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激光發明的歷程與啟示
來源: | 作者:激光新聞網 | 發布時間: 2020-09-14 | 280 次瀏覽 | 分享到:

梅曼其人

1960年4月,休斯實驗室從40公里以外的Culver City搬到了Malibu,啟用了一座嶄新的研究大樓。這個大樓非常漂亮,有著科研工作者最理想的工作環境,梅曼從自己的辦公室可以眺望太平洋。在搬到這里一個月之后,也就是1960年5月16日,梅曼成功研制了人類歷史上第一臺激光器

梅曼(1927-2007)的全名是Theodore Maiman。他的父親是位工程師,梅曼從小跟父親學習電子工程方面的知識。1949年,梅曼在科羅拉多大學電子工程系獲得了本科學位。雖然本科就讀電子工程系,梅曼卻對物理學更感興趣,他的夢想是到斯坦福大學物理系攻讀博士。不幸的是,斯坦福大學拒絕了他的申請,與此同時他收到了哥倫比亞大學的錄取通知書。

當年的哥倫比亞大學物理系,大師云集,如日中天。但是梅曼對斯坦福大學情有獨鐘,雖然被拒絕,卻不肯放棄初衷,從老家丹佛搭車一路到了加州斯坦福大學,想方設法敲開許多教授的辦公室的門,尋找讀博士的機會。最后雖然沒有打動斯坦福大學物理系的教授,卻被斯坦福大學電子工程系錄取。

1951年,在電子工程系獲得碩士學位后,梅曼再次申請斯坦福大學物理系。這一年,蘭姆(Willis Lamb,1955年諾貝爾物理學獎得主)正好離開哥倫比亞大學加盟斯坦福大學,需要有光學和電子工程背景的學生建立實驗室。蘭姆看重梅曼的動手能力,讓梅曼加入自己的課題組。在博士期間,梅曼主要從事光學方面的工作,用光學手段研究一些原子氣體的性質。1955年獲得博士學位后,梅曼進入休斯實驗室,第一個項目是研制一臺基于紅寶石的微波激射器(Ruby MASER)。

湯斯與MASER

微波激射器(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,MASER),譯為“利用受激輻射對微波進行放大”。“受激輻射”源自愛因斯坦在1917年發表的一篇文章,他從理論上指出,當光與物質相互作用時,除了吸收和自發輻射之外,還存在第三種過程——受激輻射。

自發輻射發生時,處于上能級的原子系統自發地躍遷到下能級,同時釋放出一個光子;受激輻射過程中,一個頻率合適的入射光子誘發處于高能級狀態的原子系統躍遷到低能級狀態,額外釋放出與入射光子完全相同的光子。為了能保證對光的放大超過吸收,前提條件是實現粒子數反轉。一般情況下,物質處于熱平衡狀態,粒子數的分布滿足玻爾茲曼分布,能級越高,粒子數越少,此時受激輻射弱于吸收。粒子數反轉意味著增益介質要遠離平衡態,從而處于上能級的粒子數超過處于下能級的粒子數,這樣光在增益介質中傳播時受到的增益才可能大于損耗,達成對光的放大。

MASER的發明人是湯斯(Charles Townes,1915-2015,1964年諾貝爾物理學獎得主)。他于1915年出生在美國的南卡羅來納州。1939年,年僅24歲的湯斯從加州理工學院獲得博士學位,就職于貝爾實驗室。跟很多人的想法一樣,湯斯選擇貝爾實驗室看重的是其良好的科研環境,希望以此為跳板,下一步到大學做教授。果然,湯斯在1948年收到了哥倫比亞大學物理系的邀請,成為該系的正教授,并且雇了肖洛(Arthur Schawlow,1921-1999,1981年諾貝爾物理學獎得主)為博士后。肖洛1921年出生在美國,隨父母在加拿大多倫多長大,并在多倫多大學獲得博士學位。1951年,肖洛跟湯斯的妹妹結婚。

1951年4月26日,湯斯產生了如何做MASER的思路,他想到了如何在氨分子里實現粒子數反轉的方法。氨分子是二能級系統,直接實現粒子數反轉是不可能的,但是湯斯的辦法非常巧妙:利用氣體放電可以讓一小部分氨分子處于激發態,然后通過磁場把處于基態的氨分子和處于激發態的氨分子區分開來,將激發態的氨分子注入到一個微波諧振腔里,在這個諧振腔里就實現了粒子數反轉。有了MASER的想法之后,湯斯著手實驗驗證。1951年底,肖洛離開哥倫比亞大學物理系,到貝爾實驗室工作。湯斯將MASER的工作交給一個叫James Gordon的博士生,經過三年的努力,世界上第一臺MASER問世。

知之非難,行之不易

從1954年到1957年,MASER的技術突飛猛進,人們發明了用固體作為增益介質的MASER,比如用合適波長的光進行抽運,具有三能級結構的紅寶石就可以實現粒子數反轉。同時,很多課題組想到,既然可以在微波頻段制造MASER,那能否在更高頻率的頻段實現粒子數反轉,建成光波波段的激射器(也就是激光)呢?作為MASER的發明人,湯斯當然知道激光的重要性。他認為光的激射是MASER自然往前的發展,于是將這種裝置稱為Optical MASER。

實現Optical MASER的難點有三個:一是工作在光波波段的增益介質,實現粒子數反轉,二是合適的抽運方式,三是諧振腔,更是難中之難。當時大家認為諧振腔的尺度應該和波長差不多,湯斯的MASER的工作波長為1.5 cm左右,而光波的波長比微波短幾個數量級。如果仿照微波的做法,做一個波長大小的諧振腔,難度非常高。在1957年以前,湯斯認為幾乎不可能通過受激輻射實現對光波的放大。到了1957年夏天,他變得樂觀了一點,但也認為至少還需要25年時間。

本著先易后難的原則,湯斯需要首先確定增益介質和抽運方式。當時在哥倫比亞大學物理系有很多人用光抽運氣體,以實現粒子數反轉產生微波,庫什(Polykarp Kusch, 1911-1993,1955年諾貝爾獎得主)組里就在做這樣的研究。庫什有一個博士生叫古德(Gordon Gould, 1920-2005),湯斯得知他對光抽運有經驗,就把他叫到自己的辦公室進行了兩次談話。

湯斯與肖洛聯手

湯斯從1957年起開始擔任貝爾實驗室的顧問,每個月有兩三天跨過哈德遜河,到位于新澤西的貝爾實驗室工作。這時肖洛已經在那里工作六年。肖洛到貝爾實驗室工作時,本是要跟隨巴丁(John Bardeen,1908-1991,1956年和1972年諾貝爾物理獎得主)一起進行超導方面的研究。1951年,就在肖洛來貝爾實驗室之前不久,巴丁接受了來自伊利諾伊大學的邀請,離開了貝爾實驗室,因此肖洛在加入貝爾實驗室的前幾年一直沒什么具體科研工作。

當時,他被提名為貝爾實驗室安全管理員。后來肖洛回憶說自己在那段時間里,幾乎沒什么事可干,非常害怕,覺得自己的職業生涯就此要斷送了。他說自己作為安全管理員,所做的唯一的一件事情是為一起安全事故寫報告,那起安全事故是一名理論物理學家竟然用鉛筆戳傷了自己。肖洛在這個報告的最后不忘幽默一下,建議為做理論的人提供專門培訓,訓練他們如何正確使用鉛筆。

湯斯看到肖洛在貝爾實驗室比較消沉,于是向他介紹了Optical MASER這一初步構想,告訴肖洛可以使用光抽運和使用鉀金屬氣體作增益介質,但是還不知道怎么制作諧振腔。肖洛對此也很感興趣,隨即二人開始合作,肖洛很快就想到可以用由兩面平行鏡子組成的法布里-珀羅腔作為激光器的諧振腔,于是實現激光器的三個部件全部齊全。兩人合作寫了一篇理論文章《Infrared and Optical MASERs》,于1958年12月15日發表在了Physical Review上 。這篇文章第一次在理論上預言了激光的可行性,詳細地分析了在法布里-珀羅腔充當諧振腔的情況下,利用光抽運鉀金屬氣體產生激光輸出。在湯斯的堅持下,貝爾實驗室在文章發表之前就為Optical MASER申請了專利。

特立獨行的古德

湯斯嚴重低估了古德。古德碩士畢業于耶魯大學,1944年到1945年參加曼哈頓計劃。他青年時異常激進,當時美國盛行麥卡錫主義,導致古德的研究之路極度坎坷。1949年,他到哥倫比亞大學物理系跟隨庫什讀博士。

1957年,37歲的古德基本完成了實驗工作,正要集中精力撰寫博士論文。古德只比湯斯小五歲,在湯斯和其他教授看來,古德比較懶散,讀了八年博士也沒有像樣的成果,只是在混著等畢業而已。古德的性格跟湯斯迥異,湯斯是傳統意義上的學院派教授,工作努力且非常自律,而古德思路活躍,敢于冒險,一直夢想成為偉大的發明家,通過發明實現財務自由。

與湯斯談話之后,古德極度興奮,思考到底該怎么實現激光。在與湯斯討論時,古德已經意識到可以用光抽運氣體,因此難點在于合適的諧振腔。經過幾個星期的思考,他也獨立想到激光的諧振器可以采用法布里-珀羅腔。

1957年12月13日,古德將自己關于激光的構想寫在了實驗本上,題目叫《Some rough calculations on the feasibility of a LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation》(《關于激光:基于受激輻射光放大可行性的一些粗略計算》)。所以我們今天熟知的激光的名字來自古德。數年之后,關于激光的命名還有爭議,湯斯和肖洛堅持認為激光器應該叫Optical MASER。肖洛還開玩笑說,如果按照古德的說法,光在法布里-珀羅腔中諧振,是一個Light Oscillation的過程,而不是Light Amplification,所以激光的名字應該是Loser。

必須說明,湯斯和古德對激光的認識有很大不同。湯斯認為,就像MASER一樣,激光最大的優點是在于其頻率單一;古德直覺更準,他意識到激光器所產生的光不僅頻率單一,更重要的是它是相干光,發散角非常小,在空間上可以形成傳輸距離很遠的光束,可以把能量很快地傳輸到遠方;如果聚焦的話,極小的光斑產生極高的光強,說不定可用作激光武器或是引發核聚變等。

1958年1月,古德向一名律師詢問如何申請專利。在交流的過程中,古德誤解了律師的意思,以為只有先做出激光器才能申請專利,因而錯過了早于貝爾實驗室申請專利的時機。1958年3月,古德做出人生中的重大決定:從已經讀了快九年的哥倫比亞大學物理系退學,放棄博士學位。他覺得激光有巨大的商機,一定要爭分奪秒。他加盟了一家名為TRG的初創公司。1959年初,他從國防部獲得了99.98萬美元用于研發第一臺激光器。

看起來古德在這場競爭中處于領先地位,實則不然。由于早年參加激進活動,導致他遲遲不能通過政審。雖然巨額經費來自于古德的項目書,但他卻被排除在任何實驗工作之外,甚至無權再看自己寫的項目書。這導致古德在TRG處于一種荒謬的狀態,他甚至不能進入那棟專門用于研發激光的實驗樓。尤為尷尬的是,那些真正動手研發激光的人碰到問題,向古德請教時為了防止泄密,不能說自己在研發激光,只能委婉地問:假如我們在搭建一臺激光,我是說假如,并不是真的在做,如果發現激光不能起振,要是你在做這個實驗的話,你覺得應該怎么做?情況就是如此令人啼笑皆非。古德能看不出來嗎?可是他還是提出自己的建議,這些人再去做實驗,獲得一些實驗結果再反饋給古德。整個過程效率很低,讓古德在這場激光的競爭中漸漸落后。

群英聚會,華山論“劍”

1959年,湯斯與肖洛在Physical Review上發表文章后,很多研究組都試圖第一個做出激光,競爭異常激烈。僅貝爾實驗室就有四個組嘗試不同的辦法,嘗試不同的增益介質,包括氣體、半導體和晶體。在這個階段,大家遮遮掩掩,互相提防。1959年9月,湯斯把大家叫在一起,在離紐約曼哈頓不遠的一個度假村召開了一個小型會議,共有163人參加,其中17人來自貝爾實驗室,休斯實驗室也來了4人,其中之一就是梅曼。

梅曼很晚加入這場競賽,確切地說是參加這場會議之后。1956年,梅曼開始在休斯實驗室工作,承擔的任務是為軍方做一臺基于紅寶石的微波激射器。紅寶石為三能級系統,可以利用光抽運。當時紅寶石MASER已經非常成熟,軍方希望將其小型化,發射到太空。梅曼花了三年時間完成了該項目,但這時軍方對此已失去興趣。在1959年的這個會議上,梅曼介紹了自己這方面的工作。會議上大家都只對激光感興趣,梅曼的工作并沒有引起什么反響。

當時梅曼也需要開始新的項目。會議之后,梅曼說服公司的管理人員,利用公司內部的科研經費開始激光的研制。盡管很晚加入到激光的競賽當中,但梅曼很幸運,他選用的增益材料是紅寶石。

紅寶石在MASER研究中已經比較常見,肖洛在貝爾實驗室也嘗試過紅寶石,但并沒有成功,一是由于他用的紅寶石晶體質量較差,二是他使用連續光作為抽運光。經過計算,他發現如果用光去抽運具有三能級結構的紅寶石,需要極高的抽運能量才能實現粒子數反轉,而連續光抽運能量太高將導致晶體無法及時散熱,最終因溫度過高而損壞。肖洛因此得出結論:用紅寶石做激光行不通。1958年起的兩年內,肖洛到處說紅寶石不能用來做激光的增益介質。由于他已經被認為是這個領域的權威,大家都不再考慮紅寶石。

但是梅曼卻對此持懷疑態度。

獨辟蹊徑,力拔頭籌

回到休斯實驗室后,梅曼做了一些初步的實驗,更加堅定了自己的判斷,覺得紅寶石做激光增益介質可行。梅曼從小喜歡做電子實驗,有工程師的頭腦,解決問題的思路跟學院派的湯斯、肖洛以及貝爾實驗室的其他科學家不一樣,算是介于古德和學院派之間。比起學院派,他思路更靈活實際,比起古德,他受的訓練更扎實,對光學更熟悉。他的關鍵想法是,不一定非要用連續光來抽運紅寶石,換成脈沖光能夠避免過熱問題。脈沖光可以在短時間內輸入非常高的能量,讓紅寶石晶體實現粒子數反轉,從而輸出激光,接下來抽運光消失,粒子數反轉解除,同時不會積攢更多熱量。

這張圖片是梅曼設計的紅寶石激光器的結構圖,抽運源來自General Electric 公司(GE公司)的現成產品。梅曼覺得螺旋形的抽運燈更好,這樣可以把充當增益介質的紅寶石棒插在螺旋形燈管的中間,在外面再加一個鍍銀的外套把所有的光都能反射回去,就可以保證燈泡發出的光全部聚焦到紅寶石晶體上。同時,他在紅寶石晶體的兩側分別鍍銀,在其中一邊開了一個小孔,這樣光就可以部分透射,諧振腔就做好了。這樣一來,激光器的三個元素都齊備了:螺旋形閃光燈為抽運源,紅寶石晶體為增益介質,法布里-珀羅腔為諧振腔。

1960年5月16號下午,梅曼和自己的助手在實驗室里增加氙抽運燈的電壓,從幾百伏開始往上加,用示波器記錄紅色熒光隨時間的變化。開始時,抽運比較弱,粒子數反轉處在閾值之下,能產生的都是熒光,因為抽運光是個脈沖,脈沖過去之后激光器馳豫,熒光慢慢消失。繼續增加電壓到粒子數反轉超過閾值時,開始出現受激輻射,示波器上出現尖峰。當電壓加到900多伏的時候,明顯可以看到一個尖峰,此時他們知道自己真正做出了人類歷史上的第一束相干光,第一臺激光就此誕生。

誰想到梅曼的助手是色盲,眼睛看不到紅色,而第一臺紅寶石激光器產生的恰恰是紅光,因為輸出激光實在太強,光束射到遠處的墻上產生的散射光讓梅曼的助手在人生中第一次看到了紅色。

一波三折,終獲認可

1960年5月16日,梅曼從世界上幾十個研究組中脫穎而出,制成了人類歷史上第一臺激光器,在這場激烈競爭中獲得勝利。但是他獲得大家承認的過程卻一波三折。首先,休斯實驗室管理層覺得激光并不重要,放棄申請專利,導致后來有一場圍繞激光器專利的持續二十年的官司。既然不能申請專利,梅曼抓緊時間盡快發表自己的成果。他很快完成一篇文章,名為《Optical MASER Action in Ruby》,于6月22日投到了Physical Review Letters(以下簡稱PRL)上。

PRL剛創刊不久,主編為著名物理學家古德施密特(Samuel Goudsmit)。梅曼對自己投到PRL上的文章很有信心,他覺得這篇文章可能會送到湯斯或肖洛手里評審,專門把激光器叫“Optical MASER”,而不是采用古德的命名方式“Laser”,未曾想弄巧成拙。當時這個主編審閱了大量有關MASER的文章,已經受夠了,決定再也不接受這類論文。他認為這種工作缺乏物理深度,應該投稿到另外一個他創辦不久的雜志——Journal of Applied Physics(JAP),《應用物理雜志》。所以,古德施密特毫不留情地在6月24日拒掉了梅曼的文章。拒稿信非常簡短:這篇文章不適合PRL,應該投給那些更偏技術的期刊,也許那些讀者會更喜歡你的工作。

梅曼的好朋友弗蘭肯(Peter Franken,非線性光學的奠基人)與古德施密特和梅曼私交都很好,專門給這個主編打電話抱怨,但還是無法讓古德施密特重新考慮這篇文章。古德施密特甚至寄了一封更為正式的拒稿信給梅曼:PRL肯定不會考慮已經拒過的文章,任何原因都不行!

梅曼只好選擇其他期刊,他把文章改短到三百字左右,投到Nature。投PRL不中,投Nature卻是異常順利,文章于1960年8月6日發表,只有梅曼一個作者。后來湯斯評價這篇文章,認為在Nature所有已經發表的文章中按每個字計算,梅曼這篇文章是價值最高的。

Nature是英國雜志,由于沒有互聯網,Nature在美國流傳并不廣泛,于是梅曼又寫了一篇更為詳細的文章,按照PRL主編的建議,投到了Journal of Applied Physics。這個雜志很快接受了他的文章,但是稱要六個月之后才能印發,這讓梅曼隱隱不安:其他研究組很有可能在六個月之內成功研制激光器,搶先發表文章。要知道梅曼做激光器一共花費幾千美元,而貝爾實驗室在激光方面的研究已經投入了兩百多萬美元,梅曼的擔心不無道理。他感覺時間非常緊迫,似乎時時刻刻有可能被貝爾實驗室趕超。

如何向世界證明自己是第一個制成激光器呢?梅曼和休斯公司采用了另外一種辦法——召開新聞發布會。為了引起廣泛的關注,新聞發布會選在紐約曼哈頓的Delmonico酒店。1960年7月7日,梅曼在Delmonico酒店向新聞媒體展示了自己的激光,而且還把已經被JAP接受的文章預印本發給了在場的各位記者。令他震驚的是,一家英國不知名的期刊British Communications and Electronics兩個月之后給他發來了文章被發表的通知。原來該期刊的記者在參加發布會時得到了預印本,覺得工作太漂亮了,竟然沒有經過梅曼的同意,直接在自己供職的雜志上發表了。

毫無疑問,梅曼非常惱火,因為他的文章已經被JAP接受,只是還沒有印刷出來而已。而這個在美國毫無名氣的破雜志,竟然不通知他就搶先發表了!這對大家承認他的工作極為不利。但他又無可奈何,出于學術道德的考慮,他只好聯系JAP撤稿。所以,我們今天看到,梅曼關于激光的文章,短的版本發表在Nature上,長的版本在英國的這個不知名的小雜志上。在梅曼的新聞發布會后,貝爾實驗室重復了梅曼的工作,在PRL上搶發了一篇非常詳細的文章。在之后相當長一段時間內,貝爾實驗室一直聲稱他們最早做出了激光。隨著時間的推移,歷史的塵埃落去,梅曼才被公認為是制成激光器的第一人。

尾聲

在那場新聞發布會上,有記者詢問激光有什么用處。梅曼給出了5方面的建議:

用來放大光,比如做高功率激光器的時候,都是用光放大器對比較弱的光進行放大;

可以用激光去研究物質(后來發展為激光光譜學);

用高功率激光光束做空間通訊;

用于增加通訊的信道數量(這就是后來出現的光纖通訊);

把光束聚焦,產生超高的光強,用于工業上切割或焊接材料,或是在醫學上進行手術等等。

梅曼這些建議日后一一應驗,說明以他為代表的第一代激光研究者對激光的潛在能力有著清晰的認識和遠見。

梅曼贏得研制激光器這場競賽,僅用了9個月的時間和幾千美元的經費,原因何在?梅曼后來寫了一本書——The Laser Odyssey。在書中,他給出了自己的答案。

首先,他非常努力和專注,有韌性并且百折不撓。第二,以湯斯和肖洛為代表的學院派低估了像梅曼和古德這樣的非學院派,覺得這些人不太可能做出什么重要的貢獻。第三,梅曼對自己所做事情的重要性有明確的認知,知道激光是前無古人的發明,具有重大深遠的影響,值得自己全身心投入。第四,梅曼覺得自己非常冷靜和仔細。他既有工程背景,又受過良好的物理訓練,能夠一步一步解決問題,而且解決問題的思路與學院派完全不同。他的激光器體積很小,設計非常巧妙,大部分器件和技術都比較成熟。而其他課題組的方案往往需要巨大而且昂貴的儀器設備,很多部件也需要自己去研發,系統非常復雜,導致工作進展緩慢。這當然只是梅曼自己的總結,讀者可能會給出不同的答案。

六十年后的今天,激光已經無處不在,深深地改變了我們的世界。回顧激光發明的這段曲折跌宕的歷程,相信每個讀者都會在對這些先賢們滿懷敬意的同時,受到智慧的啟迪。

作者簡介:

常國慶,中國科學院物理研究所 特聘研究員,長期從事超快激光物理、高功率飛秒激光技術、飛秒光學頻率梳等領域的研究。




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