《人类科学技术史-413》激光器的诞生

激光的诞生是量子理论、无线电电子学、微波波谱学、固体物理学等学科相互渗透、相互融合的结晶。激光器发明史可分为4个阶段：①理论基础的奠定；②微波波谱学的进展；③第一台微波激射器的发明；④第一台激光器的诞生。

1.受激辐射概念的提出

1916年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念。他认为，处于高能级的原子，在一个频率与它的跃迁频率一致的光子的作用下，就会从高能级跃迁到低能级，同时放出一个频率和运动方向同入射光子完全相同的另一个光子，于是，一个光子变成两个光子；如果条件合适，光就可以象雪崩一样得到放大和加强，并且这样放大的光是一般条件下得不到的"相干光"。受激辐射概念的提出为激光器的发明奠定了理论基础。不过爱因斯坦并未想到利用受激辐射来实现光的放大，因为在热平衡条件下，处于低能级的粒子数总是多于高能级的粒子数，这时受激吸收总是大于受激辐射。因此，在爱因斯坦提出受激辐射概念许多年后，这一理论并未引起人们重视。

2.微波波谱学的发展及粒子数反转探索

微波波谱学是微波技术和波谱学相结合形成的。它不仅揭示了分子、原子和原子核结构的细节，而且有助于研制产生短波长的相干电磁波振荡器，为微波激射器和激光的发明准备了条件。

1921年，美国的赫耳(1880-1966)发明了产生微波振荡的磁控管，标志着微波技术的诞生。1934年，克里通(1907-)和威廉斯(1870-1954)用波长为1-4厘米的各种微波与氨分子相互作用，发现在1.25厘米处有强烈的吸收。这是微波波谱学的最早实验。

1928年，拉登伯格(1882-1952)和克夫曼(1895-1963)在研究由于放电受到激励的氖气的折射率时，观测到由于受激辐射引起的负色散现象，首次从实验上证实了受激辐射的存在。1940年，原苏联的法布里坎特提出用实验证实负吸收存在问题，分析了产生光放大的条件以及所引起的光强度和方向性增加等问题，其中实际上已提出了后来被称为粒子数反转的概念。1946年，美国的布洛赫等人在核磁感应实验中，初次观测到粒子数反转的现象。

1947年，兰姆(1913-)和雷瑟福(1912-)指出，在粒子数反转的情况下可以期望实现受激辐射。1949年，法国的卡斯特勒发展了光泵方法。这是一种利用光辐射改变原子能集居数的方法。虽然他没有想到用它可以实现粒子数反转和进行光的放大，但为以后的固体激光器提供了重要的抽运手段。1951年，美国的珀塞尔(1912-)和庞德(1919-)在核磁感应实验中，有意识地把加在工作物质上的磁场突然反向，在核自旋系统中造成了粒子数反转，结果获得50千赫的受激辐射。

1951年及其以后几年中，美国的汤斯、原苏联的巴索夫(1922-)和普罗霍洛夫(1916-)先后分别提出利用原子和分子的受激辐射来产生和放大微波的设计。1953年，美国的韦伯(1919-)提出了在具有永久磁偶极矩(或电偶极矩）的物质中用改变外磁场(或外电场）的方法获得粒子数反转、从而放大电磁波的设想。他虽未付诸实施，却对汤斯产生了影响。

3.微波激射器的发明

第二次世界大战中雷达和微波振荡器的改进促进了微波波谱学的发展。

汤斯原来喜爱理论物理，但研制雷达的军事需要使他对微波技术逐渐熟悉，成为这方面的专家。在哥伦比亚大学辐射实验室，他和他领导的小组致力于分子结构及其与微波辐射相互作用的研究。他试图找到产生波长更短的相干电磁波的方法，但长时间未获成功。这时珀塞尔和庞德在哈佛大学已经实现了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法利用。汤斯当时也在苦思这个问题。他设想，如果将介质置于谐振腔内，利用振荡和反馈，就可以实现放大。汤斯对无线电工程很熟悉，所以能够想到别人没想到的途径。

1951年，汤斯在华盛顿参加一个毫米波会议。一天清晨，他早起散步。在公园的长凳上，呼吸着新鲜空气，静静地思考。突然头脑中迸发出一个火花，形成了微波激射器的构思。他设想制作一种形体极小而又精致的谐振腔。它具有可以与电磁场耦合的某种能量。汤斯只用几分钟就草拟了一个方案，并计算出下列过程的条件："把分子束系统的高能态从低能态分开，并使之馈入腔中，腔中充有电磁辐射以激发分子进一步辐射，从而提供了反馈，保持持续振荡"。汤斯很快把他的设想写在一个信封的背面，但在会上没有透露任何信息。回到哥伦比亚后，汤斯立即召集研究组成员，开始按他的新方案工作。成员有蔡格(1918-)和戈登。后来蔡格离开哥伦比亚，中国学生王天眷接替他。汤斯选择了氨分子作为激活介质，因为他从理论上预测，氨分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，而且氨分子在电场作用下，可以感应产生电耦极矩。1951年下半年，汤斯在伊里诺斯大学召开的亚微波讨论会上宣布了他的这一计划。1952年初，他在《哥伦比亚辐射实验室季度报告》上，简要介绍了他的氨微波激射器的进展。汤斯的最初设计是在亚毫米波段。因为考虑到波长太短会带来制造振荡腔的困难，所以决定首先试制1厘米波长的微波激射器。经过两年多的努力，花费了近3万美元，到1954年7月，汤斯等人在《物理学评论》上著文宣布，他们研制成功第一台高分辨率的氨分子微波激射器。他们将它命名为"微波激射放大器"，简称脉塞。

虽然第一台微波激射器的输出功率很低，但它在激光发展史上是一个重要的里程碑。这一发明综合运用了受激辐射、粒子数反转、放大电磁波等概念，找到了氨分子这一实际工作系统，并设计制造了可用的装置。汤斯具有多学科的丰富知识，既熟悉分子的性质和非平衡态情况下分子的能级分布，又熟悉实现反馈所需要的技术装置。科学理论与实验技术的巧妙结合，是汤斯他们获得成功的重要原因。汤斯的贡献在于：①明确了受激辐射的相干性，说明了受激辐射具有完全相同的频率；②为了实现反馈，在外部附加一个谐振腔。

与此同时，许多科学家都在尝试研制微波激射器。1954年，巴索夫和普罗霍洛夫指出，通过一个非均匀电场，可将不同能态的分子分开，将高能态分子引入谐振腔内可产生放大。1958年末，他们制成的氨微波激射器开始运转。美国学者布隆姆伯根(1920-)于1956年提出用顺磁材料中的塞曼能级能做成可调谐的微波激射器。上述三人都提出了利用三能级系统的思想，为后来微波激射器和激光器的发展指明了方向。不久，贾万提出用非线性双光子过程进行微波放大。1957年，斯科韦耳等人实现了第一台固体三能级微波激射器的运转。1958年，布隆姆伯根等人也制成了红宝石微波激射器。

微波激射器的产生和发展，为激光器的诞生做好了准备。既然微波可以实现量子放大，顺理成章的是也应该找得到实现可见光放大的途径。此时，在分子束微波波谱学和微波激射器的研究领域里，聚集了一大批科学家，开始集中力量研制激光器。激光就如黎明时的朝阳，即将喷薄而出。一场激烈的竞赛已经展开，但看鹿死谁手。

4.激光器的问世

微波激射器出现以后，微波物理学家先把主攻方向转向毫米和亚毫米波段工作的激射器。但遇到一些当时难以解决的困难。1957年，他们转向研制红外和可见光波段工作的激射器，因为这相对容易些。

在可见光波段实现受激辐射的主要困难是：①光波段受激辐射与自发辐射的几率之比仅为微波波段的1／1012，即在光波段实现受激辐射对自发辐射的优势比微波波段困难得多；②采用什么样的谐振腔，如何解决谐振腔可能带来的多模振荡问题；③实现可见光辐射所需的能量差比室温所能提供的KT远大得多；④如何实现激励，因为通常的光源，或者频谱太宽，或者频谱虽窄但强度太低。

最先发表激光器的详细设计方案的是汤斯和肖洛。1957年，正当肖洛开始思考怎样制成红外激射器时，汤斯来到肖洛工作的贝尔实验室。汤斯谈到他对红外和可见光激射器很感兴趣，有没有可能越过远红外，直接进入近红外区或可见光区。肖洛说他也正在研究这个问题，并建议用法布里——珀罗标准具作为谐振腔。两人谈得十分融洽。汤斯把自己的笔记本交给肖洛，里面有关于光激射器的思考和初步计算。汤斯原来考虑用铊作为工作介质。肖洛认真分析后认为这个方案不容易实现。他最后选择了钾。对于谐振腔，肖洛考虑了各种方案，最后确定了法布里一珀罗干涉仪。他熟悉它的特点：可以把空腔里大多数振荡模滤掉，达到选模目的而不至于跳模。1958年春，汤斯和肖洛决定将他们的理论分析写成论文，并申请专利。申请专利时受到贝尔实验室专利办公室负责人反对。汤斯坚持申请，最后于1960年获得批准。

肖洛和汤斯的论文于1958年12月在《物理学评论》上发表，引起强烈反响。这是激光史上有重要意义的文献。汤斯和肖洛由于在微波激射器和激光器发展中的贡献，分别于1964年和1981年获诺贝尔物理奖。

按照汤斯和肖洛的理论，许多实验室都开始研究激光器。汤斯小组用钾进行实验，虽经一再努力，仍未能解决腔镜这一关键问题。肖洛则开始研究红宝石激光器。但他犯了一个错误，误以为红宝石的R线(即6934A与6929A)不适于产生激光。不过他指出："固体脉塞可以做得特别简单。基本上它就是一根棒，一端全反射，另一端也差不多是全反射，侧面则保持光泽，以便接收抽运辐射。"肖洛没有制成红宝石激光器，却为梅曼(1927-)提供了重要启示。

梅曼是美国休斯研究实验室量子电子部年轻的负责人。1955年，他在斯坦福大学获博士学位，研究的是微波波谱学。在休斯实验室，他从事微波激射器的研究工作，并发展了红宝石微波激射器。梅曼能在红宝石激光器研制上获得成功不是偶然的，因为他对红宝石微波激射器研究多年，熟悉红宝石的特点和性能，预见到它作为激光器的可能性。但当时的文献报道，红宝石的量子效率很低，也许仅为1％。梅曼选用其他材料，实验结果都不理想。于是他想选用与红宝石类似的材料。为此他测量了红宝石的荧光效率。出乎意料，红宝石荧光效率竟达75％。梅曼当即决定用红宝石做激光的工作物质。通过计算，他认识到最重要的是选择高色温(约5000K)的激励光源。

经过分析，他决定采用脉冲氙灯。但这种灯具有螺旋结构，不适于椭圆聚光腔。他又想出一个巧妙的方法，将红宝石棒插在螺旋灯管之中。红宝石棒两端镀银膜，其中一端膜中央留有一透光小孔，使产生的激光可以从小孔射出。他将红宝石用液氨冷却到－196℃，然后接通电路。氙灯发出强闪光(约持续1／1000秒），照射红宝石，使红宝石中的铬离子大量地从基态激发到高能态，造成粒子数反转。一些高能态的铬离子自发跃迁到低能态。向各个方向辐射出光子。向侧面发射的光很快就离开了工作物质，沿轴线方向的光因受激辐射而增殖放大，而且其中大部分光在两块反射镜之间来回反射。这样，工作物质中因粒子数反转积累起来的能量就变成了强度极高的激光沿轴向输出。33岁的梅曼经过9个月的奋斗，花了5万美元，终于试制成功了世界上第一台激光器。

1960年6月的一天，在他的实验室中，随着脉冲氙灯的每一次闪光，红宝石棒的一端就射出深红色(波长为6943A)的激光。这种奇异的光是20世纪最重大的发明之一。它标志着人类对光的认识和利用进入了一个崭新的时代。梅曼将论文投到《物理评论快报》。由于主编没认识到这一发明的价值，拒绝发表。梅曼只好将它寄到《纽约时报》。该报7月7日以"一种比太阳还要亮的原子灯"为题宣布了这一消息。8月6日，英国的《自然》杂志正式发表了这一成果。

梅曼成功的消息传出后，许多实验室很快复制出了红宝石激光器。1960年8月底，贝尔电话公司实验室的柯林斯、尼尔森和肖洛等人立即重复了红宝石激光的实验，并确认了由受激辐射产生的激光作用。

激光的概念是汤斯和肖洛在1958年的论文中提出来的。他们把它命名为"LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation"，简称"LASER"。中文译名开始很不统一，有人译为"莱塞"。1964年，钱学森将其译名确定为"激光"，此后被统一使用。中国台湾则将其译为"镭射"。从60年代起，一位默默无闻的美国人古尔德(1920-)就提出了激光的发明权问题。在汤斯、肖洛构思激光器之际，古尔德也独立产生了用光泵方法实现粒子数反转的思想，并设计了用法布里——珀罗干涉仪镜片做成的谐振腔。他在笔记本上写下了自己的想法，并把光学激射器命名为LASER(LightAmplicationbyStimulatedEmissionofRadiation)。1957年10月，古尔德得知汤斯进行类似的工作，于是他连忙请了一位证人将自己的笔记签封，以备申辨。由于他的设计未发表，也未及时申请专利，以后他及他所在的公司对激光的研究被国防部保密，所以使他处于不利地位。经过长期诉讼，1977-1979年，他才取得两个具体项目的专利。直到1987年才得到胜诉。但时光已经过去将近30年了。科学史上同时而又独立作出发现或发明的事常有发生，这说明一些重大科技成果，如激光确实是时代的产物，历史的必然。