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미국의 아서 레오나르드 숄로와 스웨덴의 카이 만네 뵈리에 시그반과 함께 물질과 전자기 방사선의 상호작용에 대한 그들의 혁신적인 분광학 연구로 1981년 노벨 물리학상을 공동수상했다. 블룸베르헨은 이 연구로 인해 선구적인 레이저의 사용을 가능하게 했다.

블룸베르헨은 위트레흐트대학교에서 학사학위(1941)와 석사학위(1943)를 받았다. 1946년에 그는 하버드대학교에 입학했으며 그곳에서 에드워드 퍼셀, 로버트 파운드와 함께 핵자기공명에 대한 기초적인 연구를 실시했다. 1948년에 레이덴대학교에서 박사학위를 취득한 후에 그는 하버드대학교로 돌아갔으며, 그곳에서 1951년에 응용물리학 교수가 되었고 1980년에는 게르하르트 가데 대학 교수(Gerhard Gade university professor:자신의 분야에서 최상의 업적을 남긴 이들에게 수여되는 명예로운 직함)가 되었다. 1958년에 미국 시민권자가 되었다.

블룸베르헨의 핵자기공명에 대한 초기의 연구는 그가 분자증폭기에 관심을 갖도록 만들었다. 그는 이전의 기체 상태의 분자증폭기보다 훨씬 더 강력한 3단결정 분자증폭기를 고안했으며 그것은 가장 널리 사용된 마이크로파 증폭기가 되었다. 그후 블룸베르헨은 레이저 분광학을 발전시켰으며 그것은 원자구조의 고정밀 관찰을 가능하게 했다. 그의 레이저 분광학 연구는 그가 어떻게 전자기 방사선이 물질과 상호작용을 하는지를 분석하기 위한 새로운 이론적 접근인 비선형광학을 체계적으로 연구하게 해 주었다.

비선형광학에 대한 블룸베르헨의 연구는 그가 노벨상을 공동으로 수상할 수 있게 해주었다.