拉比（美国实验物理学之父）是斯特恩的学生，1927―1929年赴欧进修期间曾在汉堡大学斯特恩实验室学习1年（刚开始时与泡利是同事），他发展了斯特恩的分子束方法，开创性地将之应用于电磁波共振研究。受荷兰实验和理论物理学家戈特（Cornelis Jacobus ″Cor″ Gorter，1907.08.14―1980.03.30）工作的启发，哥伦比亚大学拉比小组把射频共振法应用于分子/原子束共振研究，1938―1939年完成了著名的分子束（磁共振）实验，首次检测到原子核在均匀磁场中的共振吸收现象，这是核磁共振实验的发端。[31～32]该实验是对斯特恩―盖拉赫实验的延伸和发展。1944年前苏联喀山国立大学物理学家扎沃伊斯基（Yevgeny Konstantinovich Zavoisky，1907.09.28―1976.10.09）从MnCl2和CuCl2等顺磁性盐水溶液中首先观察到电子顺磁共振现象。1945年12月哈佛大学珀塞尔小组在固体石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号（当时他们已实现了磁共振中的粒子数反转，但因无法放大微弱的信号而不能加以利用）[33]，1946年1月斯坦福大学布洛赫（1952PH21）小组在液体水样品中也观察到质子的核磁共振感应信号（他们也初步观察到磁共振中的粒子数反转）。[34～36]珀塞尔和布洛赫2个小组采用的方法不尽相同（磁共振吸收法和磁共振感应法），但几乎同时在凝聚态物质中观察到核磁共振现象，这是对拉比在真空状态下观察到分子束核磁共振现象的延伸和发展。1946年布洛赫首先导入纵向弛豫时间和横向弛豫时间的概念，将它们唯象地引入到磁化矢量的动力学方程中，建立了后人称之为布洛赫方程（用于描述精密测量核磁矩的一种数学方法）的一组非线性微分方程。
1945年拉比首次公开表明原子束磁共振可用于制作钟表，即原子钟（atomic clock，大致可分为有源和无源两大类，有源原子钟主要有氨分子钟、氢原子钟和铷气泡原子激射器钟等，无源原子钟主要有铯原子钟、铊原子钟、氧化钡分子钟和铷气泡标准钟等）。1949年首架原子钟――氨分子钟（简称氨钟）诞生于美国国家标准局（NBS），但其准确性还不如当今的石英钟。世界上首架实用的原子钟――铯钟于1955年由英国国家物理实验室NPL（National Physical Laboratory，1900年成立）物理学家埃森（Louis Essen，FRS，OBE，1908.09.06―1997.08.24）及其助手帕里（Jack V.L.Parry）利用铯原子束频标研制成功。[37]借助于激光冷却和俘获原子技术，1995年法国巴黎天文台建成世界上首架冷原子喷泉钟（cold atomic fountain clock）――铯喷泉钟，其不确定度高达10-15数量级，现是世界上最好的原子钟。单个铝离子光钟的不确定度可达10-18数量级甚至更高。 1950年拉姆齐在研究分子束磁共振的过程中发明了分离振荡（交变）场方法[38]，它设计十分巧妙，实际上是拉比分子束实验的改进版和首例零场NMR实验。分离振荡场法可用于研究拉姆位移、拉莫进动（Larmor precession）和原子计时，完善了研究原子结构的方法，大大提高了原子钟的准确性，奠定了现代铯原子钟的基础。化学位移（chemical shift）是指在各种有机分子中，因质子所受到的屏蔽效应程度不同而导致在核磁共振谱上所产生的吸收峰值位置不同的现象。1950年斯坦福大学物理系布洛赫门下的2位博士后普洛克特（Warren George Proctor，1920.11.24―2005.05.28）和虞福春（Yu Fuchun，1914.12.09―2003.02.12，1949年6月获俄亥俄州立大学物理学PhD）合作首先发现核磁共振谱线中的化学位移效应，这是世界上最早发现的核磁共振谱线与核所在的化学环境有关的现象。[39]1952年拉姆齐利用分离振荡场法创立了磁共振方面的化学屏蔽理论[40]，成功地导出了由成键电子贡献的化学位移顺磁项，奠定了化学位移理论和核磁共振波谱学的基础。
恩斯特（1991CH）首先将计算机技术引入到核磁共振波谱学，运用新的信息处理方法和快速傅立叶变换，从瞬态脉冲激励的衰减信号中获取频谱，于1966年研制出脉冲傅立叶变换核磁共振谱仪（FT-NMR）[41]，首次实现傅立叶变换NMR谱；1975年又研究出二维核磁共振（2D NMR）技术[42]，用分段采样后进行2次傅立叶变换的方法得到世界上首张2D NMR谱。恩斯特在开发高分辨率的核磁共振波谱学方法作出两次重大突破，对现代核磁共振波谱学的发展作出重要贡献。
1967年5月23日，在哥伦比亚大学举行的欢送拉比教授退休的一个宴会上，其学生和同事用一幅“拉比树”的图画形象而客观地描绘了拉比所开创的分子束学派（又称拉比学派，在世界物理学界与哥本哈根学派齐名）的丰硕成果。[43～46]
