「早安，女士先生們，我們今天在此向各位宣布：人類已經成功達成科學家們企求多年的目標。有史以來第一次，出現了同調性（coherent）的光源。換句話說，追尋已久的雷射不再是難以捉摸的夢想，而是已經確立的事實。」1960 年 7 月 7 日，梅曼（Theodore Maiman）博士在紐約的一場記者會中自豪地如此宣告。
的確，自 1950 年代起各路人馬競相研發雷射，卻始終難以突破，沒想到最後拔得頭籌的，竟然不是貝爾實驗室等有著輝煌紀錄的研發機構，而是製造飛機的休斯公司（Hughes Aircraft Company）在二次大戰後才成立的實驗室，而且發明者是加入才第四年的梅曼。
梅曼出生於 1927 年 7 月 11 日，從小就是個過動兒，卻能耐著性子跟在當電子工程師的父親身邊做實驗，也因此十幾歲時便能幫別人修理電器用品來賺取零用錢。他在史丹福大學拿到電機碩士學位後，繼續攻讀博士，但轉向實驗物理，利用微波光學測量氦原子光譜的精細結構，而這也為他日後研發雷射打下基礎。
梅曼拿到物理博士學位後，於 1956 年到休斯公司的原子物理部門上班，負責改良為陸軍打造的邁射（MASER）設備。邁射和雷射都是基於同樣的原理。原子吸收能量（入射光子）後，電子會被激發到較高的能階，但因激發態較不穩定，因此電子會再跳回低能階，同時以光子（放射光子）的形式釋出兩個能階的能量差距。
如果入射光子的頻率剛好對應於兩個能階的能量差距，那麼誘發出的放射光子，無論是頻率、相位、前進方向都會和入射光子完全相同（稱為同調性），於是便有了兩個同調性的光子。這兩個光子又可激發出另兩個光子，如此不斷倍增便產生能量極強又集中的光束。這種方式產生的光束就叫「受激輻射造成的光增強」（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），簡稱雷射（LASER）。若光束是波長比可見光長（因此能量較低）的微波，就叫「受激輻射造成的微波增強」，把 Light 換成 Microwave，簡稱邁射。
雷射和邁射的理論基礎最早是由愛因斯坦在 1917 年發表的論文中所提出，此後又有許多物理學家進行相關實驗，並提出如何付諸實現的構想，但要到 1953 年，美國物理學家湯斯（Charles Townes）才利用激發態的氨分子成功產生邁射。不過湯斯的邁射無法連續發射，反倒是蘇聯物理學家巴索夫（Nikolay Basov）和普羅霍洛夫（Alexander Prokhorov, 他的生日很巧和梅曼一樣是 7 月 11 日）在前一年同樣利用氨氣，產生可連續輸出的邁射，只是外界直到 1954 年才知道這項成果。
湯斯不以邁射為滿足，打算朝能量更強的雷射邁進，他和貝爾實驗室的蕭洛（Arthur Schawlow）合作，於 1958 年提出發表雷射的論文並申請專利。在此同時，IBM、RCA、西屋電氣，以及麻省理工學院、哥倫比亞大學等學術機構也都投入雷射的研發。
鑒於邁射的成功，大家都繼續用氣體分子做為激發介質，但梅曼卻是採取完全不同的進路。首先，他採用的激發介質是紅寶石（當然不是昂貴的天然紅寶石，而是用人工合成的），這是因為他在改良給陸軍的邁射設備時，發現紅寶石的效果更好，也可大幅縮小設備的體積。其次，他還另闢蹊徑使用閃光燈以脈衝的方式照射，而不是像其它團隊那樣，一直地持續不斷地輸入能量。
梅曼在紅寶石表面鍍上一層銀作為反射鏡，紅寶石晶體內的鉻原子受到強光激發後輻射出光子，這些光子在紅寶石兩端的反射鏡來回反射，又激發出更多同調光子，如此不斷倍增；其中部分光子從半反射鏡那一端穿透而出，產生波長 694 奈米的紅光雷射。1960 年 5 月 16 日這一天，梅曼成功發射出史上第一道雷射光。
記者會之後，梅曼的論文也在八月號的科學期刊《自然》刊出，論文只有短短 240 個字，就跟他的方法一樣簡明。那些鑽研雷射已久的團隊乍看論文都難以置信，等到如法炮製見到明亮的光束後才不得不信服。受此啟發的科學家們，很快地開發出不同材料的固態雷射，以及半導體雷射、染料雷射、……等等不同的雷射方式。
而今雷射已經普遍應用於各個領域，包括科學研究（例如 1969 年用來測量月亮的距離）、醫療（如眼睛手術、皮膚美容）、工業（如切割、焊接）、軍事、建築等等；日常生活中更是到處有它的蹤跡，例如超市掃描條碼、雷射印表機、DVD/藍光播放器、光纖網路、……等等，甚至用來發展核融合的能源技術。
1964 年，湯斯與巴索夫、普羅霍羅夫三人共同獲頒諾貝爾物理獎，以表彰他們在邁射∕雷射的發展上所奠定的基礎工作。率先突破困境、發明雷射的梅曼雖然未能獲得諾貝爾獎桂冠，仍獲得許多重要獎項的肯定。2007 年，梅曼因病過世，享年 79 歲，在他的追悼會上，湯斯特別推崇他那篇猶如暮鼓晨鐘的論文：「以平均每個字而言，應該是《自然》過去百年以來最具份量的論文。」
按：本文同步發表於七月號《工業材料》雜誌
參考資料：
