世界当代科技史-第17章
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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，
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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
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射的几率之比仅为微波波段的1／10，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
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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
“Light Amplification of Stimulated Emission ofRadiation”，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
（LightAmplication by Stimulated Emission of Radiation）。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
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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。
2。激光器的发展及应用
继红宝石激光器的发明后，其他类型的激光器如雨后春笋般涌现出来，
激光器的性能也不断提高。从1960年底起，激光被迅速地应用到科研、工业、
农业、医疗、军事及生活等各个领域，成为新技术革命的一支生力军。
（1）激光器的发展
1960年12月，贝尔实验室的贾万等人研制成功了氦氖激光器。它第一
次获得了连续性的激光，而且证明了可以用放电方法产生激光，为激光器的
发展开拓了多种渠道。自1960年起，在世界范围内掀起了研究激光的热潮。
首先是对激光工作介质进行普查。20多年中，研制出的激光器种类数以千
计，但保留下来的性能良好又实用的只有几十种。1961年11月，美国的斯
尼泽研制成功一种大功率脉冲器件——钕离子激光器。1964年4月，范尤特
研制成钇铝石榴石激光器。它是唯一能在常温下连续工作并且有较大功率的
固体激光器，应用范围很广。气体激光器也取得长足进展。1963年，贝尔实
验室推出汞离子激光器；佩特尔研制成功大功率的二氧化碳激光器。1964
年，氩离子激光器问世。50年代正是半导体物理学的研究热潮时期，所以半
导体作为激光工作物质的可能性问题一直受到关注。1962年，美国的霍尔首
先报道研制成砷化镓半导体激光器，但未能获得实际应用。1970年，贝尔实
验室的林严雄等人研制成功异质砷化镓激光器，使半导体激光器发展到一个
新阶段。1966年，美国的索洛金等人研制成氯化铝酞花菁液体染料激光器。
1967年，可见光的染料激光器开始出现，不久又有了可调式染料激光器。使
用数种染料可在红光到紫光的可见光区域上得到激光振荡。1970年，巴索夫
用高能电子激励液氙，制成第一台紫外受激准分子激光器。受激准分子激光
器的输出波长在紫外或真空紫外区域，发射波长可调，是一种有前途的新激
光体系。
此后，激光向长波（亚毫米、毫米波段）和短波（紫外真空、X射线、
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激光从诞生至今，只有短短30多年时间，却产生了这么多种功能各异的
激光器，发展之迅速，是以往其他技术所无法比拟
（2）激光技术的应用
激光与普通光源相比，具有高亮度、高单色性、高方向性、高相干性等
优点。由于激光技术是建立在量子物理学和电子技术、光技术的雄厚基础上，
所以从发明到应用进展神速，周期比以往任何新技术都要短。电话从发明到
应用大约为50年，飞机为20年，晶体管缩短为3年，而激光仅为几个月。
1960年12月，氦氖激光器研制成功，第二天科学家们就将它用于电话
信号的调制和传输。1960年，休斯实验室进行了激光测距实验。1961年，已
制成了可操作的激光测距仪。1961年，美国三叉戟公司将红宝石激光射到碳
板上将碳汽化，进行了首次激光钻孔实验。1962年，CO激光器已用于切割
