[摘 要]美國(guó)實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家、發(fā)明家和教育家查爾斯·湯斯是微波激射器（Maser）的主要發(fā)明者和激光器（Laser）的先驅(qū)者之一，與前蘇聯(lián)（現(xiàn)俄羅斯）物理學(xué)家和微波波譜學(xué)家巴索夫以及普羅霍羅夫分享1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，還與多人共享“激光之父”之美譽(yù)。激光技術(shù)是20世紀(jì)人類(lèi)的重大技術(shù)發(fā)明之一，為了紀(jì)念湯斯教授逝世1周年并寄托筆者的深情哀思，特撰寫(xiě)出此長(zhǎng)文。筆者在此全面介紹了湯斯教授的生平與家庭成員；主要學(xué)術(shù)成就與貢獻(xiàn)；與中國(guó)的淵源以及所獲雅稱(chēng)、獎(jiǎng)項(xiàng)與榮銜，重點(diǎn)梳理出激光技術(shù)波瀾壯闊發(fā)展歷程的整個(gè)脈絡(luò)和概貌，還順便簡(jiǎn)介了并非激光器的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的發(fā)展概況，簡(jiǎn)明扼要地闡述了諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)中與激光技術(shù)密切相關(guān)的有關(guān)情況。

[關(guān)鍵詞]查爾斯·湯斯；能級(jí)（能態(tài)）；躍遷；受激輻射；微波波譜學(xué)；核磁共振；拉比樹(shù)；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；微波激射器（Maser）；量子電子學(xué)；工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）；泵浦源；光泵浦；光諧振腔；激光（Laser）；紅寶石激光器；激光技術(shù)；光纖通信（光通信）；網(wǎng)絡(luò)；全息攝影術(shù)；精密測(cè)量；激光冷卻技術(shù)；玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）；發(fā)光二極管（LED）；發(fā)明專(zhuān)利；諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.05.167

2.5 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

一般情況下，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion，又譯為集居數(shù)反轉(zhuǎn)、居量反轉(zhuǎn)、群數(shù)反轉(zhuǎn)）是產(chǎn)生Maser/Laser的先決條件。兩能級(jí)間受激輻射概率與兩能級(jí)粒子數(shù)差有關(guān)。通常情況下，處于熱平衡不同能級(jí)的粒子服從玻爾茲曼分布，即處于低能級(jí)E1的粒子數(shù)大于處于高能級(jí)E2的粒子數(shù)，這種分布是粒子數(shù)的正常分布，只能得到普通光。為了得到激光，就必須使用電、光及其他方法對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，設(shè)法把處于基態(tài)的粒子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，使得高能級(jí)E2上的粒子數(shù)大大超過(guò)低能級(jí)E1上的粒子數(shù)，在受激輻射作用下，工作物質(zhì)就能對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光輻射產(chǎn)生放大作用（即光放大）。這樣就可在高能級(jí)E2和低能級(jí)E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。

科學(xué)家們通過(guò)對(duì)原子能級(jí)系統(tǒng)的深入研究，發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能級(jí)系統(tǒng)幾乎全部可歸納為3能級(jí)系統(tǒng)3ELS（three energy levels system）和4能級(jí)系統(tǒng)4ELS（four energy levels system）兩類(lèi)。在3能級(jí)系統(tǒng)中，E0是基態(tài)能級(jí)，E1是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，E2是激發(fā)態(tài)泵浦高能級(jí)，在E1和E0之間產(chǎn)生激光。其主要特征是激光的低能級(jí)是基態(tài)，發(fā)光過(guò)程中低能級(jí)的粒子數(shù)會(huì)一直保持有相當(dāng)?shù)臄?shù)量，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的效率較低。在4能級(jí)系統(tǒng)中，E0是基態(tài)能級(jí)，E1是激發(fā)態(tài)能級(jí)，E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，E3是激發(fā)態(tài)泵浦高能級(jí)，在E2和E1之間產(chǎn)生激光。因激光的低能級(jí)是一個(gè)激發(fā)態(tài)，常溫下基本上是空的，其激勵(lì)能量要比3能級(jí)系統(tǒng)小得多，更容易獲得激光。

前蘇聯(lián)物理學(xué)家法布里坎特（Valentin Aleksandrovich Fabrikant，1907.10.09—1991.03.03）是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)這一重要物理思想的首倡者和踐行者。他在討論氣體放電的發(fā)光機(jī)理時(shí)，分析了由負(fù)吸收產(chǎn)生光放大的可能性，以及由此所引起的光強(qiáng)度增加和方向性的問(wèn)題。他根據(jù)拉登堡發(fā)現(xiàn)的吸收系數(shù)、愛(ài)因斯坦A/B系數(shù)和粒子數(shù)分布的關(guān)系指出：要使輻射通過(guò)介質(zhì)不但不衰減而且還要放大的話，就必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[1]，為此他用氦（He）的388.9 nm譜線激勵(lì)銫（Cs）原子，觀察到原子能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。1940年他在博士論文中首先提出了產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)方法，這一獨(dú)到見(jiàn)解是從愛(ài)因斯坦受激輻射理論向構(gòu)思激光器技術(shù)原理邁出的極為重要的一步，因?yàn)樗该髁水a(chǎn)生激光的最重要條件。

1947年4月拉姆（又譯為蘭姆，Willis Eugene Lamb，Jr.，1913.07.12—2008.05.15，1955PH21）和美國(guó)物理學(xué)家雷瑟福（Robert Curtis Retherford，1912—1981）通過(guò)波譜學(xué)實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)氫原子的亞穩(wěn)態(tài)及其光譜線不是單一的黑線，而是由一些不連續(xù)的非常接近的譜線系列組成，后來(lái)人們把氫原子光譜的這種雙線結(jié)構(gòu)稱(chēng)為拉姆位移（Lamb shift）。在他倆發(fā)表關(guān)于氫原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的著名論文的一個(gè)附注中指出通過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以期望實(shí)現(xiàn)感應(yīng)輻射（induced emission），即受激輻射。[2～3]他倆的興趣只是在氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)方面，并沒(méi)有把負(fù)吸收和自持振蕩聯(lián)系起來(lái)，僅是在論文中添加一個(gè)附注而已，故將此說(shuō)成是受激輻射的第一個(gè)實(shí)證是不妥當(dāng)?shù)摹?950年拉姆明確提出氣體放電中的電子碰撞可以改變粒子的集居數(shù)。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)這一思想至關(guān)重要，然而當(dāng)時(shí)在人們的心目中，認(rèn)為這是不可思議的。因?yàn)樵跓崞胶鈼l件下，低能級(jí)粒子數(shù)總是比高能級(jí)粒子數(shù)多，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就必須破壞熱平衡，故粒子數(shù)反轉(zhuǎn)思想當(dāng)時(shí)并未引起人們的重視。

1948年珀塞爾有意識(shí)地研究了磁場(chǎng)中各子能級(jí)的集居數(shù)。1950年珀塞爾和美國(guó)物理學(xué)家龐德（Robert Vivian Pound，1919.05.16加拿大安大略省—2010.04.12）利用微波波譜學(xué)的方法研究氟化鋰（LiF）晶體中原子核磁矩構(gòu)成的順磁體系，為了更進(jìn)一步地弄清楚磁共振信號(hào)的來(lái)源和增強(qiáng)微波信號(hào)，他倆特意采用突然反向靜磁場(chǎng)法。當(dāng)外磁場(chǎng)極性改變比核自旋—晶格弛豫時(shí)間短得多時(shí)，出現(xiàn)了鋰原子（Li7）核自旋體系集居數(shù)的反轉(zhuǎn)，發(fā)生了負(fù)吸收現(xiàn)象，意外地觀察到頻率為50 kHz的受激輻射。這是受激輻射首次直接被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，也直接給出了受激輻射發(fā)生的前提是要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了解釋這種現(xiàn)象，珀塞爾和龐德首先提出“負(fù)溫度”（negative temperature）概念，并把粒子數(shù)反轉(zhuǎn)稱(chēng)為“負(fù)溫度”狀態(tài)。[4]負(fù)溫度不是表示比絕對(duì)零度還低的溫度，而是描述從零到正無(wú)窮的開(kāi)氏溫標(biāo)所不能描述的狀態(tài)。

光泵浦（optical pumping，“泵浦”系英文pump的音譯，又意譯為“抽運(yùn)”）是指用光將粒子中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)（即受激吸收）而產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光泵浦的磁共振是由核磁共振演化而來(lái)的。1947年發(fā)現(xiàn)拉姆位移以后，1949年美國(guó)磁學(xué)家比特（Francis Bitter，1902—1967）建議可把射頻波譜技術(shù)擴(kuò)展到原子激發(fā)態(tài)方面的研究。此前磁共振實(shí)驗(yàn)一般是在凝聚態(tài)中粒子處于熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，激發(fā)態(tài)的磁共振則從未有人做過(guò)。光磁雙共振是將光共振和磁共振結(jié)合起來(lái)，使粒子光學(xué)頻率的共振與射頻/微波（即赫茲波）頻率的磁共振同時(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象，1949—1950年布羅塞爾（Jean Brossel，1918.08.15—2003.02.04）[5]和卡斯特勒合作提出光磁雙共振的實(shí)驗(yàn)設(shè)想[6～7]，1950年布羅塞爾在比特的指導(dǎo)下首次取得光磁共振實(shí)驗(yàn)的成功，不過(guò)還不能探測(cè)原子的定向[8]，同年卡斯特勒又提出：采用圓偏振光激發(fā)原子，使原子的角動(dòng)量發(fā)生變化，激發(fā)原子到高能級(jí)，即改變?cè)釉诨鶓B(tài)某一子能級(jí)的集居數(shù)，從而首先提出光泵浦理論和實(shí)驗(yàn)方案。1952年布羅塞爾和卡斯特勒等初步取得光泵浦實(shí)驗(yàn)的成功[9]，其后即觀察到多光子共振現(xiàn)象，1955年他們終于取得光泵浦鈉原子磁共振實(shí)驗(yàn)的成功。[10]因光泵浦法是利用光輻射來(lái)改變光子的能級(jí)集居數(shù)，是最早實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有效方法，是Maser向Laser演進(jìn)的重要推手，在歷史上是一項(xiàng)重大技術(shù)突破，對(duì)激光的發(fā)明和發(fā)展發(fā)揮過(guò)重要作用（1960年梅曼的首臺(tái)激光器正是利用光泵浦技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的），故卡斯特勒常被贊譽(yù)為“激光之祖（激光之父）”。[11～12]

1959年貝爾實(shí)驗(yàn)室（自牛津大學(xué)克拉倫登實(shí)驗(yàn)室來(lái)此休假8個(gè)月）英國(guó)物理學(xué)家桑德?tīng)査梗↗ohn H.Sanders）和美國(guó)物理學(xué)家賈范（Ali Mortimer Javan，1926.12.26伊朗德黑蘭—，1962年和1963年各獲1次諾物獎(jiǎng)提名）率先分別提出在氣體系統(tǒng)中通過(guò)選擇性電子碰撞激發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[13～14]，這一思想后來(lái)被激光開(kāi)拓者所采用。

2.6 微波激射器（Maser）

微波激射器的全稱(chēng)是受激輻射微波放大器Maser（microwave amplification by stimulated emission of radiation，音譯為脈塞或脈澤，此英文縮略詞1951年由湯斯首創(chuàng)），脈塞Maser（屬微波，不可見(jiàn)光）是激光Laser（light amplification by stimulated emission of radiation，直譯為受激輻射光放大器，音譯為萊塞或萊澤，其波長(zhǎng)范圍涵蓋可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光）的先驅(qū)。Laser是將Maser原理從微波頻段推廣到光波頻段的自然產(chǎn)物，兩者都是基于受激輻射會(huì)帶來(lái)放大效應(yīng)的原理。Maser具有十分穩(wěn)定的振蕩頻率，適宜于制作波譜儀和原子鐘。

微波波譜學(xué)和分子光譜學(xué)是“二戰(zhàn)”時(shí)期為研制微波振蕩器（系雷達(dá)核心部件）以提高雷達(dá)性能應(yīng)運(yùn)而生的，Maser的發(fā)明則是基于對(duì)微波波譜學(xué)和分子光譜學(xué)的研究而產(chǎn)生的。分子光譜包括轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、振動(dòng)光譜和分子電子光譜三大類(lèi)。

在原子系統(tǒng)中，通過(guò)受激輻射有可能獲得微波振蕩和放大（即微波激射）。1951年春湯斯到華盛頓參加一個(gè)由海軍組織的亞毫米波學(xué)術(shù)討論會(huì)，與肖洛同住富蘭克林公園賓館的一間客房，4月26日因起床早，餐廳未開(kāi)門(mén)而又不想打擾同伴休息，于是獨(dú)自外出坐在賓館附近富蘭克林公園的長(zhǎng)椅上靜心遐思，突然一個(gè)獨(dú)辟蹊徑的念頭在其頭腦中閃過(guò)，豁然開(kāi)朗就構(gòu)思出實(shí)現(xiàn)微波受激放大的可能性：擯棄電子學(xué)的傳統(tǒng)觀念，設(shè)想用分子體系來(lái)實(shí)現(xiàn)微波放大，首先分離出分子束系統(tǒng)中的高能級(jí)和低能級(jí)，然后把高能級(jí)分子饋入諧振腔保持自持振蕩并放大，使處于微波激發(fā)態(tài)的氨分子數(shù)大于處在低能級(jí)的氨分子數(shù)，這樣就會(huì)發(fā)生受激輻射。湯斯將微波的相干性和放大結(jié)合起來(lái)，促成了Maser的問(wèn)世。量子放大器（又稱(chēng)激射器）是指利用受激輻射原理使某些工作物質(zhì)激勵(lì)而具有量子放大或發(fā)射電磁波性能的器件，在微波頻段稱(chēng)為微波量子放大器（Maser），在光波頻段則稱(chēng)為光波量子放大器（Laser）。光放大器現(xiàn)一般分為光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器兩類(lèi)。

1952年在渥太華舉行的電子管研究大會(huì)（Conference on Electron Tube Research，會(huì)期：06.16～17）由加拿大籍德國(guó)裔物理化學(xué)家和光譜學(xué)家赫茲伯格（1971CH，被譽(yù)為Father of molecular spectroscopy，即分子光譜學(xué)之父）主持，馬里蘭大學(xué)微波波譜實(shí)驗(yàn)室美國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber，1919.05.17—2000.09.30，1962年和1963年各獲1次諾物獎(jiǎng)提名）在大會(huì)上做了《在非熱平衡態(tài)下微波輻射的放大》的報(bào)告，首先公開(kāi)提出Maser原理（其講演全文1年后發(fā)表[15]）：利用受激輻射誘發(fā)粒子放大微波必須破壞熱平衡，其輻射脈沖是相干的。盡管韋伯的方法后來(lái)并未全部實(shí)現(xiàn)，但它對(duì)湯斯產(chǎn)生過(guò)積極影響。

在美國(guó)軍方合同的資助下，1951年年底湯斯小組[成員還有湯斯的博士生詹姆斯·戈登（James Power Gordon，1928.03.20—2013.06.21，1963年獲1次諾物獎(jiǎng)提名）和博士后齊格爾（Herbert Jack Zeiger，1925.03.16—2011.01.14，其博導(dǎo)是拉比，博士論文涉及分子束領(lǐng)域），齊格爾離開(kāi)哥倫比亞大學(xué)后不久由中國(guó)學(xué)者王天眷接替]開(kāi)始工作，他們選用氨分子束作為工作物質(zhì)，利用分子受激輻射原理產(chǎn)生了噪聲極低的單色相干微波輻射，于1954年1月30日研制成功世界上首臺(tái)新型微波振蕩器——氨分子微波激射器Maser，其共振頻率為23.87 GHz圖4 湯斯（左）、戈登和齊格爾（未在場(chǎng)）等制成的第二臺(tái)Maser（波長(zhǎng)1.25 cm，下同），功率極低（～10 nW），首次觀察到氨分子反演譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)最早觀察到的微波分子輻射譜。[16～17]同年7月湯斯小組制成具有2個(gè)微波放大器的第二臺(tái)Maser（見(jiàn)圖4。據(jù)考證，照片中詹姆斯·戈登身后的人就是王天眷先生）。氨分子Maser的長(zhǎng)期穩(wěn)定度不高，并未走向?qū)嵱没?，但它作為首個(gè)量子電子學(xué)器件具有重要的歷史意義和價(jià)值，Maser的成功實(shí)驗(yàn)成為L(zhǎng)aser的理論先導(dǎo)。1956年湯斯正式提出Maser能被無(wú)線電波甚至被光波所泵浦，即將Maser原理拓展到光波，這是激光原理首次被直接描述。

前蘇聯(lián)物理學(xué)家巴索夫和普羅霍羅夫小組一直致力于分子振蕩器及其光譜的研究，探索利用微波波譜學(xué)方法建立頻率和時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，這就需要人為地改變能級(jí)的集居數(shù)以增加波譜儀的靈敏度。巴索夫和普羅霍羅夫在1952年5月舉行的全蘇無(wú)線電波譜學(xué)大會(huì)（All-Union Conference on Radio-Spectroscopy）上首先提出得到Maser受激粒子的另一種可能途徑：在具有3ELS和4ELS的粒子系統(tǒng)中，利用高頻電磁波實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在高能級(jí)和居間能級(jí)或居間能級(jí)和低能級(jí)之間的躍遷頻率有可能得到量子放大和自持振蕩。1953年1月在全蘇核磁矩會(huì)議上他倆提交的論文《在微波波譜學(xué)中利用分子束》更詳細(xì)地闡明了這一思想。巴索夫和普羅霍羅夫?qū)Ψ肿邮谖⒉úㄗV學(xué)中的利用進(jìn)行過(guò)深入的理論分析，1954年10月他倆聯(lián)名發(fā)表文章（此文可視為是量子電子學(xué)的開(kāi)山之作）指出：[18]通過(guò)一個(gè)非均勻磁場(chǎng)，可將分子束中處于不同能級(jí)的各種類(lèi)型的分子彼此分開(kāi)，而處于特定能級(jí)的分子可被引導(dǎo)到一個(gè)微波諧振腔內(nèi)，在腔內(nèi)產(chǎn)生吸收或放大，定量地分析了Maser運(yùn)轉(zhuǎn)的具體條件。巴索夫和普羅霍羅夫獨(dú)立研制成功的氨分子束低噪聲量子振蕩器和放大器（即Maser）比1954年1月湯斯小組晚幾個(gè)月運(yùn)轉(zhuǎn)。湯斯小組以及巴索夫和普羅霍羅夫小組在幾乎相同的時(shí)間內(nèi)獨(dú)立地對(duì)Maser作出開(kāi)創(chuàng)性工作，兩組人的思路基本相同，前者首先在實(shí)驗(yàn)上獲得成功，而后者則首先奠定了其理論基礎(chǔ)（正式發(fā)表論文時(shí)間領(lǐng)先）。1955年巴索夫和普羅霍羅夫利用量子力學(xué)對(duì)氟化銫（CsF）分子振蕩器和放大器進(jìn)行理論分析[19]，不久普羅霍羅夫還把氨分子Maser的工作波長(zhǎng)減小到亞毫米級(jí)，把頻率提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]P186關(guān)于“1952年巴索夫及其博士生導(dǎo)師普羅霍羅夫研制成功世界上第一臺(tái)微波激射器”的描述有誤，1952年僅是他倆提出Maser設(shè)計(jì)思路和方案的時(shí)間，為此特予以訂正。1955年巴索夫和普羅霍羅夫合作提出多能級(jí)光泵浦理論可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即提出初步的激光器原理和設(shè)計(jì)方案。[22～23]同年普羅霍羅夫把注意力轉(zhuǎn)向順磁共振Maser，在幾年內(nèi)研究出一系列順磁晶體的順磁共振和弛豫特性，1958年制成順磁Maser。

布洛姆伯根對(duì)Maser/Laser的研究也作出過(guò)重要貢獻(xiàn)，1956年獨(dú)立地提出3能級(jí)泵浦法的新構(gòu)思（這是3能級(jí)和4能級(jí)激光理論的基礎(chǔ)），詳細(xì)地計(jì)算了獲得“負(fù)溫度”的條件，并建議利用順磁材料（如Ni-Zn氟硅酸鹽和Ga-La乙基硫酸釓鹽）中的塞曼能級(jí)可做成可調(diào)諧的3ELS固體Maser。[24～25]1957年年貝爾實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家斯柯維爾（Henry Evelyn Derrick Scovil，1923.07.25加拿大不列顛哥倫比亞省維多利亞市—2010.05.11美國(guó)華盛頓州Townsend港）小組根據(jù)這個(gè)原理，利用順磁摻釓離子（Gd3+）的氰化鉀晶體研制成功3ELS可調(diào)諧順磁固體Maser[26]，同年賈范也獨(dú)立地提出3ELS Maser方案。[27]1957年末哈佛大學(xué)Gordon McKay實(shí)驗(yàn)室布洛姆伯根小組和密歇根大學(xué)工程研究院馬可霍夫（George Makhov）小組發(fā)明了紅寶石固體Maser（9060 MHz）[28～29]，它們彌補(bǔ)了氨分子Maser的不足（如感應(yīng)頻率窄、可調(diào)諧范圍小和不能連續(xù)運(yùn)行等）。至此，使厘米波和分米波的高靈敏度接收成為可能，并很快被用作于射電天體物理學(xué)、雷達(dá)和宇宙通信靈敏的低噪聲前置放大器。巴索夫、普羅霍羅夫和布洛姆伯根的多能級(jí)創(chuàng)新性思維為微波激射器的發(fā)展和激光器的誕生指明了方向。

應(yīng)用最廣的Maser是1960年拉姆齊小組發(fā)明的氫原子Maser（即氫原子鐘，簡(jiǎn)稱(chēng)氫鐘），其輸出頻率是1420405751.767±0.002 Hz（相應(yīng)的波長(zhǎng)是21.10611405413 cm），對(duì)應(yīng)于氫原子基態(tài)2個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間的躍遷頻率。[30]氫原子Maser輸出頻率的準(zhǔn)確度（其不確定度高達(dá)10-14數(shù)量級(jí)）和穩(wěn)定度都極高，可用作于頻率和時(shí)間基準(zhǔn)。

2.7 激光的誕生

1954年普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家迪克（Robert Henry Dicke，1916.05.06—1997.03.04）首先提出“超發(fā)光”（superradiance，又譯為超輻射）和“光彈”（optical bomb）的設(shè)想，其中包含著粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的思想。所謂超發(fā)光，是指短促的激勵(lì)脈沖過(guò)后，由于自發(fā)輻射會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光束。1956年迪克在其專(zhuān)利申請(qǐng)書(shū)“分子放大和發(fā)生的系統(tǒng)和方法”[31]中就已提出運(yùn)用法布里—珀羅干涉儀FPI（Fabry-Pérot Interferometer，簡(jiǎn)稱(chēng)F-P干涉儀，1897年[32]，又稱(chēng)法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，法國(guó)物理學(xué)家法布里是美國(guó)富蘭克林學(xué)會(huì)頒發(fā)的1921年富蘭克林獎(jiǎng)?wù)碌弥鳎┳鳛楣夥糯笾C振腔的設(shè)想，且建立不求助于反射（2年后肖洛和湯斯提出的諧振腔方案采用了2面平行反射鏡）而在近紅外或可見(jiàn)光頻段產(chǎn)生相干受激輻射的新穎獨(dú)創(chuàng)思想。

1957年10月，時(shí)兼任貝爾實(shí)驗(yàn)室顧問(wèn)的湯斯訪問(wèn)了貝爾實(shí)驗(yàn)室，其妹夫肖洛1951—1960年在那里工作，倆人興趣相投、交談甚歡，相約密切合作、各取所長(zhǎng)、共同攻關(guān)，其合作成果是1958年12月15日聯(lián)名發(fā)表了著名的具有獨(dú)到見(jiàn)解的論文《紅外區(qū)和光激射器》[33]，首次提出將微波激射原理擴(kuò)展到紅外和可見(jiàn)光區(qū)的可能性，這是激光發(fā)展史上最具重要意義的經(jīng)典文獻(xiàn)，實(shí)質(zhì)上提出了完備的激光原理（即激光器的物理模型），奠定了現(xiàn)代激光的基礎(chǔ)，催生了激光器的誕生。該文不僅給出了受激輻射光產(chǎn)生的必要條件，而且提出了以鉀蒸氣為工作物質(zhì)、鉀燈為泵浦源的紅外激射器詳細(xì)設(shè)計(jì)方案（此方案實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常工作），還論證了以法布里—珀羅干涉儀作為側(cè)壁完全開(kāi)放式諧振腔選模以減少過(guò)剩波型和自發(fā)輻射的機(jī)制。

1958年普羅霍羅夫也指出：法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可用作從亞毫米波直至可見(jiàn)光波段的開(kāi)放式諧振腔。[34]巴索夫是半導(dǎo)體激光器的重要開(kāi)拓者之一。世界科技界高度評(píng)價(jià)湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫的原始創(chuàng)新思想，認(rèn)為這是1960年激光器產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)。1959年9月14～16日湯斯主持了紐約國(guó)際量子電子學(xué)和共振現(xiàn)象會(huì)議（International Conference on Quantum Electronics and Resonance Phenomena，即首屆國(guó)際量子電子學(xué)會(huì)議），巴索夫和普羅霍羅夫受邀參會(huì)，大會(huì)上科學(xué)家們提交的激光器設(shè)計(jì)方案就有幾十種，翌年湯斯主編的本次研討會(huì)論文集《量子電子學(xué)》（Quantum Electronics：A Symposium）由哥倫比亞大學(xué)出版社出版。至此，以量子電子學(xué)的研究為基礎(chǔ)，把微波量子放大器擴(kuò)展到光波波段的理論基礎(chǔ)和技術(shù)已基本完備，為激光的誕生鋪平了道路?？茖W(xué)家們因此而紛紛加入到光激射器的研制熱潮中。

美國(guó)物理學(xué)家和工程師梅曼[Theodore Harold ″Ted″ Maiman，1927.07.11—2007.05.05，1962年獲1次諾物獎(jiǎng)提名，1983年獲沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，1987年獲日本國(guó)際獎(jiǎng)，被譽(yù)為“光電產(chǎn)業(yè)之父”（Father of the electro-optics industry）]師從博導(dǎo)拉姆教授進(jìn)行原子光譜的研究，1955年獲斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)PhD，其博士學(xué)位論文是《利用微波和光的雙共振研究氦原子激發(fā)態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)》（Microwave-Optical Investigation of the Triplet-3P Fine Structure in Helium）。1955—1961年就職于美國(guó)加州休斯飛機(jī)公司休斯研究實(shí)驗(yàn)室（Hughes Research Labs）量子電子學(xué)部（1961年梅曼及7位同事離開(kāi)休斯實(shí)驗(yàn)室加入新成立的Quantatron公司，次年創(chuàng)辦激光器制造公司Korad Solid State并自任總裁，1968年Korad被Union Carbide收購(gòu)），最早進(jìn)行了毫米波振蕩器的研究，還從事過(guò)紅寶石Maser的研究。1960年梅曼首先撰文指出肖洛1959年9月所斷言紅寶石不適宜于產(chǎn)生激光的錯(cuò)誤（關(guān)于紅寶石的量子效率，肖洛得到～1%的結(jié)論是錯(cuò)誤的，實(shí)際上應(yīng)在～75%）[35]，接著他及其助理德漢寧（Irnee DHaenens，1934.02.03—2007.12.24）和阿薩瓦（Charles Asawa）大體按照肖洛和湯斯1958年的設(shè)計(jì)構(gòu)思，僅使用5萬(wàn)美元“獨(dú)立研究和發(fā)展經(jīng)費(fèi)”，于同年5月16日獲得了人類(lèi)歷史上的第一束激光（694.3 nm），開(kāi)啟了激光時(shí)代。激光被稱(chēng)為“人造神光”、“最亮的光”、“最準(zhǔn)的尺”、“最快的刀”和“奇異之光”。同年7月7日[次日《紐約時(shí)報(bào)》頭版以《被科學(xué)家放大的光》（Light amplification claimed by scientist）為題予以報(bào)道]休斯公司在紐約曼哈頓Delmonico賓館舉行的一個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上宣布：梅曼研制成功（淡）紅寶石激光器并公開(kāi)演示了這一設(shè)備，還給與會(huì)人員分發(fā)了介紹研究成果的單行本，這是得到公認(rèn)的世界上第一臺(tái)激光器（屬非連續(xù)運(yùn)行脈沖輸出激光器），其工作物質(zhì)是摻鉻紅寶石晶體（Al2O3∶Cr3+-Cr2O3），3ELS光泵浦采用閃光氙燈（由GE公司生產(chǎn)的FT506螺旋管石英燈，原本用于航空攝影）橢圓漫射照明。[36～38]梅曼將發(fā)明激光的根本性突破寫(xiě)成短文于6月22日投稿于《物理評(píng)論快報(bào)》雜志，24日就被該刊主編、美國(guó)和荷蘭理論物理學(xué)家（雙重國(guó)籍）古茲密特（Samuel Abraham Goudsmit，1902.07.11—1978.12.04，1925年與烏倫貝克合作發(fā)現(xiàn)電子自旋[39]）所拒絕，因?yàn)樗`以為梅曼的論文仍是關(guān)于Maser發(fā)展方面的，沒(méi)有發(fā)表價(jià)值，且當(dāng)時(shí)該刊已有太多Maser技術(shù)方面的論文等待審稿，故梅曼只好精簡(jiǎn)后改投更有影響的英國(guó)《自然》雜志，這次立即就被接受并順利發(fā)表。當(dāng)時(shí)一名參加新聞發(fā)布會(huì)的記者未經(jīng)作者許可就私自將單行本寄給《英國(guó)通信與電子》雜志，也被順利發(fā)表。[40～41]在得知梅曼激光實(shí)驗(yàn)的成功消息之后，貝爾實(shí)驗(yàn)室美國(guó)物理學(xué)家柯林斯（Robert John Collins，1924—2014.07.19）小組于8月1日重復(fù)了紅寶石激光的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)梅曼在紅寶石中得到的光具有相干性，從而確認(rèn)受激輻射產(chǎn)生了激光。[42]Maser和Laser的發(fā)明不僅開(kāi)創(chuàng)了本領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究，而且大大拓寬了宏觀和微觀物理學(xué)的視界。

在應(yīng)用光學(xué)家王大珩[1915.02.26—2011.07.21，1955年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員（院士），1994年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士，“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者，被譽(yù)為“中國(guó)光學(xué)之父”]院士的主持和領(lǐng)導(dǎo)下，1961年9月中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所物理學(xué)家王之江（1930.11.21—，1991年當(dāng)選為中科院院士，被譽(yù)為“中國(guó)激光之父”）和鄧錫銘（1930.10.29—1997.12.20，1993年當(dāng)選為中科院院士）等人創(chuàng)制出中國(guó)第一臺(tái)激光器[43～44]，其工作物質(zhì)是摻釹紅寶石晶體，光泵浦采用直管狀脈沖氙燈球形成像照明（其效率高于螺旋管狀脈沖氙燈漫射照明），光諧振腔采用獨(dú)特的半外腔式結(jié)構(gòu)，與梅曼激光器的結(jié)構(gòu)迥然不同。1961年7月日本電氣公司（NEC）久保田觀治等人研制出紅寶石激光器[45]，中國(guó)的首臺(tái)激光器比前蘇聯(lián)早2個(gè)月，從而使得中國(guó)成為世界上第3個(gè)擁有激光器的國(guó)家。[46～47]

2.8 激光技術(shù)主要發(fā)展歷程簡(jiǎn)述

紅寶石激光器發(fā)明后不到半年，1960年11～12月IBM托馬斯·沃森研究中心（IBM Thomas John Watson Research Center）物理學(xué)家索洛金（Peter P.Sorokin，1931.07.10—）和史蒂文森（Mirek J.Stevenson）發(fā)明了世界上第二臺(tái)和第三臺(tái)4ELS閃光氙燈FT503泵浦的激光器，即摻鈾氟化鈣（CaF2∶U3+）激光器（2.500 μm）和摻釤氟化鈣（CaF2∶Sm2+）激光器（0.7085 μm）[48～49]，晶體必須冷卻到液氦溫度（沸點(diǎn)-268.93 ℃，0 K=-273.15 ℃）才能運(yùn)轉(zhuǎn)，這2種固體激光器并未被實(shí)用。同年12月貝爾實(shí)驗(yàn)室肖洛小組研制成功深紅寶石激光器（700.9 nm）[50～51]，當(dāng)月12日16∶20分貝爾實(shí)驗(yàn)室賈范、班尼特（William Ralph Bennett，Jr.，1930.01.30—2008.06.29）和赫里奧特（Donald Richard Herriott，1928.02.04—2007.11.08）采用低氣壓放電方法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，共同發(fā)明了采用4K液氦冷卻的4ELS電泵浦（非光泵浦）氦氖激光器（1.1523 μm），這是世界上首臺(tái)可連續(xù)輸出激光束的激光器。[52]截至1960年年底，世界上至少已有4種不同類(lèi)型的5臺(tái)激光器運(yùn)行成功。1962年貝爾實(shí)驗(yàn)室艾倫·懷特（Alan D.White）和里格登（Jameson Dane Rigden）開(kāi)發(fā)出首臺(tái)射頻激勵(lì)的氦氖激光器（0.6328 μm）[53]，這是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)室里最常用的紅光激射源和標(biāo)準(zhǔn)激光器（氦氖激光器的其他2種波長(zhǎng)1.1523 μm和3.3913 μm并不常用）。1964年拉姆提出了氣體激光的半經(jīng)典自洽理論，成功地解釋了氣體激光功率曲線中心出現(xiàn)的凹陷現(xiàn)象，后稱(chēng)拉姆凹陷（Lamb dip），為氣體激光的飽和吸收穩(wěn)頻技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。1972年英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室率先研制出633 nm碘穩(wěn)頻氦氖激光光頻標(biāo)準(zhǔn)。1985年美國(guó)Melles Griot公司首次推出全內(nèi)腔綠光氦氖激光器（543 nm）。

1961年貝爾實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家亞瑟·?？怂梗ˋrthur Gardner Fox，1912.11.22—1992.11.24）以及美籍華裔物理學(xué)家和光纖通信專(zhuān)家厲鼎毅（Tingye Li，1931.07.07南京—2012.12.27猶他州Snowbird，被譽(yù)為“DWDM之父”，1996年中國(guó)工程院首批7名外籍院士之一）合作討論了激光諧振腔模型的不同橫向模式，考慮了正方形和圓形平面鏡法布里—珀羅諧振腔中電磁場(chǎng)的衍射效應(yīng)，進(jìn)一步地完善和豐富了光諧振腔理論。[54]同年貝爾實(shí)驗(yàn)室加里·博伊德（Gary D.Boyd）和詹姆斯·戈登首先闡明了共焦腔（confocal optical resonator）的高斯模式理論[55]，次年加里·博伊德和科格爾尼克（Herwig Kogelnik，1932.06.02奧地利Graz—）予以改進(jìn)和完善而提出擴(kuò)展高斯模式理論。[56]

1961年9月貝爾實(shí)驗(yàn)室約翰森（Leo F.Johnson）和納桑（Kurt Nassau，1927.08.25—2010.12.18）小組利用摻釹鎢酸鈣（CaWO4∶Nd3+）發(fā)明了首臺(tái)可連續(xù)運(yùn)行的4ELS光泵浦釹玻璃激光器（1.064 μm，另一種波長(zhǎng)為1.054 μm），在室溫下獲得脈沖激光。[57～58]同年10月美國(guó)光學(xué)公司斯尼特茲（Elias Snitzer，1925.02.27—2012.05.24）博士利用摻雜2%氧化釹的鋇鈣玻璃也研制出4ELS釹玻璃激光器。[59]同年12月貝爾實(shí)驗(yàn)室唐納德·納爾遜（Donald F.Nelson）和博伊爾（2009PH32）合作發(fā)明了首臺(tái)可連續(xù)運(yùn)行的紅寶石激光器。[60]釹玻璃激光器的研制成功開(kāi)創(chuàng)了具有廣闊用途的稀土玻璃激光器研究之先河。1961年斯尼特茲首先建議把激光器和光纖結(jié)合起來(lái)[61]，次年貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家克蘭曼（David Allmond Kleinman）等人首次實(shí)現(xiàn)在激光腔內(nèi)采用F-P反射鏡進(jìn)行模式選擇。[62]1964年凱斯特（Charles J.Koester）和斯尼特茲報(bào)道在沒(méi)有終端反射涂層的情況下，利用盤(pán)繞的線性閃光燈泵浦摻釹玻璃光纖放大器，在長(zhǎng)1 m的光纖中將激光脈沖放大了5萬(wàn)倍。[63]光纖放大器是光通信的關(guān)鍵技術(shù)，本來(lái)玻璃激光器和光纖是兩碼事，只不過(guò)是殊途同歸而已。光纖的基質(zhì)材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類(lèi)元素離子使之激活而制成光纖激光器。玻璃激光器是現(xiàn)代光纖激光器的先驅(qū)，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，其研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。1987年英國(guó)南安普敦大學(xué)物理學(xué)家佩恩（Sir David Neil Payne，CBE，F(xiàn)RS，F(xiàn)REng，1944.08.13—）小組發(fā)明了摻鉺光纖放大器EDFA（erbium-doped fiber amplifier，1.536 μm，其信號(hào)增益為26 dB）[64]，它的應(yīng)用可免除光—電—光的中繼轉(zhuǎn)換而實(shí)現(xiàn)光的實(shí)時(shí)放大，能提高傳輸質(zhì)量并大大減少長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)某杀荆瑸楝F(xiàn)代光通信商業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于光通信和高能激光中。1996年日本科學(xué)家開(kāi)發(fā)出單模摻釹光纖放大器NDFA（neodymium-doped fiber amplifier），在1.06 μm處獲得60 nm的增益帶寬，其信號(hào)增益大于20 dB，噪聲為3 dB[65]，NDFA具有泵浦閾值低、噪聲系數(shù)小和摻雜濃度高等優(yōu)點(diǎn)。

光纖激光器還是激光武器研究的一種候選方案，也是用作受控?zé)岷司圩兊闹饕蜻x光源。激光受控?zé)岷司圩兊膬纱髮?shí)驗(yàn)研究途徑是：①磁約束核聚變MCF（magnetic confinement fusion）；②慣性約束核聚變ICF（inertial confinement fusion），另有包括磁化目標(biāo)核聚變?cè)趦?nèi)的非常規(guī)核聚變（unconventional fusion）途徑。隨著激光技術(shù)的興起，ICF這一新概念被提出。早在1961年，巴索夫和克羅辛（Oleg Nikolaevich Krokhin，1932.03.14—）就開(kāi)始考慮用強(qiáng)激光實(shí)現(xiàn)受控核聚變的可能性并著手研究激光核聚變所必需的物理前提、激光技術(shù)和制靶技術(shù)，1963年他們?cè)诎屠璧?屆國(guó)際量子電子學(xué)會(huì)議IQEC（International Quantum Electronics Conference，會(huì)期：2月11～15日）上首先提出激光核聚變思想：采用高功率脈沖激光輻射聚變?nèi)剂习?，有可能產(chǎn)生高溫高密度等離子體，達(dá)到點(diǎn)燃熱核反應(yīng)的條件，從而實(shí)現(xiàn)人工核聚變反應(yīng)。[66]1964年普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室美國(guó)計(jì)算物理學(xué)家約翰·道森（John Myrick Dawson，1930.09.30—2001.11.17）獨(dú)立提出類(lèi)似思想[67]，同年10月4日中國(guó)核物理學(xué)家王淦昌（1907.05.28—1998.12.10）完成《利用大能量大功率的光激射器產(chǎn)生中子的建議》的開(kāi)創(chuàng)性論文（1987年才正式發(fā)表）[68]，亦獨(dú)立地提出“激光與含氘物質(zhì)發(fā)生作用，使之產(chǎn)生中子”的激光核聚變思想。1968年巴索夫小組利用大功率激光轟擊氘化鋰（LiD）平面靶首次獲得少量熱核中子輸出。[69]直到1972年5月“氫彈之父”愛(ài)德華·特勒（Edward Teller，1908.01.15—2003.09.09）公開(kāi)向心聚爆理論，激光核聚變才迅速成為各大國(guó)的重點(diǎn)軍事研究項(xiàng)目。在以放大啁啾脈沖為基礎(chǔ)的超大功率激光器出現(xiàn)后，科學(xué)家們提出了激光核聚變的新概念—快速點(diǎn)火。世界上規(guī)模最大、能量最高的激光聚變裝置——國(guó)家點(diǎn)火裝置NIF（National Ignition Facility）于2009年5月29日在勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory，1952年9月創(chuàng)建，由UCB負(fù)責(zé)管理，愛(ài)德華·特勒是其倡導(dǎo)者）舉行落成典禮。

全球最大的光纖激光器和光纖放大器制造商IPG Photonics由物理學(xué)家加蓬賽夫（Valentin Pavlovich Gapontsev，1939.02.23莫斯科—，被譽(yù)為“光纖激光器工業(yè)之父”）博士于1990年創(chuàng)辦并自任CEO，該跨國(guó)公司的總部現(xiàn)設(shè)在美國(guó)馬薩諸塞州伍斯特縣（Worcester county）牛津鎮(zhèn)（Oxford town）。IPG Photonics公司2002年報(bào)道：研制成功輸出功率為2 kW（其最大衍射極限輸出功率為100 W）的多模光纖激光器，可用于焊接鋁和鋼構(gòu)件。該公司2009年報(bào)道：研制成功輸出功率為10 kW的單模光纖激光器，并已建立50 kW多模激光用于激光武器試驗(yàn)。

1961年密歇根大學(xué)物理學(xué)家弗蘭肯（Peter Alden Franken，1928.11.10—1999.03.11，被譽(yù)為“非線性光學(xué)之父”）小組將紅寶石脈沖激光（694.3 nm）通過(guò)石英晶體，紅光變成了綠光，觀察到347.2 nm的倍頻光，這是最早發(fā)現(xiàn)的二階非線性光學(xué)效應(yīng)（即二次諧波）和可調(diào)諧現(xiàn)象[70]，稍后又發(fā)現(xiàn)和頻現(xiàn)象，激光器的發(fā)明對(duì)物理學(xué)理論的最大貢獻(xiàn)也許就是導(dǎo)致非線性光學(xué)的誕生。光的倍頻、變頻和混頻都是典型的非線性光學(xué)現(xiàn)象。同年貝爾實(shí)驗(yàn)室德國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家凱瑟（Wolfgang Kaiser，1925.07.17—）等人利用紅寶石激光器照射摻銪離子（Eu2+）的氟化鈣（CaF2）晶體時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了雙光子激射現(xiàn)象[71]，普里特查德小組（1974年[72]）和亨施小組（1975年[73]）各自獨(dú)立地創(chuàng)立了消多普勒雙光子光譜學(xué)。1962年福特汽車(chē)公司特休恩（Robert William Terhune，1926—2014.11.20）小組在方解石上觀察到紅寶石脈沖激光輻射的三次諧波[74]，1965年他及其同事保羅·麥克爾（Paul D.Maker）首次發(fā)現(xiàn)相干反斯托克斯拉曼光譜CARS（coherent anti-Stokes Raman spectroscopy）。[75]拉曼（1930PH）激光器是基于受激拉曼散射原理，通過(guò)它能夠得到固體激光器不能直接發(fā)射的波長(zhǎng)。內(nèi)腔式全光纖拉曼激光器是由一種單向光纖環(huán)（即環(huán)形波導(dǎo)腔）構(gòu)成，腔內(nèi)的信號(hào)是被泵浦光直接放大而無(wú)須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（QCL和OPO也無(wú)須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。1962年休斯研究實(shí)驗(yàn)室伍德伯里（Eric J.Woodbury）小組在研究以硝基苯作Q開(kāi)關(guān)紅寶石激光器的克爾盒（Kerr cell）時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了受激拉曼散射現(xiàn)象，由此而發(fā)明了拉曼激光器（Raman laser）。[76～77]腔中無(wú)克爾盒時(shí)，確實(shí)只有694.3 nm譜線；一旦加上硝基苯克爾盒，則另有767.0 nm譜線出現(xiàn)，后來(lái)證實(shí)它是硝基苯所特有的，對(duì)應(yīng)于硝基苯振動(dòng)躍遷的一級(jí)斯托克斯受激拉曼散射譜線。1963年湯斯小組對(duì)受激拉曼散射的物理機(jī)制和主要參量進(jìn)行了深入研究。[78]電光效應(yīng)分為2種：①一級(jí)電光效應(yīng)：指折射率的變化與外加場(chǎng)強(qiáng)成正比（如壓電晶體等），1893年由德國(guó)晶體物理學(xué)家普克爾斯（Friedrich Carl Alwin Pockels，1865—1913）首先預(yù)期，后在石英等晶體中得到證實(shí)，故又稱(chēng)普克爾斯效應(yīng)（Pockels effect）。②二級(jí)電光效應(yīng)（又稱(chēng)二階非線性電光效應(yīng)）：指折射率的變化與外加場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比（如氣體、液體和玻璃態(tài)固體等），1875年由蘇格蘭物理學(xué)家克爾（John Kerr，F(xiàn)RS，1824—1907）首先在玻璃上發(fā)現(xiàn)，故又稱(chēng)克爾電光效應(yīng)或直流克爾效應(yīng)，另有交流克爾效應(yīng)（克爾光學(xué)效應(yīng)），兩者可統(tǒng)稱(chēng)為克爾效應(yīng)（Kerr effect）。斯托克斯（Sir George Gabriel Stokes，1st Baronet，F(xiàn)RS，1819—1903）是英國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。2004年加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）電子工程師率先報(bào)道研制成功硅基拉曼激光器（硅中一階拉曼效應(yīng)的波長(zhǎng)峰值發(fā)生在1675 nm處，通過(guò)級(jí)聯(lián)的拉曼效應(yīng)可將輸出波長(zhǎng)拓展到中紅外波段），他們采用由光纖制成的8 m環(huán)形激光腔，以硅作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了硅基拉曼激光輸出。[79]

1961年激光器就開(kāi)始面市銷(xiāo)售，同年11月關(guān)于激光治療的2篇論文同時(shí)發(fā)表在《科學(xué)》雜志[80～81]，當(dāng)月22日紐約哥倫比亞長(zhǎng)老會(huì)醫(yī)學(xué)中心（Columbia-Presbyterian Medical Center）哈克尼斯眼科研究所（Edward Stephen Harkness Eye Institute）將紅寶石激光器產(chǎn)生的激光應(yīng)用于治療視網(wǎng)膜脫落并獲得成功[82]，這是激光首次被應(yīng)用于臨床。1968年該中心埃斯佩蘭斯（Francis A.LEsperance，Jr.）醫(yī)學(xué)博士首次采用氬離子激光器完成糖尿病導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變的異常血管修補(bǔ)手術(shù)。[83]激光技術(shù)還被應(yīng)用于殺滅視網(wǎng)膜腫瘤、角膜移植和治療青光眼等。匈牙利醫(yī)生梅斯特（Endre Mester，1903—1984，被譽(yù)為“LLLT之父”）是低功率激光生物學(xué)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者和激光醫(yī)學(xué)的先驅(qū)，1967年他開(kāi)始進(jìn)行激光對(duì)皮膚癌影響的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)而發(fā)明低能量激光療法LLLT（low level laser therapy）。

激光發(fā)明后科學(xué)家們就立即開(kāi)始將半導(dǎo)體材料作為其工作物質(zhì)的研究，1961年法國(guó)國(guó)家電信研究中心（CNET）伯納德（Maurice G.A.Bernard）和杜拉福格（Georges/Guillaume Duraffourg）首先提出在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)受激輻射的必要條件：對(duì)應(yīng)于非平衡電子，空穴濃度的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)差必須大于受激輻射能量，并建議采用III—V族化合物半導(dǎo)體。[84]1962年是半導(dǎo)體激光器突飛猛進(jìn)的一年，當(dāng)年GE研究實(shí)驗(yàn)室、IBM托馬斯·沃森研究中心[85]和MIT林肯實(shí)驗(yàn)室[86]3個(gè)研究小組幾乎同時(shí)報(bào)道研制成功在77 K液氮（沸點(diǎn)-195.79 ℃）低溫條件下輸出微秒（1 μs=10-6 s）級(jí)脈沖的GaAs半導(dǎo)體激光器，這是在光通信、光存儲(chǔ)和光泵浦等領(lǐng)域邁出的具有里程碑意義的重要一步：GE研究實(shí)驗(yàn)室工程師和應(yīng)用物理學(xué)家羅伯特·霍耳（Robert Noel ″Bob″ Hall，1919.12.25—）小組采用直接帶隙（理論上能高效產(chǎn)生受激輻射）GaAs半導(dǎo)體材料，利用擴(kuò)散技術(shù)在GaAs內(nèi)形成p-n同質(zhì)結(jié)，于9月16日發(fā)明了同質(zhì)結(jié)注入式GaAs半導(dǎo)體激光器——激光二極管（LD，0.84 μm）[87]，這是現(xiàn)代光電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。第一代LD存在很多缺陷，其實(shí)用意義并不大，但其基本理論和實(shí)踐探索對(duì)半導(dǎo)體激光器的發(fā)展仍具積極意義。1967年貝爾實(shí)驗(yàn)室加拿大物理學(xué)家戴門(mén)特（John C.Dyment，1938.06.07—）利用Ⅱα型天然金剛石制備出用于GaAs LD散熱用的金剛石熱沉，并用該熱沉首次實(shí)現(xiàn)了條形雙異質(zhì)結(jié)LD的室溫連續(xù)運(yùn)行。[88]據(jù)筆者所知，文獻(xiàn)[89]中至少存在以下3個(gè)方面的錯(cuò)誤：①將美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）主辦的《物理評(píng)論快報(bào)》PRL（Physical Review Letters，1958年7月1日創(chuàng)刊）和美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)AIP（American Institute of Physics，1931年成立，總部設(shè)在馬里蘭州College Park，出版中心現(xiàn)設(shè)在紐約州Melville，2010年6月17日在北京成立首個(gè)國(guó)際辦公室）主辦的《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》APL（Applied Physics Letters，1962年9月1日創(chuàng)刊）這2種不同的刊物混為一談；②表1中將第4篇文章的出版日期誤為1962年12月15日（實(shí)為同年12月1日）；③表1中誤將發(fā)光二極管（LED）當(dāng)成半導(dǎo)體激光器看待。

1957年日本東北大學(xué)（仙臺(tái)市）物理學(xué)家和教育家西澤潤(rùn)一（Jun-ichi Nishizawa，1926.09.12—）首先提出p-n結(jié)注入式半導(dǎo)體激光器理論并申請(qǐng)日本專(zhuān)利[90]，專(zhuān)利名“半導(dǎo)體Maser”相當(dāng)于“半導(dǎo)體Laser”，故他是半導(dǎo)體激光器的先驅(qū)。1958年7月7日巴索夫小組獲得前蘇聯(lián)量子力學(xué)半導(dǎo)體振蕩器和電磁振蕩放大器的發(fā)明證書(shū)（No.10453，前蘇聯(lián)實(shí)行發(fā)明者證書(shū)與專(zhuān)利并存的雙軌制）。[91]在1959年9月紐約國(guó)際量子電子學(xué)和共振現(xiàn)象會(huì)議上，巴索夫從理論上提出：采用脈沖電場(chǎng)中電流載流子的雪崩增殖法在半導(dǎo)體中可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得相干輻射。1960年巴索夫小組對(duì)半導(dǎo)體激射器從機(jī)理上進(jìn)行了透徹的理論研究，提出激勵(lì)半導(dǎo)體激光器的3種方法：[92]①光泵浦法（用紅寶石激光激勵(lì)半導(dǎo)體）；②快電子束泵浦法；③應(yīng)用高度摻雜簡(jiǎn)并（doped degenerate）半導(dǎo)體中的p-n結(jié)，采用電流直接泵浦法以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此方法后來(lái)被證明是成功有效的。1962年巴索夫小組制成注入式半導(dǎo)體激光器，次年制成強(qiáng)電子束激勵(lì)的半導(dǎo)體激光器。早期半導(dǎo)體激光器都是同質(zhì)結(jié)型（單結(jié)型），只能在低溫下以脈沖方式運(yùn)行。1963年克勒默在IEEE年會(huì)上首先提出（單）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的原理[93]，前蘇聯(lián)國(guó)家科學(xué)院列寧格勒（現(xiàn)圣彼得堡）約飛物理技術(shù)研究所（1918年成立）阿爾費(fèi)羅夫和卡扎林諾夫（Rudolf Feodor Kazarinov，1933—）獨(dú)立地在其專(zhuān)利申請(qǐng)書(shū)中描述了同樣的原理。[94]其實(shí)質(zhì)是把一個(gè)窄帶隙半導(dǎo)體材料夾在2個(gè)寬帶隙半導(dǎo)體材料之間，從窄帶隙半導(dǎo)體中產(chǎn)生高效率輻射，這個(gè)設(shè)想很大程度上取決于異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)工藝。IBM托馬斯·沃森研究中心德國(guó)物理學(xué)家魯普雷希特（Hans Stefan Rupprecht，1930.03.19—2010.12.09）和美國(guó)發(fā)明家伍德?tīng)枺↗erry M.Woodall，1938—）小組致力于GaAlAs半導(dǎo)體材料的研究，他們采用液相外延LPE（liquid phase epitaxy，epitaxy又譯為“磊晶”。1963年由新澤西州普林斯頓RCA實(shí)驗(yàn)室赫伯特·納爾遜發(fā)明[95]）技術(shù)在GaAs襯底上生長(zhǎng)出鎵鋁砷（GaAlAs），1967年報(bào)道了首個(gè)實(shí)用的晶格匹配的異質(zhì)結(jié)[96]，這是半導(dǎo)體激光器發(fā)展史上邁出的重要一步。1969年貝爾實(shí)驗(yàn)室美國(guó)物理化學(xué)家潘尼希（Morton/Mort B.Panish，1929.04.08—）和日本物理學(xué)家林嚴(yán)雄（Izuo Hayashi，1922.05.01—2005.09.26）小組研制成功GaAlAs/GaAs單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器SHL（single heterojunction laser），它雖可在室溫下工作，但也只能運(yùn)行于脈沖方式。[97]1970年5月初阿爾費(fèi)羅夫小組研制成功在室溫下輸出連續(xù)波CW（continue wave）的p-GaAs/n-Ga1-xAlxAs/p-Ga1-xAlxAs雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器DHL（double heterojunction laser，～900 nm）[98～99]，比潘尼希小組6月1日實(shí)驗(yàn)成功領(lǐng)先不足1個(gè)月。[100]室溫下連續(xù)波半導(dǎo)體激光器的發(fā)明使其徹底告別了液氮溫度，其波段不斷被拓寬，線寬和調(diào)諧性能逐步提高，為實(shí)現(xiàn)光通信商業(yè)化鋪平了道路，是光通信發(fā)展史上的里程碑事件，在半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史上亦具有跨時(shí)代的重要意義，此后半導(dǎo)體激光器就進(jìn)入了迅猛發(fā)展時(shí)期。1975年新澤西州半導(dǎo)體激光實(shí)驗(yàn)室（Diode Laser Labs）推出首款商業(yè)型室溫半導(dǎo)體激光器。1976年MIT林肯實(shí)驗(yàn)室美籍華裔科學(xué)家謝肇金（James Jim Hsieh）小組研制成功1.25 μm的長(zhǎng)波長(zhǎng)室溫InGaAsP半導(dǎo)體激光器，壽命達(dá)1500 h。[101～102]

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