內容來源：Thorlabs索雷博
雷射誕生60年，Theodor Hänsch使用雷射56年。以雷射探索世界，他改進染料雷射器為精密光譜學帶去革命性的發展；他提出雷射冷卻理論，原子物理學從此不同，新晉諾獎得主層出不窮；他數十年不斷提高氫原子1S-2S躍遷頻率的測量準確度，一步一步開創出劃時代的光學頻率梳技術，最終榮獲2005年諾貝爾物理學獎。
今天我們回顧Theodor Hänsch與雷射的不解之緣。
讓我們回到1969年。當年的愛丁堡量子光學暑期學校聚集了至少五位未來諾獎得主，包括剛剛博士畢業的Hänsch和史丹福大學教授Schawlow。初次相遇，Hänsch立刻受Schawlow的風趣和敏銳思維所感染，並說服後者接收自己去斯坦福做博後。一對良師益友就此走到一起，而Hänsch也將在斯坦福度過極富創造力的16年科研生涯。
Theodor Hänsch和Arthur Schawlow
1970年3月，在前往斯坦福的途中，Hänsch轉道貝爾實驗室拜訪時見到了氮氣雷射泵浦染料雷射器。他意識到，如果能夠壓縮染料雷射的線寬，就能用在無都卜勒展寬的飽和吸收光譜學上。這說明關注相關領域研究的重要性，就像他在諾貝爾獎演說中提到，得知英國巴斯大學Philip Russell團隊早幾年就已開創了光子晶體光纖時已經太晚。否則，跨倍頻程的自參考光學頻率梳可能更早誕生。
到達斯坦福後，Hänsch購買了一臺氮氣雷射器開始搭建自己的染料雷射器。這種基於光柵的可調諧染料雷射器的線寬太寬，他認為增加光柵的照射面積可以提高光柵解析度，由此減小雷射線寬。於是他就從口袋掏出一個普通望遠鏡，這是他聽講座時用來看幻燈片用的。望遠鏡插入雷射腔內擴大光束，照明更大的光柵面積，雷射線寬隨即被明顯壓縮。著名的Hänsch牌可調諧、窄線寬染料雷射器從此開啟神奇的光譜研究之旅。
T. W. Hänsch,"Repetitively Pulsed Tunable Dye Laser for High ResolutionSpectroscopy," Appl. Opt. 11, 895-898 (1972)
Hänsch和Schawlow使用這種染料雷射器推動了一系列光譜學技術的發展，比如飽和吸收光譜、偏振光譜、雙光子吸收光譜，甚至用於研究果凍變成可食用雷射器的可能性。通過消除都卜勒頻率展寬，他們能夠以前所未有的高解析度研究原子和分子光譜，根據實驗結果驗證原子理論或者測量基本常數，這一系列的成果最終使Schawlow獲得了1981年的諾貝爾物理學獎。
Hänsch在研究染料雷射器的過程中認識到，一種新工具能夠解鎖眾多應用之門，而且，簡單但粗略的原理性驗證實驗可能比完美但複雜到令人敬畏的實驗產生更大的反響。
Theodor Hänsch
斯坦福，1978年
Arthur Schawlow
生活大爆炸萊納德原型
1975年，Hänsch和Schawlow提出雷射冷卻原子氣體的理論，促使很多物理學家開展相關實驗並因此摘得諾獎，包括1997年的光學粘膠和2001年的波色愛因斯坦凝聚(BEC)；其中因為BEC獲獎的Carl Wieman是Hänsch在斯坦福的博士學生。發現Schawlow也是很神奇，他和Townes在1958年奠定雷射理論基礎但沒有做出實驗，他和Hänsch奠定雷射冷卻原子理論但將其擱置。大神總是把幸運的路留給別人探索。
1995年，Hänsch在馬克斯量子光學研究所的團隊還提出了一種緊湊型外腔二極體雷射器(ECDL)，使用光柵構造外腔實現穩定的單頻工作。這種雷射器配置在原子物理學實驗中一直佔據很重要的地位。
對於Hänsch在斯坦福的研究，實驗工作一般只要一個學生或者加一個博士後就能完成，所以一有新想法就能快速實施。這正是Hänsch最喜歡的理想環境，便於發揮深刻的理解和想像力。當年他放棄熱門的粒子物理學選擇剛剛起步的雷射研究正是因為前者需要很強的團隊合作不符合其性格和興趣。他第一眼就被氦氖雷射的散斑圖案迷住，那還是遙遠的海德堡時代，也是雷射問世後的第4年，那年他只有23歲。
在這些敏捷型的研究中產生了一系列新的光譜技術(比如Hänsch-Bordé技術)、新的雷射類型(比如可食用果凍雷射器 :)、新的穩頻技術(比如Hänsch-Couillaud技術)以及無數科研靈感，促使一代又一代的學生和訪問學者不斷利用雷射探索科學前沿。Hänsch現有50多位博士或博後學生成為教授。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連結瀏覽文獻目錄。
書中除了新的雷射技術，比如972.5 nm摻鐿放大器四倍頻至243.1 nm、基於雙濾光片選頻的外腔二極體雷射器以及Figure 9®飛秒光纖雷射器，還有雷射在光譜學、原子物理學和光力學領域的眾多前沿應用。
Exploring the World with the Laser
Dedicated to Theodor Hänsch on his 75th birthday
Hänsch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，並且花很多錢購買設備，包括第一代蘋果電腦(賈伯斯還去上過Hänsch的電磁學)，以至於辦公室看起來就像太空項目的控制中心。他們在1980年左右靠寫簡單圖形軟體賺了幾十萬美元，如果當年在矽谷成立一家圖形軟體公司，也許今天也是Adobe級別。為了在舊金山灣區個人電腦展上吸引更多注意，Hänsch甚至整了一家叫做Menlo Systems Inc.的公司，因為在電腦展商的眼裡，斯坦福教授畢竟沒有創業公司CEO吃香。
1986年，Hänsch離開斯坦福回到德國，把矽谷的創業精神帶到了普朗克量子光學研究所。2001年，他的兩位學生Ronald Holzwarth和Michael Mei創立Menlo Systems GmbH，致力於為全球科學家提供最精密的計量設備。公司名稱源於新澤西州的Menlo Park，也就是愛迪生發明燈泡的地方。
飛秒雷射器、THz光譜儀、光梳、超穩雷射器
光梳的誕生，源自Hänsch幾十年來對氫原子1S-2S躍遷頻率精密測量的極致追求。關於光梳發展中的一些關鍵技術突破，您可參閱Hänsch的諾貝爾獎演講稿(Passion for precision)，以下重點介紹載波包絡偏移頻率的測量。
1996年，Ferenc Krausz等人發現，連續波鎖模雷射器無法輸出相同的脈衝，不管每個縱模的相位鎖定得多麼完美，也不管頻率間距如何相等。這是因為雷射諧振腔內色散元件中的群速度和相速度(分別決定脈衝包絡和載波的傳播速度)略有不同。
雷射鎖模
從時域到頻域，從脈衝串到頻率梳
如上圖所示，脈衝每次在腔內往返後，載波包絡(CE)相位都會產生一定偏移(Δφ)：
其中��R為往返相位延遲(取決於相速度)，ωL為載波角頻率，TR為雷射脈衝的往返時間(取決於群速度)。這種準周期脈衝串的傅立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：
這個公式將一個光學頻率(ωn)和兩個射頻(ωr和ω0)聯繫在一起。式中n是一個高達百萬的整數，而ωr=2π/TR為往返頻率，可直接用光電二極體測量。所以測量光學頻率的關鍵在於另一個射頻：偏移頻率ω0。
ω0和Δφ的簡單關係如下：
因此，控制和穩定CE相位可通過控制偏移頻率進行，為此可使用Hänsch發明的自參考技術測量。對於跨倍頻程的鎖模頻譜，其低頻端倍頻後與高頻端幹涉，剛好在2(nωr + ω0) - (nωr + ω0) = ω0處得到所需強度調製的拍頻信號，使用光電二極體就可將其測出。知道偏移頻率後就能知道頻率梳每一條譜線的頻率，就像一把光學直尺，測量未知雷射時只需找到最近的梳線進行比對即可。
使用飛秒光梳測量連續雷射頻率的示意圖
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原標題：《那些年，諾獎得主用過的雷射器》
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